《Biomimetics》：The Development of a Syringe-Based Insulin Applicator Using a Biodesign-Based Methodology
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有效的糖尿病管理在很大程度上依赖于恰当的胰岛素给药，而恰当给药又强烈依赖于正确的给药策略。就此意义而言，胰岛素给药起着基础性作用，因其使用取决于患者的临床状况和糖尿病类型。传统注射器法需要适当的培训以确保胰岛素被成功注入皮下组织（subcutaneous ti
有效的糖尿病管理在很大程度上依赖于恰当的胰岛素给药，而恰当给药又强烈依赖于正确的给药策略。就此意义而言，胰岛素给药起着基础性作用，因其使用取决于患者的临床状况和糖尿病类型。传统注射器法需要适当的培训以确保胰岛素被成功注入皮下组织（subcutaneous tissue），在此处它可被吸收并代谢；然而，理想情况是开发出一种无需培训即可正确使用的胰岛素施用器（insulin applicator）。旨在提供有助于患者掌握正确给药技术的支持性解决方案，研究人员采用基于Biodesign（生物设计）的方法论结合仿生（biomimetic）概念，设计了一种在注射过程中辅助使用者制造稳定皮褶（skin fold）并引导针头方向的装置，且使用该装置无需详尽培训。设计采用三步法，其中计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）和有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法被用于确保装置产生层流（laminar）胰岛素流并测试装置强度。需指出两步分析均为必需，因须避免突发流所致并发症，CFD可评估装置机械性能中的强度方面。初步功能评估表明，所提方法无需广泛培训或复杂操作流程，便于整合入日常使用。CFD分析所得结果验证了装置设计——未产生湍流；同时FEA表明几何形状可承受捏褶产生之力且不产生过度变形。此外，还进行了红外热成像（Infrared Thermography, IRT）分析以确定捏合力是否作用于目标区域，结果表明装置在期望的物理区域内运作。
基于Biodesign方法论与仿生概念的注射器式胰岛素施用器开发研究解读
《Biomimetics》刊载的该研究针对传统胰岛素注射器使用中因注射技术不当（如角度偏差致肌内注射、无法形成稳定皮褶、剂量可视性差）导致的皮下给药失败及患者依从性低的问题，尤其考虑到中低收入国家患者因经济原因仍广泛使用低价传统注射器但缺乏培训的现状，提出并开发了一种基于Biodesign（生物设计）方法论、受仿生（biomimetic）曲面形态启发的机械式注射器辅助施用器（insulin applicator）。该装置可在不改动传统U-100注射器的基础上，通过使用者单手三指操作使柔性硅胶部件可控变形，自动生成稳定皮褶并将针头引导定位于约45°，从而保证胰岛素被注入皮下组织（subcutaneous tissue/hypodermis），且无需电子元件与复杂培训。研究人员通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）、有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）及红外热成像（Infrared Thermography, IRT）实验验证了其流体安全性、结构可靠性和皮褶生成能力，最终确认2.5 mm厚度硅胶配置的装置兼具良好形变能力与成本优势，对提升传统注射器胰岛素给药的安全性与患者可及性具有重要意义。
