消化道药物控释驱动机构的动力学特性研究.doc

消化道药物控释驱动机构的动力学特性研究*庄银苹1，侯文生1，郑小林1,2，崔建国1，皮喜田1（1重庆大学生物工程学院重庆400044；2新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室重庆400044）摘要：药物控释微系统是研究消化道药物吸收特性的一种新技术，其中的驱动机构是实现药物释放的关键技术环节。对电热式驱动机构进行了数学模型分析和实验测试研究。根据牛顿定律及液压传递原理，建立数学分析模型，并利用MALTAB仿真驱动机构活塞的速度-时间曲线及位移-时间曲线。同时，利用高速摄像系统设计了针对电热式驱动机构的测试实验，记录和分析了驱动机构药物释放的动态过程，得到了驱动机构活塞的运动学特征参数。实验结果表明驱动机构活塞的运动由慢-快-慢3个阶段组成，药物释放主要在第2个阶段完成。该研究结果有助于优化药物控释微系统驱动机构的设计。关键词：药物控释；驱动机构；MEMS；消化道中图分类号：R318文献标识码：A国家标准学科分类代码：310.6110Dynamics characteristic study of the driving unit fordrug controlled release in alimentary canalZhuang Yinping1, Hou Wensheng1, Zheng Xiaolin1,2, Cui Jianguo1, Pi Xitian1(1 Department of Biomedical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China；2 National Key Laboratory Fundamental Science of Micro/Nano-device and System Technology, Chongqing 400044, China)Abstract：Micro-controlled drug release system is a new technology for studying the drug absorption characteristics in alimentary canal, in which driving unit is the key technical element for drug release. In this paper, mathematical model analysis and experimental test study are carried out for the study of the electrothermic driving unit of the micro-controlled drug release system. According to Newtons law and the principle of hydraulic transmission, a mathematical analysis model is set up and simulated by MATLAB software to obtain the speed-time and displacement-time curves of the driving unit piston motion. Besides, test experiment is designed aiming at the electrothermic driving unit taking advantage of a high-speed camera system, and the kinematical characteristic parameters of the driving unit are obtained by recording and analyzing the drug release dynamic process of the driving unit. Experiment result shows that the piston motion process of the driving unit is divided into slow-fast-slow three phases and drug delivery is mainly completed in the second phase. The study results of the paper are helpful in optimizing the design of the driving unit of the micro-controlled drug release system.Key words：drug controlled release; driving unit; MEMS; alimentary canal1引言收稿日期：2009-02Received Date：2009-02*基金项目：国家高技术研究发展计划(2006AA04Z343)、国家自然科学基金(30870661，30770569，30500120)、重庆市自然科学基金项目(CTST2007BB5165)、重庆市“十一五”科技重大专项“新型医疗器械”(CSTC2008AA5010)资助项目随着新材料技术、传感器技术、通信技术、特别是集成电路（IC）技术和微机电系统（MEMS）技术的发展，用于消化道疾病无创诊疗的微型药物控释系统成为医药工业重要的研究方向1-4。一个典型的药物控释系统包括遥控接收模块/传感器单元、控制电路、药物存储腔体、能源和药物释放驱动装置等5。其中，微型驱动机构是药物控释系统中一个重要的组成部分，是药物释放成功的关键。