基于数学建模与计算流体动力学分析的肌内自动注射器注射效率优化研究

研究人员针对自动注射器在注射过程中存在的流体动力学行为不明确、注射效率受多种因素影响等问题，开展了肌内自动注射器的数学建模和计算流体动力学(CFD)模拟研究。通过建立瞬态数学模型和稳态CFD模型，分析了粘度、针头尺寸和药物体积对注射过程的影响，发现低粘度流体(v < 20 cP)可实现线性柱塞位移，而高粘度流体(v > 20 cP)会降低可注射性；20-25号针头表现出最佳压力特性。研究结果为优化自动注射器设计、提高患者舒适度和用药依从性提供了理论依据。

　　

慢性病和自身免疫性疾病的治疗越来越依赖自动注射器技术，这种便捷的给药方式让患者能够自行完成药物注射。然而，在实际应用中，自动注射器的性能仍面临诸多挑战：高粘度药物注射困难、针头规格选择缺乏科学依据、注射过程产生的剪切应力可能影响药物稳定性，以及患者普遍反映的注射疼痛问题。这些因素直接影响着治疗效果和患者依从性，亟需从流体动力学角度深入理解注射过程中的关键参数影响机制。

研究人员开展了肌内自动注射器的数学建模和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟研究。通过建立瞬态数学模型描述柱塞运动特性，结合稳态CFD模型分析流体行为，系统考察了粘度(1-100 cP)、针头长度(16-32 mm)、针头规格(14-27号)和药物体积(0.1-10 ml)等参数对注射过程的影响。研究结果发表在《Medical Engineering》杂志上，为自动注射器的优化设计提供了重要理论依据。

研究采用了三种关键技术方法：1) 基于牛顿第二定律和胡克定律建立柱塞运动的瞬态数学模型；2) 使用SolidWorks构建三维几何模型，通过ANSYS Fluent进行CFD模拟；3) 采用ZwickRoell万能试验机进行力测试验证，结合高速摄像机捕捉柱塞运动。研究设置了四组对照实验分别考察不同参数的影响，并通过网格独立性研究确保计算精度。

在"运动学和柱塞运动"部分，研究发现柱塞位移随注射时间呈线性增加，最大速度可达0.007 m/s。敏感性分析表明，粘性摩擦对柱塞运动的影响大于动摩擦，验证了数学模型对实际注射过程的良好表征能力(RMSE=0.55)。

"网格独立性研究和模型验证"结果显示，最优网格尺寸为0.005 mm，可确保计算精度(平均相对误差0.0474%)。大容量注射器(10 ml)产生的压力最高(67 Pa)，验证了模型对不同配置的适应性。

"流体行为"研究发现：1) 粘度影响：高粘度流体(v > 20 cP)会产生流动分离，降低可注射性；2) 针头规格：20-25号针头在动态压力和剪切应力间取得最佳平衡；3) 针头长度：增加长度会线性增加动态压力和剪切应力；4) 药物体积：大体积(>2 ml)注射会增加剪切应力风险，可能造成设备损坏。

研究还发现，组件相对运动可能引发空化现象，产生高达1000 Pa的剪切应力，这解释了实际应用中观察到的药物降解和设备故障现象。通过对比验证，数学模型和CFD模型分别实现了1.1%和4.8%的误差范围，证实了研究方法的可靠性。

这项研究首次系统阐明了自动注射器工作过程中的关键流体动力学特性，建立了可靠的预测模型。研究结果对优化自动注射器设计具有重要指导意义：1) 为不同粘度药物的针头选择提供了量化依据；2) 明确了柱塞运动特性与注射效率的关系；3) 揭示了高粘度药物注射困难的根本原因；4) 为减少注射疼痛和提高患者舒适度提供了理论支持。特别值得注意的是，研究提出的20-25号针头优化范围，以及2 ml注射体积限制等结论，可直接应用于临床实践。未来研究可进一步考虑组织特性和患者个体差异等因素，建立更精确的流体-结构相互作用模型，推动自动注射器技术向更安全、更高效的方向发展。