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治疗糖尿病的胰岛素微泵设计

2016年 7月 21日

对于所有的治疗方式，人们总是希望可以在确保安全性和有效性的前提下，尽可能地减少治疗过程给患者带来的不适。对于糖尿病患者来说，注射胰岛素仍然是一种重要的治疗方式，然而注射过程却会伴随着疼痛。来自安大略理工大学（University of Ontario Institute of Technology）的研究团队，希望借助多物理场仿真开发出一种以 MEMS（微机电系统）为基础的微泵，这种微泵可以以一种安全无痛苦的方式来进行胰岛素的注射。

通过胰岛素注射治疗糖尿病

我们日常食用的食物，特别是碳水化合物，是人体最主要的能量来源。我们的身体从碳水化合物中摄取能量并将葡萄糖储存为日后所用。确保细胞以适当的方式吸收糖分是十分重要的，其关键在于一种叫胰岛素的物质，这是一种由胰腺细胞在接收到身体发送的信号后，释放到血液中的激素，正是这一激素使糖分得以进入细胞并被转化为能量。

但是当身体无法产生足够的胰岛素或者胰岛素无法发挥功效时会怎样呢？在这种情况下，葡萄糖无法被细胞吸收，而是继续存留在血液中，进而导致血糖水平偏高。这便被称为糖尿病，这种代谢性疾病与两种因素有关：身体产生胰岛素过少或不产生胰岛素（1 型）；胰岛素无法正常处理血糖或葡萄糖（2 型）。请注意，对于后一种糖尿病类型，胰岛素的缺乏会随着病情的发展而越发严重。

用于注射胰岛素的针筒的照片。
胰岛素注射装置。图像由 Sarah G. 拍摄。已获CC BY 2.0许可，通过Flickr Creative Commons共享。

无论对于 1 型糖尿病还是 2 型糖尿病，注射胰岛素都是一种可行的治疗方案。然而，当使用笨重的单针机械泵进行注射时，会引起患者剧烈的疼痛感。为了最大限度地减少患者的不适，研究人员探索了通过以微针为基础的 MEMS 给药装置来控制胰岛素剂量的应用潜力。堆叠式结构不仅可以使装置尺寸最小化、更适于皮下注射，同时还是一种更安全、疼痛感最轻的注射方法。

让我们了解一下安大略理工大学的研究团队是如何利用仿真评估此类装置的。

胰岛素微泵的设计与分析：真正的多物理场问题

让我们从微泵模型的设计开始探讨。研究人员开发了一种以 MEMS 为基础的胰岛素微泵，微泵中由硅胶构成的隔膜顶部设置有一个压电驱动器，同时有一种带黏性的牛顿流体流过其中。请注意，设计本身以糖尿病患者的最小需求剂量为基础——通常对于每千克的患者体重，剂量为 0.01 – 0.015 单位/小时。

由驱动器产生的振动会在泵的主腔中造成一个或正或负的体积变化，进而将流体从入口拉入并从出口推出。两个挡板式止回阀可以对流体的流动方向进行引导，使流体从入口阀流到出口，并最终流向微针阵列，出口阀与微针基板是由分配器连接起来的。最后，设定好的排放压力将流体从微针中推入患者的皮肤表层。

下面一组图片分别显示了微量泵的外形尺寸和横截面，以及更详细的模型设置布局。

图片展示了基于 MEMS 的压电微泵的设计。
基于 MEMS 的压电微泵的设计。图片由 F. Meshkinfam 和 G. Rizvi提供，摘录自他们在COMSOL 用户年会 2015 波士顿站的投稿论文。

二维原理图显示了微泵模型的设置。
微泵模型设置的二维布局图。图片由 F. Meshkinfam 和 G. Rizvi提供，摘录自他们在COMSOL 用户年会 2015 波士顿站的投稿论文。

为了更准确地研究微量泵的性能，研究人员利用了COMSOL Multiphysics 中三个不同的物理场接口：固体力学接口、压电器件接口、流-固耦合（FSI）接口。当流体在挡板式止回阀的作用下从入口流向出口时，这一过程可用Navier-Stokes 方程进行描述。当波信号激发压电驱动器时，隔膜盘面和压电驱动器会一起移动，FSI 移动网格以移动壁边界条件的形式模拟流体域中变形的固体边界。在泵的固体壁面内，这个移动网格随结构变形一起移动。FSI 接口也可以计算作用于固体边界的流体力，从而实现流体与固体域之间的完全双向耦合。

在对微量泵设计进行仿真分析时，研究团队研究了不同的输入电压和输入激发频率等因素对装置行为的影响。其中，电压的变化范围为 10 – 110 V，而激发频率的变化范围为 1 – 3 Hz。

让我们来了解一下当输入电压为 110 V 和输入激发频率为 1 Hz 时的模拟结果。左图描绘了流入和流出的体积流量，可以看出，入口和出口的流体几乎没有泄漏。右图显示了在入口和出口处设定的排出压力和吸入压力。在入口处，负压表示吸入压力；而在出口处，负压表示排出压力。