双腔压电胰岛素泵的设计理论与关键技术研究

发布时间：2016-12-07 17:28

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《吉林大学》 2013年

双腔压电胰岛素泵的设计理论与关键技术研究

潘笛站  

【摘要】：目前，综合各种理论和临床研究，使用胰岛素泵治疗糖尿病患者已是医学界公认的首选方式。如今，市场上两种胰岛素泵都是机械柱塞式结构，采用的是电机驱动和螺纹传动模式，受到螺旋副牙距和电机运动精度的限制，很难做到精确调节。为了满足胰岛素高精度推注、成本、体积等多功能要求，出现了压电驱动式的微型胰岛素泵。吉林大学于2006年设计出了采用四腔体、四振子串联结构的压电胰岛素微泵，但是由于这种泵结构复杂，加工困难，不易进行大批量产品化生产，需要对其材料及结构等方面进行改进。本文结合国家高技术研究发展计划（863）项目“血糖检测与胰岛素注射微系统（”NO.2011AA040406）的技术要求，在微型化前提下，通过对压电泵的各部件及其系统工作原理特性进行分析，探讨压电胰岛素泵样机制作的整个流程；并对压电式胰岛素微泵产品样机结构优化、制作工艺性、经济性以及生物相容性问题进行研究；通过分析压电式胰岛素微泵的失效模式及失效机理，找出适合于压电泵的加工工艺与加速寿命试验方法。本文主要研究内容如下： 1.就有关胰岛素的应用情况进行综合分析与介绍：在对糖尿病患者进行临床的研究中，胰岛素泵即“人工胰腺”的治疗效果能使人体的血糖控制更精准自动化，尤其可喜的是这种治疗所衍生出的症状也减少了六成以上，这显然优于传统的治疗方式。 2.通过分析压电陶瓷材料的特点，选择适合于压电式胰岛素微泵驱动的压电陶瓷片为P5型；讨论了压电振子的工作振动模态及支撑方式，分析压电振子基板与压电陶瓷粘结区域的变形及金属基板其余区域的变形并对泵腔体变形量函数进行计算，并通过数值计算初步对压电振子的弯曲变形特性进行研究。分析表明，合适的压电振子的基板材料为铜，基板直径为15mm、陶瓷直径为10mm、基板厚度为0.1mm、陶瓷厚度为0.1mm以及胶层厚度0.03mm。讨论国内外的各种金属与非金属的压电泵阀材料，选择合适的微阀材料为PET；选择悬臂梁阀及轮式阀两种被动截止阀结构作为压电胰岛素泵的流体控制元件并对所选微阀模型进行理论分析及优化选择。 3.在压电泵设计基本理论的指导下，研究双腔压电胰岛素泵的工作原理及特性，再结合传统的胰岛素泵结构及新式的压电胰岛素泵设计原理，设计压电泵结构为双腔串联，，并制造出压电胰岛素泵的样机模型。在理论分析的基础上，通过实验来不断调整双腔串联压电胰岛素泵的各尺寸参数，最终确认驱动电压为正弦波36V、200Hz；腔体高度0.06mm；阀的预紧高度0.1mm；泵的进出口直径为1.2mm；阀膜的厚度0.025mm；阀片与阀孔的尺寸匹配为1.1mm/0.8mm。并绘制最佳性能下的双腔压电胰岛素泵的流量及输出压力随频率的变化曲线，确定泵输出流量的最小分辨量为0.01U/次。 4.研究采用微精细加工等技术手段实现压电胰岛素泵整机零部件的小批量、高精度的加工制备，研究了其批量加工生产工艺，以期早日实现产品化过程。在压电泵的小批量加工与装配的工艺设计中，涉及到热塑性塑料注塑、激光加工（包括激光焊接、激光切割、激光打标）、点胶以及超声波焊接。通过分析压电式胰岛素微泵的失效模式及失效机理，找出适合于压电泵的加速寿命试验方法，为压电胰岛素泵的稳定性、可靠性等进行实验评估提供理论基础及试验依据。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH789
【目录】：

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