评估胰岛素微泵设计治疗糖尿病

2016年7月21日

在任何形式的治疗中，总是希望最小化治疗过程导致患者的不适水平，同时确保整体安全性和有效性。对于糖尿病患者，胰岛素注射仍然是一种重要的治疗方式，但该过程本身可能是痛苦的。借助多发性模拟，来自安大略省理工大学的研究人员，寻求开发一个基于MEMS的微泵，可以以安全和无痛的方式施用胰岛素注射。

用胰岛素注射治疗糖尿病

我们在日常生活中消耗的食物，特别是碳水化合物，是人体的强大能量来源。对于身体利用来自碳水化合物和储存葡萄糖的能量以供以后使用，其细胞适当地吸收糖至关重要。这个过程的关键是胰岛素，一种激素的身体信号向胰腺细胞释放到血液中，使糖进入细胞并用于能量。

但是当身体未能产生足够的胰岛素或者它不应该工作时会发生什么？在这种情况下，葡萄糖不能被细胞吸收，而是留在血液中，导致相当高的血糖水平。称为是糖尿病，这种代谢疾病涉及体内产生很少或没有胰岛素（1型）或不适当加工血糖或葡萄糖（2型）的情况。注意，在后一种类型中，随着疾病的进展，缺乏胰岛素可以发展。

用来注射胰岛素的针的照片。
一种注射胰岛素的装置。由Sarah G.许可的图像CC BY 2.0，通过Flickr Creative Commons.。

在1型和2型糖尿病中，胰岛素注射用作可行的治疗选择。然而，这些注射可以在由重单针机械泵施加时引起疼痛。为了最大限度地减少患者的不适，研究人员研究了使用基于微针的MEMS药物递送装置来施用胰岛素剂量的潜力。不仅可以最小的宽度结构且易于施加到皮肤的结构，而且还可以提供更安全，更不痛苦的施用注射方法。

以下是一篇研究团队如何从安大略大学技术研究所使用模拟来评估此类设备......

设计和分析胰岛素Micropump：真正的多体问题问题

让我们从微泵模型的设计开始。研究人员开发了一种基于MEMS的胰岛素Micropump，将压电致动器放在由硅树脂构成的隔膜膜的顶部，液体液体流过它。请注意，设计本身基于糖尿病患者的最小剂量要求 - 这通常范围为每小时0.01至0.015单位。

来自致动器的振动在泵的主室中产生正/负体，然后从入口栅极拉出流体并将其推向出口栅极。两个挡板止回阀从入口控制流体的方向，从入口到通向微针阵列的出口，分配器将出口栅极连接到微针衬底。然后，所建立的排出压力将流体从微针中推向皮肤的外层。

以下一组图像显示了MicroPump的尺寸和横截面以及模型设置的更详细的布局。

图显示了基于MEMS的胰岛素微泵的设计。
基于MEMS的压电微泵设计。由F. Meshkinfam和G. Rizvi的图像，并从他们身上取自他们188金宝搏优惠COMSOL会议2015年波士顿纸。

图2D示意图说明了MicroPump模型的设置。
Micropump模型设置的2D布局。由F. Meshkinfam和G. Rizvi的图像，并从他们身上取自他们188金宝搏优惠COMSOL会议2015年波士顿纸。

为了准确研究MicroPump的性能，研究人员在Comsol Multiphysics中使用了三种不同的物理界面：188金宝搏优惠坚实的力学那压电装置，和流体结构相互作用（FSI）接口。通过挡板止回阀的作用从入口到出口发生的流体流动Navier-Stokes方程。在激励压电致动器的波信号时，隔膜盘和压电致动器一起移动，用FSI将变形的固体边界呈现给流体域作为移动壁边界条件。在泵的实心壁内，这种移动网格遵循结构变形。FSI界面还考虑作用在实心边界上的流体力，使得流体和固体域之间的耦合完全双向。

对于他们的仿真分析，研究团队将不同的输入电压应用于微型泵设计，并研究了设备行为的各种元素。电压的范围从10到110 V跨越，而励磁频率范围为1至3Hz。

让我们看看110 V的输入电压的结果，以及1 Hz的输入激励频率。左侧的曲线描绘了流入和流出率，显示出对两者的泄漏很少。右侧的绘图显示了入口和出口处的已建立的放电和抽吸压力。在入口栅极处，负压表示吸入压力，而出口栅极处的负压表示排出压力。