目前已研制成功的微型驱动机构设计多种多样，驱动原理也不尽相同。如利用液压原理的微型泵6，利用电化学方式的气体电池7-8，以及利用电热方式的驱动机构设计9等。电热式驱动机构已经用于消化道定点药物控释系统中，当药物控释系统到达指定病变位置时，启动驱动机构，执行药物释放任务10。但是，关于驱动机构工作的可行性、药液驱动压强、射流速度等技术参数11都缺乏定量的研究，而这些参数对提高驱动机构工作可靠性上是一个技术障碍。因此,本文对药物控释微系统的电热式驱动机构进行了理论建模，根据牛顿定律及液压传递原理，对模型进行分析，建立了药物释放的速度-时间曲线及位移-时间曲线。同时，设计针对药物控释微系统电热式微驱动机构的测试实验，利用高速摄像系统记录和分析了驱动机构药物释放的动态过程，得到了驱动机构活塞的运动学特征参数。2驱动机构的设计 药物的释放由动力产生装置驱动机构和药物储存装置药仓共同完成。驱动机构由信号处理单元、弹簧、高强度低熔点聚合物线、底板及其他辅助固定装置等组成。聚合物线穿过信号处理单元中的电热单元和底板，将弹簧固定于压缩状态12。药仓是由药物控释系统的外壳，活塞及封盖围成的空腔，如图1所示。外壳由聚碳酸酯材料铸模加工而成。两端的外边缘设计成圆弧型，防止划伤消化道内壁。外壳的内边缘的设计成弧形结构，在药物释放过程中对活塞运动起缓冲作用。驱动机构推动药物释放的工作过程如图2所示。将其安装在与药仓活塞紧密接触的药物控释系统外壳内，当其信号处理单元接收到药物释放信号时，电热单元将电能转化为热能，在很短的时间内，将聚合物线熔断，从而释放预先压缩的弹簧。在初始状态时，驱动机构静止，弹簧处于压缩状态，如图2（a）所示，当驱动机构开始工作时，弹簧迅速恢复形变并推动活塞向前运动，将药物推出药仓，如图2（b）所示。图1药物控释系统药仓设计Fig.1 The drug storage design of the drugcontrolled delivery system （a）弹簧处于压缩状态 （b）弹簧处于恢复形变状态(a)The spring is compressed in initial state (b) The spring is outspread in final state图2驱动机构工作过程Fig.2 Woking states of the driving unit3模型分析为了研究所设计的驱动机构的物理特性，对驱动机构推动药物释放的过程进行模型分析。理论模型简化为如图3所示。其中、为药液截面，r1, r2为药液截面半径，S1, S2为药液截面面积。图3驱动机构推动药物释放的简化模型Fig.3 The simplified module of the driving unit坐标系的建立：驱动机构静止时，以活塞所在位置为纵坐标，弹簧恢复形变方向为横坐标，建立坐标系，如图3所示。初始状态，弹簧的压缩量为L，在活塞运动过程中，任取t时刻，在截面，液面受到向右的推力： (1)根据液体压强的传递性，及牛顿第3定律，截面及活塞受到药液出口截面的阻力作用，阻力的大小为: (2)讨论：当S2=0时，药仓处于密闭状态，药仓内压强处处相等，因此，F 2=F1。当S2=S1时，药液出口被完全敞开，理想状态下，活塞运动不受液体的阻力作用，此时，F2=0。当S2¹S1时，S2越大，F2越小，即药液出口截面越大，活塞所受到的阻力越小。由上分析可知，活塞运动所受阻力大小与药液出口截面有关。截面越大，药液对活塞的阻力越小，但在药物未释放时，出口截面积越大，密封效果就越差，根据多次实验测试经验，选取r2=r1/2，因此，药液释放过程中，活塞所受液体阻力： (3)由于活塞与药液截面紧密接触，因此，分析活塞的运动情况可以了解液体的运动情况。以活塞为研究对象，进行受力分析，受力情况如图4所示。其中，弹簧的推动力F1，药仓对活塞的摩擦力f，药液对活塞的阻力F2，根据牛顿第二定律： (4)式中：m为活塞的质量，a为活塞的加速度。整理得： (5)图4活塞受力分析图Fig.4 Force analysis of the piston设v为活塞的运动速度， (6)由式(5)、式(6)得： (7)解方程得： (8)式中：c1、c2为未知常数，且不同时为0。已知条件，vt=0=0, xt=0=0代入式(8)得活塞运动速度公式： (9)将速度公式代入式(5)得到活塞运动的位移公式： (10)已知条件：K=180 N/m，L=0.011 m，m=0.182 g，f=0.18 N，0£x£0.009 m；药物释放的时间：T=3.741 7 ms；活塞运动的最大速度vmax=348 cm/s。利用MATLAB仿真出速度时间曲线和位移时间曲线如图5、图6所示。图5模型分析中，弹簧推动活塞运动速度时间曲线Fig.5 Time-velocity curve of the piston in model analysis图6模型分析中，弹簧推动活塞运动的位移时间曲线Fig.6 Time-displacement curve of the piston in model analysis由理论分析可见，驱动机构可以完成药物释放任务，且药物释放时间较短，速度较快。4驱动机构实验测试4.1驱动机构基本物理参数装配好的驱动机构实验样机如图7所示。驱动机构及药仓的尺寸参数见表1。驱动机构的最大压缩量为11 mm,弹簧劲度系数为180 N/m,最大可以产生1.940 4 N的弹力，能够将药物成功推出药仓。所研究的驱动机构尺寸较小，质量较轻，适合微型药物释放系统。