對于所有的治療方式，人們總是希望可以在確保安全性和有效性的前提下，盡可能地減少治療過程給患者帶來的不適。對于糖尿病患者來說，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(xué)（University of Ontario Institute of Technology）的研究團(tuán)隊，希望借助多物理場仿真開發(fā)出了一種以 MEMS 為基礎(chǔ)的微泵，這種微泵能以一種安全無痛苦的方式來進(jìn)行胰島素的注射。
通過胰島素注射治療糖尿病
我們?nèi)粘Ｊ秤玫氖澄铮貏e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并將葡萄糖儲存為日后所用。確保細(xì)胞以適當(dāng)?shù)姆绞轿仗欠质鞘种匾模潢P(guān)鍵在于一種叫胰島素 的物質(zhì)，這是一種由胰腺細(xì)胞在接收到身體發(fā)送的信號后，釋放到血液中的激素，正是這一激素使糖分得以進(jìn)入細(xì)胞并被轉(zhuǎn)化為能量。
但是當(dāng)身體無法產(chǎn)生足夠的胰島素或者胰島素?zé)o法發(fā)揮功效時會怎樣呢？在這種情況下，葡萄糖無法被細(xì)胞吸收，而是繼續(xù)存留在血液中，進(jìn)而導(dǎo)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(guān)：身體產(chǎn)生胰島素過少或不產(chǎn)生胰島素（1 型）；胰島素?zé)o法正常處理血糖或葡萄糖（2 型）。請注意，對于后一種糖尿病類型，胰島素的缺乏會隨著病情的發(fā)展而越發(fā)嚴(yán)重。
胰島素注射裝置。
圖像由Sarah G.拍攝.已獲CCBY2.0許可，通過FlickrCreative Commons共享。
無論對于 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(dāng)使用笨重的單針機械泵進(jìn)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(chǔ)的 MEMS 給藥裝置來控制胰島素劑量的應(yīng)用潛力。堆疊式結(jié)構(gòu)不僅可以使裝置尺寸最小化、更適于皮下注射，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(xué)的研究團(tuán)隊是如何利用仿真評估此類裝置的。
胰島素微泵的設(shè)計與分析：真正的多物理場問題
讓我們從微泵模型的設(shè)計開始探討。研究人員開發(fā)了一種以 MEMS 為基礎(chǔ)的胰島素微泵，微泵中由硅膠構(gòu)成的隔膜頂部設(shè)置有一個壓電驅(qū)動器，同時有一種帶黏性的牛頓流體流過其中。請注意，設(shè)計本身以糖尿病患者的最小需求劑量為基礎(chǔ)——通常對于每千克的患者體重，劑量為 0.01~0.015 單位/小時。
由驅(qū)動器產(chǎn)生的振動會在泵的主腔中造成一個或正或負(fù)的體積變化，進(jìn)而將流體從入口拉入并從出口推出。兩個擋板式止回閥可以對流體的流動方向進(jìn)行引導(dǎo)，使流體從入口閥流到出口，并最終流向微針陣列，出口閥與微針基板是由分配器連接起來的。最后，設(shè)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(xì)的模型設(shè)置布局。
基于 MEMS 的壓電微泵的設(shè)計。
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。
微泵模型設(shè)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(zhǔn)確地研究微量泵的性能，研究人員利用了 COMSOLMultiphysics 中三個不同的物理場接口：固體力學(xué)接口、壓電器件接口、流-固耦合（FSI）接口。當(dāng)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(jìn)行描述。當(dāng)波信號激發(fā)壓電驅(qū)動器時，隔膜盤面和壓電驅(qū)動器會一起移動，F(xiàn)SI 移動網(wǎng)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(nèi)，這個移動網(wǎng)格隨結(jié)構(gòu)變形一起移動。FSI 接口也可以計算作用于固體邊界的流體力，從而實現(xiàn)流體與固體域之間的完全雙向耦合。
在對微量泵設(shè)計進(jìn)行仿真分析時，研究團(tuán)隊研究了不同的輸入電壓和輸入激發(fā)頻率等因素對裝置行為的影響。其中，電壓的變化范圍為 10~110 V，而激發(fā)頻率的變化范圍為 1~3 Hz。
讓我們來了解一下當(dāng)輸入電壓為 110 V 和輸入激發(fā)頻率為 1 Hz 時的模擬結(jié)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(shè)定的排出壓力和吸入壓力。在入口處，負(fù)壓表示吸入壓力；而在出口處，負(fù)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(yīng)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(jié)果。
左圖：擋板式止回閥中的 Von Mises 應(yīng)力及流體速度場。右圖：擋板式止回閥的撓度。
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。
上述研究成果表明微泵設(shè)計可以正確地操控壓力和體積流量的范圍。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于他們的仿真成果開發(fā)出更持久、更動態(tài)的胰島素微泵設(shè)計。
作者：B.Cunningham