研究人员为开展研究用到以下几个主要关键技术方法：采用Biodesign三步迭代框架（Identify识别–Invent发明–Implement实施）进行需求分析与产品设计；基于PRISMA流程在PubMed、Scopus和Google Scholar检索胰岛素注射技术相关文献以明确临床需求；使用SolidWorks进行仿生曲面概念设计与三维建模，并以硅橡胶（silicone 40-A）浇铸成型制作功能原型；通过SolidWorks Simulation模块实施FEA静态分析（边界条件：基座固定约束、上表面施加15 N成人指压、分布压力98 kPa模拟负压吸力，泊松比ν=0.49近似不可压缩超弹性材料），评估2.5 mm与3.5 mm两种壁厚配置的应力与位移分布；采用SolidWorks Flow Simulation对U-100注射器内胰岛素流动进行CFD内流场分析（设入口质量流量对应约0.0016 L/min体积流量、出口静压101.325 kPa、层流假设、流体物性近似水ρ≈997.56 kg/m3、μ≈1.1×10-3Pa·s）；以红外热成像（IRT）记录装置贴附皮肤前后感兴趣区（ROI：中心/边缘/外周）温度分布变化，行配对t检验比较两种厚度配置下贴敷前后皮温差异以验证负压吸附与皮褶生成效果。
4.1. Identify（识别阶段）
通过对墨西哥2型糖尿病高流行率背景下胰岛素给药现况分析及PRISMA文献筛选，确定传统注射器最主要未满足临床需求为注射技术依赖性强——患者常忽视插入角度（应约45°）与有效深度控制，导致误入肌肉或剂量不准。研究人员将此临床需求转化为设计变量：生成稳定皮褶以抬高皮下脂肪层、固定针头于约45°方向、兼容标准6 mm针头。CFD分析结果表明，当U-100注射器装配于该几何结构下进行注射时，流体密度恒定约997.56 kg/m3，压力梯度101.32456~127.14982 kPa，最大流速1.794 m/s，剪应力0~90.88 Pa，相对压力-0.44~25.82482 kPa，流场呈明显层流（laminar flow）且无湍流，证实装置几何不干扰胰岛素正常输送，剂量控制得以保持。
4.2. Invent（发明阶段）
经草图迭代与仿生曲率形面选型，确定装置为全机械式柔性硅胶施压结构，以三指（拇指与中指握持稳定、食指下压上表面硅胶）操作产生局部变形。FEA结果显示：2.5 mm厚配置最大位移大于3.5 mm配置，表明更柔韧、利于皮褶成形；von Mises应力约为3.5 mm配置两倍但仍处于硅胶许用范围；应变与变形趋势同位移；两配置约束端反力相当，边界条件等效可比。结论为两种厚度均可满足功能，但较薄者变形能力更强且材料用量少。
4.3. Implement（实施阶段）
以PLA（polylactic acid，聚乳酸）打印阴模、浇注silicone 40-A制成2.5 mm与3.5 mm原型。实操显示三指交互可稳定定位并生成皮褶，标准注射器穿过导向孔以约45°插入。IRT实验显示：2.5 mm配置贴敷前平均皮温32.90℃，贴敷后32.51℃（p<0.05）；3.5 mm配置从33.07℃降至32.70℃（p<0.05），Shapiro–Wilk检验证实数据正态性。温度显著性下降印证装置产生足够机械吸附力与局部压迫致微循环暂时减低温升，确认皮褶生成区域与作用有效性。装置使用流程为四步：置肤→食指下压生褶→经45°导向口插入已抽吸胰岛素之注射器并推注→松开移除。
讨论部分总结
讨论指出现有胰岛素笔、泵虽具剂量精度或自动化优势，但价格高且操作复杂；传统注射器价廉普及却严重依赖技巧——此矛盾恰为研究切入点。Biodesign框架使临床观察（注射角度/深度难把控）成功转化为需"辅助生成皮褶+引导45°进针"的设计要求，并通过仿生柔性辅具而非改注射器本身予以解决。表格比对表明该辅具在保持传统注射器可及性的同时弥补了技术操作短板。CFD、FEA与IRT共同验证：装置内胰岛素维持层流确保剂量准确；两厚度均可通过变形造褶，2.5 mm因更高柔顺性、更低耗材与制造成本被推荐为优选；IRT温度显著变化证明皮肤–装置界面产生预期力学交互。未来需扩大可用性测试、优化吸力性能及开展疲劳寿命与失效率评估以推进产品化。
结论（翻译自Conclusions小节）
本研究呈现了以Biodesign方法论结合仿生概念开发注射器式胰岛素施用器的过程。经由识别、发明与实施阶段，将注射技术变异这一临床需求转化为功能设计变量并最终制成机械解决方案。结果表明以用户为中心的创新流程可指导开发兼容传统注射器、辅助生成皮褶并提供稳定针头定位界面的装置。所开发装置可用传统灭菌法清洁，无需额外培训，按四步法由三指操作完成。CFD证实几何与选材可实现预期胰岛素层流，FEA确认形状可承受捏褶应力而不超限，IRT验证皮褶生成区温度下降符合预期（局部血流短暂减少致温降）。后续工作将聚焦于扩大可用性评价、优化吸力表现，并开展疲劳与剩余寿命试验以评估产品寿命与潜在失效率，这对商业化生产至关重要。
