压电式微泵的研制与实验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 4.18MB 61 页 15积分
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摘要
糖尿病是一种严重威胁人类生命与健康的疾病，利用微泵模拟正常胰腺的分
泌方式输注胰岛素，是糖尿病治疗的一种有效方式。胰岛素泵可以不间断地向人
体输注胰岛素，使糖尿病患者的血糖水平维持在正常的范围之内，并且可以减少
并发症的发生。
传统胰岛素泵结构复杂，价格昂贵，需要连接软管，使用不便，其应用范围
受到限制。压电式微泵是国际上最新一代的产品，具有体积小、动力足、成本低
等优点，同时可以实现对胰岛素药量的精确控制。本文在综合国内外胰岛素泵及
微型泵研究的基础上，开展了新型压电式微泵的研制。
贴敷式胰岛素泵的研制是本文的主要研究目标，经过多次实验研制出了一种
价格低、效率高、制造工艺简单、具有双向截止功能和出口压力检测功能的压电
式隔膜泵，并且可以实现对微泵药量的精确控制。
在结构设计方面，本研究采用预应力型薄膜单向阀，并加入了压力互锁功能
和出口压力检测功能。预应力单向阀提高了阀的可靠性，降低了制作难度；压力
互锁提高了微泵的抵抗外部冲击的能力；通过出口压力检测实现了微泵药量的精
确控制。在制造工艺方面，先后尝试了分离式装配、超声焊接和紫外线（UV）胶
水粘接等工艺。压电微泵的最后尺寸为
mmmm 820
，具有双向截止功能，且能
进行压力检测。
在实验研究方面，本文搭建了微量流体测量系统，对压电微泵的各主要指标
进行了测试，采集了实验数据并进行分析，包括微泵流量与驱动波形、驱动电压、
驱动频率、背压之间的关系以及微泵的稳定性等，为压电微泵的应用及性能改善
奠定了基础。提出了根据出口处压力值控制压电泵药量的算法，并进行了实验验
证，成功解决了实验过程中遇到的人体肌肉阻力、粗细管差异等难题，推进了贴
敷式压电胰岛素泵的研发进程。
经实验证明，本文所研制压电微泵的主要技术指标均可以满足临床使用要求，
包括压电微泵的尺寸、药量控制和输注力等，本文所提出药量控制的方法也证明
可行，并期望进一步提高微泵的稳定性，以尽快在临床方面取得应用。
关键词：压电微泵 胰岛素泵 药量控制 药物输注
ABSTRACT
Patch Insulin Pump (PIP) is a novel tubeless insulin delivery device for diabetes
therapy. In this dissertation a piezoelectric micro pump for PIP delivery system has been
studied, the micro pump has to meet requirements for clinical use, including safety,
accuracy, power output, miniaturization and low cost.
During the study, a novel structure for the micro pump has been designed and
optimized, experimental studies on the performance and volume control have been
carried out. As a result, a viable design of piezoelectric micro pump for PIP has been
achieved and further improvements are suggested.
For the structure design, pre-stressed membrane check valve, fail-safe mechanism
and outlet pressure measurement have been imbedded into the micro pump. Pre-stressed
membrane check valve is designed to facilitate pump manufacturing. The fail-safe
function is used to resist the impulse force from both inlet and outlet, and the outlet
pressure measurement forms the basis for micro volume control.
Different techniques have been investigated to manufacture the micro pump,
including detachable assembly method, ultrasonic welding and ultraviolet (UV) glue.
The final prototype of the micro pump is of
mmmm 820
with multiple functions.
Different parameters have been tested to investigate performance of the micro
pump, including micro volume control and optimization, human muscle resistance and
different tube sizes. The potential application of the piezoelectric pump in PIP has been
discussed. Finally, the accomplishments of this study are summarized and further
perspective is provided.
