无针注射器安瓿瓶的密封设计

　　无针注射器是一种全新的药物传递方式,它由一个机械(如弹簧)或物理化学作用(如气体)驱动力将液流或少量粉末材料加速,通过一个微小孔喷出,产生高速高压的流束穿透皮肤传递药物。一般来说,无针注射能够安全有效地进行,系统产生的射流压力为10~60MPa,其流速为100~200 m/s。安瓿瓶是医药包装技术中包装容器的一种,用于针剂注射药液包装,它的容积一般为0.1~2 mL。在安瓿瓶的头部,有一个微小孔,直径为0.1~0.5mm,用于喷射药液。在无针注射器中,安瓿瓶包装的针剂用于皮下注射,如图1所示,它具有无痛、安全的特点而受到欢迎。

　　无针注射产生如此高压高速的流体,要保证其安瓿瓶密封性能良好,对其设计要求十分严格,否则轻则造成药物泄漏,严重则使整个注射失败,并成为注射的不安全因素。此外,安瓿瓶的O形圈密封还能防止外界空气、微生物等进入瓶内污染药物,在药物注射时保证不发生泄漏等等,因此,在无针注射器的设计中,安瓿瓶的密封质量尤为重要。

　　1　安瓿瓶O形橡胶密封圈与活塞动力密封的区别

　　安瓿瓶的O形橡胶密封圈的密封可等效为活塞动密封形式,但其实际应用环境与一般的活塞密封、油封等的应用环境大不相同。

　　首先,无针注射器中应用的药液为疫苗、胰岛素、生长激素及其它小分子、高分子药物等,它们动力粘度一般都非常低,并不像活塞密封的密封介质那样粘稠;其次,一般的活塞动密封形式都是多次往复运动,对于这种密封优化设计时,常把摩擦力和动力损失的要求放在首位,而无针注射器中的安瓿瓶则是一次性使用,这决定了在考虑安瓿瓶O形圈密封质量时,无需担心其寿命问题;此外,对于安瓿瓶O形圈密封来讲,其外行程是药液的充注过程,内行程是药液的喷射过程, 2个行程都要求不能有过多的泄漏,则应该把泄漏量作为优先的考虑因素。

　　因此,在安瓿瓶O形橡胶密封圈的泄漏量计算时,本文作者将分开考虑2个行程的计算结果,且认为,泄漏率在0~5%之间是属于正常的情况。为了计算求得安瓿瓶O形橡胶密封圈在运动过程中的泄漏量,首先求得其外行程及内行程的最大压力梯度,再进行各自行程泄漏量的求解。

　　2　有限元分析模型

　　图2为安瓿瓶O形橡胶密封圈回转截面示意图,可以看出, O形橡胶密封圈、芯杆和筒壁在结构上是轴对称的,在理想情况下,该1/2剖面力学行为反应了O形橡胶密封圈的力学行为。其有限元分析模型可建成如图3所示。通过ANSYS中的扩展命令可将平面对称模型的分析结果进行扩展,可达到对三维模型进行分析的效果,这样不仅不影响计算结果,而且还节约了计算机资源,从而提高了计算速度。