用于胰岛素推注的压电微泵

　　目前糖尿病强化治疗的方法主要为每天多次注射胰岛素(MDI)和胰岛素泵,其中胰岛素泵又称持续皮下胰岛素输注(CSII)治疗,是经过临床验证被认为是控制血糖的最佳手段,在全球范围内已有20万以上的糖尿病人受益于此[1,2]。临床上使用的胰岛素泵基本上都是传统运动机构,采用一级或二级传动机构[3]。然而,现在胰岛素泵所采用的传统运动模式难以做到精确调节,要真正更为细腻地模拟胰腺工作还有困难。随着MEMS技术的迅猛发展和新材料的不断涌现,研制可以植入体内的人工胰腺是未来的胰岛素泵的发展目标。研发新原理、新结构型式的胰岛素微泵更具有前瞻性。其中压电驱动式微型泵因具有工作性能稳定、流量易于精确控制、易于实现微型化等优点,在微泵的研发领域占有重要的位置[4,5]。

　　1　压电驱动式微泵的工作原理

　　图1为压电驱动式微泵的工作原理简图[6,7]。工作时,压电振子(由压电晶片和金属基板复合而成)在交变电信号的作用下产生上、下弯曲振动,引起泵室内容积和压力的变化。当满足条件

　　时该泵具有泵送能力。其中:Vs为泵腔每冲程容积变化量;Vc为泵腔的容积;po为大气压;pPZT为振子对工作介质产生的最大动压;pmin为阀片的最小开启压。当pmin取气体中的阀片最小开启压时,泵可以泵送气体;当pmin取气液混合状态下阀片最小开启压时,泵可以输送流体,并具有自吸能力。具体工作过程如下:当压电振子向上弯曲时,泵腔体积增大、腔内流体压力减小,这时入口阀打开、出口阀关闭,流体向腔内流动;相反,压电振子向下弯曲时,泵腔体积减小、压力增加,入口阀关闭、出口阀打开,流体从泵腔内排出。这样压电泵在一个电信号脉冲过程中完成一个从泵吸水到排水完整的泵抽工作过程。

　　2　胰岛素微泵的设计、样机制作

　　2.1　胰岛素微泵的设计

　　为了克服胰岛素微泵在使用时因不同的皮肤阻力而导致推注剂量的不一致,宜采用两腔串联或四腔串联结构的设计方案[8-10]。图2为两腔串联式的微泵工作方式示意图。在设计两腔串联泵的结构时,由最初的两腔四阀结构简化成两腔三阀结构,同时相邻两腔的工作方式采用交叉的工作模式,即当一腔处于吸水状态时,另一腔正处于排水状态。对两腔体串联式压电泵而言,其输出性能相当于两个单腔泵串联工作,理论上两腔串联压电泵的输出压力p应为两个单腔泵输出压力pⅠ、pⅡ之和,即

　　p = pⅠ+pⅡ(3)

　　以压电泵的出口为考察对象,不记压电振子振动所引起的压力波动时,这种出流方式属于厚壁孔出流。由于厚壁孔没有外收缩,其收缩系数Cc=1,所以出口的流量系数Cd与流速系数Cv相等(Cd=Cc·Cv=Cv)。此时输出流量Q与作用于流体压力差Δp的关系为[11]