Key Word: Piezoelectric micro-pump, insulin pump, volume control, drug delivery
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 前言 ............................................................................................................... 1
§1.2 研究背景 ....................................................................................................... 1
§1.3 国内外现状分析 ........................................................................................... 2
§1.3.1 胰岛素泵现状 ..................................................................................... 2
§1.3.2 压电式隔膜泵现状 ............................................................................. 6
§1.4 研究内容 ..................................................................................................... 16
第二章 压电微泵的理论分析与结构设计 ............................................................... 19
§2.1 压电材料理论 ............................................................................................. 19
§2.2 压电式隔膜泵的基本原理 ......................................................................... 21
§2.3 压电微泵结构设计 ..................................................................................... 22
§2.3.1 预应力阀的设计 ............................................................................... 22
§2.3.2 保护装置的设计 ............................................................................... 23
§2.3.3 压力传感器的设计 ........................................................................... 24
§2.4 压电微泵的药量控制 ................................................................................. 25
§2.5 本章小结 ..................................................................................................... 28
第三章 压电微泵的装配 ........................................................................................... 29
§3.1 结构验证 ..................................................................................................... 29
§3.1.1 泵液部分 ........................................................................................... 29
§3.1.2 保护部分 ........................................................................................... 30
§3.1.3 传感器测试部分 ............................................................................... 30
§3.1.4 系统连接 ........................................................................................... 31
§3.2 超声焊接装配工艺 ..................................................................................... 32
§3.2.1 超声焊接原理 ................................................................................... 32
§3.2.2 微泵的装配 ....................................................................................... 32
§3.2.3 超声焊接的局限性 ........................................................................... 34
§3.3 胶水粘接工艺 ............................................................................................. 35
§3.3.1 粘接工艺介绍 ................................................................................... 35
§3.3.2 粘接工艺的特点 ............................................................................... 36
§3.4 本章小结 ..................................................................................................... 37
第四章 压电微泵的性能研究 ................................................................................... 39
§4.1 实验平台的搭建 ......................................................................................... 39
§4.1.1 实验设备及仪器 ............................................................................... 39
§4.1.2 实验方法 ........................................................................................... 40
§4.2 压电微泵的性能测试 ................................................................................. 41
§4.2.1 驱动电压波形的选择 ....................................................................... 41
