压电驱动阵列微喷的加工及实验研究

    雾化给药作为一种重要的非注射给药途径,其优点有

    (1)药物释放形式及给药部位多样,药物可以喷雾、泡沫及凝胶等形式释放,可以对口腔、鼻腔、咽喉及肺部等诸多部位实施给药。

    (2)可使药物直接进入靶器官,起效快,给药量低,降低了药物的毒、副作用。

    (3)雾化给药时与给药部位无直接的机械摩擦,从而减少了对皮肤的损伤、刺激。

    目前常用的雾化方法有定量定压式、气雾式和超声雾化式等。但它们都存在雾化颗粒较大或装置复杂等缺点。而超声雾化式虽然产生的液滴直径较小,但工作中发热较大,会使一些药物受热分解,同时高频超声波对有些药物会产生破坏作用。微喷作为微电子机械系统(MEMS)技术的一个重要的研究方向,有着广泛的用途,并已应用在生物医学领域。Ph. Luginbuhl报道了用于脱氧核糖核酸(DNA)质谱分析的压电致动微喷^[1];Wang X. Q.等人在聚合物上制作了孔为5μm×10μm大的静电驱动微喷^[2],用于在溶液中探测肌血球素;Micro2Fab Technologies公司制作了基于压电喷墨打印原理的微喷^[3],用于DNA沉积、诊断、免疫测定、蛋白质阵列和药物输送。本文介绍了一种可用于雾化吸入治疗(IDT)的压电驱动阵列微喷。与其他雾化法相比,该阵列微喷所产生的液滴颗粒较小,并且液滴直径和速度分布集中。该雾化微喷采用压电陶瓷作为致动器,在工作中不产生热效应,因此对药液中的蛋白质等大分子物质不会产生破坏作用。

    1　工作原理

    微喷的结构简图如图1所示。它由两片硅片键合而成,两片硅片之间是闭合的药液腔,药液从进液口进入腔体。在振动膜上粘有压电片,作为微喷的致动器。为了减少微喷管道长度以减少压力损失,在另一片硅片上刻蚀有一定数量的凹槽结构,在凹槽的底部有上千个用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的微喷孔,直径为/5~20μm。在压电陶瓷上施加一定频率的正弦信号,引起薄膜振动,液体腔内产生压力波并在腔体内传播,当喷孔内液体获得的动能足够克服液体的表面张力时,液滴就会从喷孔内喷出。

    为了获得最好的喷射效果,微喷工作在谐振频率点,在该谐振频率处,振动薄膜有最大的振幅。以往的设计^[4-5]仅考虑系统的结构振型,认为结构振幅越大,液滴喷射效果越好。我们在对液体腔内压力波进行固2液耦合分析的基础上^[6],优化了喷孔的布置,将喷孔布置在了压力波出现峰值的腔体中央和边缘处(见图1)。

    2　微喷的加工

    2.1　喷孔面的制作