基于超声触发控制的化学反应气压式胃肠道药物释放装置的研究

摘要

在人们生活节奏加快的今天，消化道疾病日趋成为常见病和多发病，严重影响着人们的健康和生活。目前胃肠道类慢性疾病大多需要靠服用药物来进行长期治疗，但由于药物在体内停留时间过短，或者在胃内由于胃酸等的影响造成降解，结果可能只有少部分药物到达病变部位甚至药物未能到达病变部位，从而降低或消除了药物的预期疗效；另一方面，据统计大约40％的候选新药遭遇“错误”的淘汰出局的原因不是因为其对人体的疗效不佳，而是因为在新药早期动物实验中实验方法欠妥，候选药物在消化道不同区域的吸收特性得不到准确的反映。因此，如何增加消化道局部治疗作用和研究药物在消化道不同区域的吸收特性成了消化道疾病治疗和新药开发的关键。消化道定点药物释放技术（Site-specific Drug Delivery Technology，SSDDT）在生物及医学领域的快速发展，为这一问题提供了一个有效的解决途径，目前在国际上已经有了一定的发展规模。消化道定点药物释放胶囊（Site-specific Delivery Capsule，SSDC）是SSDDT的关键技术，正受到越来越广泛的关注。本文在广东省科技攻关项目“化学反应气压式肠胃道微胶囊药物释放系统的研究和开发”（项目号：2006812901001）的资助下，完成了以下相关工作：
　　 本文在总结了国内外研究现状的基础上，分析了适合药物释放的各种驱动方式以及人体消化系统的特点，结合本实验室的实际情况，提出了一种新型体内药物释放胶囊的微机电方案：化学反应气压式胃肠道微胶囊药物释放系统，并在一定精度上实现了定位送药。根据胃肠道蠕动的特点，采用了依靠胃肠自然蠕动的胶囊体内驱动方式。对药物释放胶囊内部结构进行了设计，以化学反应生成的压力气体作为驱动力，实现药物的挤压释放。基于“超声空化”机理，通过理论和实验论证了超声触发应用于胃肠道药物释放的可行性和安全性。对释放功能的关键部分——压力气体的生成，用实验及测试分析的方法选择了反应物碳酸钠和醋酸、胶囊释药完毕时的最佳内外压差0．35个大气压，从而确定了反应物的浓度和体积。通过实验分析超声波清洗机对常见油脂在醋酸液中的清洗效率，确定了使用超声触发的超声频率45khz以及猪油作为阻隔物，由体外超声波发生器对药物释放动作进行遥控触发。根据设计参数和实验要求，应用ANSYS软件对胶囊壳体运动机构进行了受力分析，进一步保证了胶囊释药过程中的安全性。在分析固体食物通过人体胃肠道运行时间规律的基础上，讨论了时间定位技术，结合窥视释药胶囊的优势，探讨了窥视定位法。
　　 本文的创新点在于采用化学反应生成压力气体实现了驱动、装配，并发明了超声触发控制化学反应技术及结构。实验结果表明，它不仅在药物释放和定位两大功能上有优良的性能，而且在结构上与同类技术相比也更简化，具有较强的实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 本课题的研究意义

1.3 国内外医用微小机器人技术研究现状

1.4 消化道定点药物释放系统组成及其分类

1.4.1 触发控制系统

1.4.2 释药驱动机构

1.4.3 定位控制系统

1.4.4 壳体设计

1.5 SSDC应用的技术难点

1.6 SSDC存在不足

1.7 SSDC的发展趋势

1.8 本论文研究内容

第二章 人体肠道结构及生理功能对给药微机器人的影响

2.1 引言

2.2 给药微型机器人的运动环境分析

2.2.1 胃肠道的形态结构

2.2.2 胃肠道内气压情况

2.2.3 食物团在胃肠道运行中的温度变化

2.2.4 食物团在胃肠道中的运行时间

2.3 本章小结

第三章 化学反应气压式微胶囊药物释放方法及其装置

3.1 引言

3.2 化学反应气压式微胶囊设计思想

3.3 化学反应气压式微胶囊零部件设计

3.3.1 两种反应物的选择

3.3.2 微电磁阀的选择

3.3.3 单向阀的选定

3.3.4 药物存储囊的设计

3.3.5 胶囊结构的优化

3.3.5 外壳

3.4 超声触发原理性验证实验

3.5 本章小结

第四章 超声触发化学反应控制技术

4.1 引言

4.1 什么是超声波

4.2 超声波触发控制的基本原理

4.3 超声安全

4.4.1 人体血液和消化液不发生空化作用

4.4.2 超声波热效应

4.4.3 超声安全控制

4.4 本章小结

第五章 胶囊实验与胶囊结构力学分析

5.1 引言

5.2 胶囊实验

5.2.1 反应物的量与反应时间的关系

5.2.2 压差与药物释放时间关系

5.2.3 携药量与释放时间的关系

5.3 胶囊壳体强度ANSYS分析

5.3.1 胶囊结构力学分析

5.3.2 胶囊形变

5.3.3 胶囊应力分布

5.4 本章小结

第六章 基于时间定位的设计方案初探

6.1 引言

6.2 时间定位法

6.3 窥视定位

6.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

附录:——Matlab 7.0编写的运用最小二乘法求解多项式拟合系数程序清单