图7驱动机构样机Fig.7 The experimental prototype of the driving unit表1驱动机构尺寸参数Table 1 The dimension parameters of the driving unit驱动单元直径/mm高度/mm弹簧自然长度/mm弹簧最大形变量/mm弹簧的劲度系数/N·m1驱动机构质量量/g药仓长度/mm9.36.513111800.494.2驱动机构动力学参数测试为了检验驱动机构理论模型分析结果并获取实际的药物释放速度、时间等参数，对驱动机构进行药物释放实验研究。由理论分析可知，药物释放的时间较短，速度较快，采用常规的实验方法很难观察到药物的释放过程。因此，本实验采用高速摄像机（RDT16）拍摄驱动机构的药物释放过程。具体的实施过程如下：1)组装驱动机构，并将其装入药物释放系统中，向药仓中注入0.5 mL药品（墨水代替）；2)安装高速摄像系统，启动摄像软件并设置相关参数，时间分辨率设置为：1/500 s，空间分辨率设置为： 1 280´1 024;3)固定药物控释系统，高速摄像系统对焦，并开始拍摄图像，通过遥控方法，启动驱动机构工作，直到药物被完全释放；4)停止高速摄像系统拍摄，并进行数据分析。在药物释放过程中，通过观察药仓中活塞的位置，来判断药液释放情况。药物的释放过程如图8所示。012 ms之间，封盖被打开，并开始释放药物；在此后的4 ms内，活塞迅速向前运动，大量药物被推出药仓；在药物释放进行到26 ms时，药物基本上已经被完全推出药仓。 药物的释放时间和喷射距离如表2所示。药物的释放时间为35.6(1±26.4%) ms, 喷射的距离为15.22(1±27.465) cm。 (a) t=0 s (b) t =0.012 s (c) t =0.016 s (d) t =0.026 s图8驱动机构推动药物释放过程Fig. 8 The process of drug release表2驱动机构推动药物释放时间和喷射距离统计Table 2 Statistical analysis of time and distance when the driving unit is driving drug release实验编号释放时间/ms4636382830喷射距离/cm12.51419.419.111.1对拍摄的图像进行数据分析，以活塞与液面接触的一点作为活塞运动的标志点，利用MADAS软件手动跟踪标志点的运动位置，记录其运动的位移和时间，从而计算活塞的运动速度，估计出药液的释放速度。得到典型的活塞速度-时间曲线如图9所示，位移-时间曲线如图10所示。图9驱动机构推动药物释放时，活塞的速度-时间曲线Fig.9 The piston motion time-velocity curve whenthe drug is being released图10驱动机构推动药物释放时，活塞的位移-时间曲线Fig.10 The piston motion time-displacementcurve when the drug is being released4.3讨论利用高速摄像机拍摄药物释放的实验，记录了药仓内活塞随时间变化的运动学变化过程。由于活塞与药液紧密连接，因此，活塞的运动过程在一定程度上反映出了药物的释放过程。分析实验曲线可以看出药物释放过程大致分3个阶段：第1个阶段（010 ms）:活塞的运动速度较小，位移较小，主要是因为药仓出口处的封盖阻止了活塞的运动，在这个阶段，弹簧产生的弹力通过液压的传递作用于封盖，并将其推开。第2阶段（1017 ms）:活塞的运动速度较快，位移较大，在这个阶段，封盖已经脱离，活塞受到的阻力较小，大部分药物在这个阶段被释放。第3个阶段（1728 ms）：活塞的运动速度迅速降低，位移基本不变，主要是因为在第2个阶段，活塞已经基本运动到药仓出口处，由于药仓边缘的圆弧形设计，活塞产生微小形变，向前缓冲，将药物彻底推出药仓，最终停止运动。通过以上分析和图8可知，药物释放过程中，活塞的运动基本可以反映出药物的释放情况。活塞运动位移最大的时间为第2个阶段，大约为7 ms，在此阶段药物释放流量最大。将实验测量数据与理论研究数据和进行对比，可知在活塞的运动速度和运动时间上存在一定的误差。主要是由于在理论分析上忽略了压强推动封盖打开和活塞变形缓冲的过程。理论分析结果相当于实验研究中活塞运动的第2个阶段。在实验研究中，活塞的快速运动时间为7 ms, 最大运动速度为147 cm/s, 而在理论研究中，活塞运动时间为3.741 7 ms, 最大运动速度为348 cm/s。将实验数据与理论分析数据进行相对误差分析得出：活塞运动时间的相对误差值为87.08%, 活塞运动速度的相对误差值为136.73%。实验测量数据与理论分析数据误差较大，主要由于测量量的数量级较小，活塞运动过程中，受到阻力的影响较大。从整体曲线趋势上看，实验测量数据和理论研究结果基本上可以反映出驱动机构活塞的运动状况和药液的释放情况。 5结论本文对此驱动机构的动力学特性进行了理论分析和实验研究，探讨其药物释放的时间，速度，喷射距离等特性，对脉冲释药，控制药物的释放速度具有重要的指导意义。结果显示，药物的释放时间为35.6(1±26.4%) ms，主要释放时间为7 ms左右，药物的最大释放速度可达147 cm/ms。所设计的驱动机构药物释放的速度较快，时间较短，能够成功地完成药物释放任务。所测的实验数据对改进驱动机构的工作性能具有量化的指导意义。另外，在实际应用中，此驱动机构也存在着一定的不足。比如，驱动机构推动药物释放的过程是一次性完成的，不能够针对某些特殊疾病进行分时药物释放。在以后的研究中，将以此为方向，进行改进。 参考文献1 RICHERT H, SURZHENKO O, WANGEMANN S. 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His current research interests include medical signal detection and medical image processing.