胰島素注射微泵的模擬設計

對於所有的治療方式，人們總是希望可以在確保安全性和有效性的前提下，儘可能地減少治療過程給患者帶來的不適。對於糖尿病患者來說，注射胰島素仍然是一種重要的治療方式，然而注射過程卻會伴隨著疼痛。來自安大略理工大學（University of Ontario Institute of Technology）的研究團隊，希望藉助多物理場模擬開發出一種以 MEMS（微機電系統）為基礎的微泵，這種微泵可以以一種安全無痛苦的方式來進行胰島素的注射。

通過胰島素注射治療糖尿病

我們日常食用的食物，特別是碳水化合物，是人體最主要的能量來源。我們的身體從碳水化合物中攝取能量並將葡萄糖儲存為日後所用。確保細胞以適當的方式吸收糖分是十分重要的，其關鍵在於一種叫胰島素 的物質，這是一種由胰腺細胞在接收到身體發送的信號後，釋放到血液中的激素，正是這一激素使糖分得以進入細胞並被轉化為能量。

但是當身體無法產生足夠的胰島素或者胰島素無法發揮功效時會怎樣呢？在這種情況下，葡萄糖無法被細胞吸收，而是繼續存留在血液中，進而導致血糖水平偏高。這便被稱為糖尿病，這種代謝性疾病與兩種因素有關：身體產生胰島素過少或不產生胰島素（1 型）；胰島素無法正常處理血糖或葡萄糖（2 型）。請注意，對於後一種糖尿病類型，胰島素的缺乏會隨著病情的發展而越發嚴重。

無論對於 1 型糖尿病還是 2 型糖尿病，注射胰島素都是一種可行的治療方案。然而，當使用笨重的單針機械泵進行注射時，會引起患者劇烈的疼痛感。為了最大限度地減少患者的不適，研究人員探索了通過以微針為基礎的 MEMS 給葯裝置來控制胰島素劑量的應用潛力。堆疊式結構不僅可以使裝置尺寸最小化、更適於皮下注射，同時還是一種更安全、疼痛感最輕的注射方法。

讓我們了解一下安大略理工大學的研究團隊是如何利用模擬評估此類裝置的。

胰島素微泵的設計與分析：真正的多物理場問題

讓我們從微泵模型的設計開始探討。研究人員開發了一種以 MEMS 為基礎的胰島素微泵，微泵中由硅膠構成的隔膜頂部設置有一個壓電驅動器，同時有一種帶黏性的牛頓流體流過其中。請注意，設計本身以糖尿病患者的最小需求劑量為基礎——通常對於每千克的患者體重，劑量為 0.01 – 0.015 單位/小時。

由驅動器產生的振動會在泵的主腔中造成一個或正或負的體積變化，進而將流體從入口拉入並從出口推出。兩個擋板式止回閥可以對流體的流動方向進行引導，使流體從入口閥流到出口，並最終流向微針陣列，出口閥與微針基板是由分配器連接起來的。最後，設定好的排放壓力將流體從微針中推入患者的皮膚表層。

下面一組圖片分別顯示了微量泵的外形尺寸和橫截面，以及更詳細的模型設置布局。

微泵模型設置的二維布局圖。圖片由 F. Meshkinfam 和 G. Rizvi提供，摘錄自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站的投稿論文。

為了更準確地研究微量泵的性能，研究人員利用了COMSOL Multiphysics 中三個不同的物理場介面：固體力學介面、壓電器件介面、流-固耦合（FSI）介面。當流體在擋板式止回閥的作用下從入口流向出口時，這一過程可用 Navier-Stokes 方程進行描述。當波信號激發壓電驅動器時，隔膜盤面和壓電驅動器會一起移動，FSI 移動網格以移動壁邊界條件的形式模擬流體域中變形的固體邊界。在泵的固體壁面內，這個移動網格隨結構變形一起移動。FSI 介面也可以計算作用於固體邊界的流體力，從而實現流體與固體域之間的完全雙向耦合。

在對微量泵設計進行模擬分析時，研究團隊研究了不同的輸入電壓和輸入激發頻率等因素對裝置行為的影響。其中，電壓的變化範圍為 10 – 110 V，而激發頻率的變化範圍為 1 – 3 Hz。

讓我們來了解一下當輸入電壓為 110 V 和輸入激發頻率為 1 Hz 時的模擬結果。左圖描繪了流入和流出的體積流量，可以看出，入口和出口的流體幾乎沒有泄漏。右圖顯示了在入口和出口處設定的排出壓力和吸入壓力。在入口處，負壓表示吸入壓力；而在出口處，負壓表示排出壓力。

左圖：流入和流出的體積流量。右圖：排出壓力和吸入壓力。圖片由 F. Meshkinfam 和 G. Rizvi提供，摘錄自他們在 COMSOL 用戶年會 2015 波士頓站的投稿論文 。

作為分析的一部分，研究人員測量了擋板式止回閥的應力、撓度及流體的速度場。您可以從下面一組圖片中看到實驗結果。

上述研究成果表明微泵設計可以正確地操控壓力和體積流量的範圍。因此，此套裝置可作為胰島素注射器可行的替代方案，為糖尿病患者提供更加安全、痛苦更少的治療過程。研究人員希望未來可以基於他們的模擬成果開發出更持久、更動態的胰島素微泵設計。

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  經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Bridget Cunningham。

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