§4.2.2 微泵工作点的确定 ........................................................................... 42
§4.2.3 粗细管对实验的影响 ....................................................................... 44
§4.2.4 微泵流量与背压的关系 ................................................................... 45
§4.2.5 稳定性测试 ....................................................................................... 46
§4.3 微泵的药量控制 ......................................................................................... 47
§4.3.1 人体肌肉阻力的测试 ....................................................................... 47
§4.3.2 药量控制 ........................................................................................... 49
§4.3.2.1 稳在固定背压下泵液 ............................................................. 49
§4.3.2.2 药量控制的计算 ..................................................................... 50
§4.4 本章小结 ..................................................................................................... 51
第五章 总结与建议 ................................................................................................... 53
§5.1 总结 ............................................................................................................. 53
§5.2 建议 ............................................................................................................. 55
参考文献 ..................................................................................................................... 59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 63
致谢 ............................................................................................................................. 65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 前言
糖尿病是一种严重威胁人类生命健康的疾病。世界卫生组织（WHO）报告 2000
年全世界糖尿病患者 1.71 亿，预测到 2030 年3.66 亿，中国 2000 年有糖尿病患者
2075.7 万，预测到 2030 年4232.1 万[1]。届时，糖尿病将成为世界第 5位死亡原因。
1983-1993 年，由美国科学家牵头，历经 10 年的糖尿病控制与并发症研究
（DCCT）向世人证实[2]：血糖控制对延缓和减少糖尿病并发症发生非常有益。这
一结果改变了糖尿病必须常规治疗的手段，肯定了胰岛素泵的治疗效果。胰岛素
泵最大程度模拟了正常胰岛，使血糖浓度维持在一个稳定的范围，相对于口服降
糖药物，定时注射胰岛素等治疗手段有明显的优越性。
目前，市场上流通的胰岛素输注泵基本上是采用微型电机带动精密丝杆推动
储液器活塞，将胰岛素通过管路和留置针送到人体皮下，进行胰岛素的输注。目
前的各种胰岛素泵采用传统的机电设计技术研制而成，这些结构形式具有电机提
供的推力大、工作可靠的优点，但也具有如下缺点：1、结构复杂，驱动部分和执
行部分分离且中间环节多；2、整体泵体重量大，且带有复杂的管路耗材部分，不
方便携带；3、成本高，很多患者没有经济能力使用胰岛素泵进行治疗。
因此，为了满足日益增多的糖尿病患者的需要，需要解决现有胰岛素泵的不
足。本研究主要想把压电微泵应用到胰岛素泵中去，作为其核心动力部件，研制
出一种贴敷式胰岛素泵。本文对压电微泵的结构设计，性能及药量控制等方面做
了系统的研究。
§1.2 研究背景
传统胰岛素泵采用的电机体积较大，并且需要活塞，减速器等一系列的辅助
装置，这样势必会增加泵的体积和重量，传统泵将控制部分和药物输注部分全都
做在一起，也不利于将泵做得更小巧，方便。由于其结构复杂，且对每个零部件
要求的精度高，也不利于减小泵的成本。为了解决传统胰岛素泵的不足，必须寻
找新的动力源。
若继续选用电机的方法，则对电机的尺寸要求非常高，现在国内无法找到如
此微小的电机，并且即使采用这样的电机，对结构的设计及装配的精准性要求也
会更高，这会增加胰岛素泵的成本。
近期在微机电（Micro-Electro-Mechanical-System, MEMS）领域出现的一种压
电微泵，具有体积小、动力足、成本低、经久耐用等优点。很适合充当胰岛素泵
的动力部分。然而 MEMS 工艺作为一种新型的加工工艺还并不为国内所熟悉，许
多研究机构和高校不具备这样的设备。本研究将采用国内最常用的注塑成型的方
压电式微泵的研制与实验研究
2
式研制出一种价格低廉、性能优越的压电微泵，将其应用到贴敷式胰岛素泵中。
期望能对胰岛素泵及药物输送领域的发展有所帮助。
§1.3 国内外现状分析
§1.3.1 胰岛素泵现状
胰岛素泵的发展经历了漫长的过程，1963 年第一台胰岛素泵问世，体积庞大，
患者使用时需背在背上，现如今胰岛素泵是一种微小的精密的类似与手机大小的
仪器。表 1-1 简要列出了胰岛素泵的发展历程。
表1-1 胰岛素泵发展历程
年代
产品
图片
1963 年
Arnold Kadish 博士发
明，世界第一台可以连
续输注胰岛素的装置，
笨重，体积大，背包式，
仅用于酮症酸中毒和全
腺切除后糖尿病的短期
(l 周 左 右 )葡 萄 糖 控
制。
闭路式静脉胰岛素注射系统
1978 年
英国科学家 Guys
Hospital，发明的 AS2C
胰 岛 素 泵 ， 尺 寸
18.3*7.3*6.4cm，约 480
克，可用于床头，连续
输注
AS2C 胰岛素泵
第一章 绪论
3
表1-1 胰岛素泵发展历程（续）
年代
产品
图片
1979 年
时代杂志报道，《人工胰
腺》。可随身携带
可随身携带的胰岛素泵
1980 年
AS-6C 一段基础率，最
小分辨率 1U，增加报警
功能，7.2V 充电电池
AS-6C 胰岛素泵
1983 年
AS6MP 胰 岛 素 泵 采 用
U100，4段基础率，分
辨率 0.1U，可暂停
AS6MP 胰岛素泵
摘要：

摘要糖尿病是一种严重威胁人类生命与健康的疾病，利用微泵模拟正常胰腺的分泌方式输注胰岛素，是糖尿病治疗的一种有效方式。胰岛素泵可以不间断地向人体输注胰岛素，使糖尿病患者的血糖水平维持在正常的范围之内，并且可以减少并发症的发生。传统胰岛素泵结构复杂，价格昂贵，需要连接软管，使用不便，其应用范围受到限制。压电式微泵是国际上最新一代的产品，具有体积小、动力足、成本低等优点，同时可以实现对胰岛素药量的精确控制。本文在综合国内外胰岛素泵及微型泵研究的基础上，开展了新型压电式微泵的研制。贴敷式胰岛素泵的研制是本文的主要研究目标，经过多次实验研制出了一种价格低、效率高、制造工艺简单、具有双向截止功能和出口压力...

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