高常青，車清論，任明法

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520）

0 引言

全球爆發(fā)新型冠狀病毒感染疫情以來，感冒、發(fā)燒等呼吸道疾病呈爆發(fā)式增長，肺氣腫、慢阻肺和肺結核等基礎性疾病復發(fā)率高，人們迫切需要高效的肺部給藥方式。與傳統(tǒng)的口服和靜脈注射藥物相比，霧化吸入藥物的方式更方便、起效快、副作用小，可避免肝臟首過作用，直接將藥物遞送到病變區(qū)。近年來，對非傳統(tǒng)侵入性的藥物輸送技術成為研究熱點。

霧化形成氣溶膠的粒徑對治療效果有很大的影響，當氣溶膠粒徑在0.5～5 μm 的范圍時，藥物可沉積在支氣管末端；當粒徑大于5 μm 時，顆粒大多沉積在上呼吸道中；如果粒徑太小，也難以達到好的療效，小于0.5μm 的顆粒容易直接被呼出，不能及時沉積在呼吸道。霧化方式的不同，對霧化粒徑的影響也不同，要實現(xiàn)更好的治療效果，需將霧化粒徑可控化，引入智慧霧化云平臺提供控制媒介，減少護理不良事件的發(fā)生。

霧化方法與霧化機理有多種，可以根據(jù)霧化特性判斷是否適用于醫(yī)用霧化吸入。電子流體動力霧化技術需要針對特定應用場景調整各種控制參數(shù)，該霧化技術由于需要在高壓電場下工作，存在一定的安全隱患，因此目前在醫(yī)用霧化領域的應用尚未成熟［1］。電子芯霧化技術目前在電子煙領域得到廣泛應用，由于電子芯對霧化液體的瞬間加熱會破壞蛋白質等分子活性，因此未能應用于醫(yī)學領域［2］。本文依據(jù)醫(yī)用霧化器霧化原理、結構等的不同將霧化器分為壓縮式霧化、超聲霧化、網(wǎng)孔式霧化3種類型，通過梳理國內(nèi)外部分學者的相關文獻，總結醫(yī)用霧化器的發(fā)展過程及其近期研究成果。

1 壓縮式醫(yī)用霧化器

壓縮式霧化的機理為文丘里效應，壓縮式醫(yī)用霧化器的工作原理如圖1所示。流體通過受限流動的縮孔時，借助高速流體附近產(chǎn)生的低壓吸附現(xiàn)象，在經(jīng)過縮孔的瞬間流體壓力急劇減小，當氣流通過文氏管時，將周圍吸附著的藥液沖擊到隔片上，藥液變?yōu)榧毿§F滴向四周噴出，達到霧化效果。

圖1 壓縮式醫(yī)用霧化器工作原理

2012 年，司朝潤等［3］對Laval 型霧化噴嘴進行研究，通過實驗闡釋限制型Laval 噴嘴的導流管出口負壓值與壓力的關系。2018 年，吳碧君等［4］指出對壓縮式霧化器檢測的分析缺乏相應的國家標準和行業(yè)標準，市面上在售的壓縮式霧化器技術參數(shù)和試驗方法標準不統(tǒng)一。常見的醫(yī)用壓縮式霧化器沒有統(tǒng)一規(guī)格，對其外殼的防水性能也沒有具體要求，普遍存在防水性能不佳的問題［5］。2020年，YU 等［6］深入研究醫(yī)用空氣壓縮霧化器的三維瞬態(tài)流動特性，通過求解湍流輸運方程、納維-斯托克斯方程、離散相模型（DPM）和流體體積（VOF）模型，數(shù)值模擬再現(xiàn)水和空氣混合的瞬態(tài)霧化過程。2021 年，何浩書等［7］研究壓縮式霧化器霧滴粒徑的檢測方法，利用粒度分析儀進行實驗，發(fā)現(xiàn)在外界條件相同的情況下，輸出流量與粒徑分布和占比呈正相關。壓縮霧化方式由于器具體積大、噪聲大、部分液體與內(nèi)壁黏附，導致藥物殘留多，所以不適用于霧化納米混懸液。2022 年，彭激文等［8］在恒定溫濕度環(huán)境中，通過量體積和稱質量2種方法研究霧化速率和霧化藥液的殘留量，通過采用稱質量法減少測量誤差，使霧化速率檢測更精確。

目前，國內(nèi)醫(yī)院應用的吸入霧化器大多數(shù)都是壓縮式霧化器，市面所用品牌有德國的PARI、日本的OMRON、浙江的“魚躍”等，大部分市場份額被外國品牌壟斷。未來醫(yī)用壓縮式霧化器的研究將著重改善霧化效率，提高藥物利用率和吸入效果。微型化設計是一個重要的研究趨勢，將使霧化器更加輕便，適于日常生活中。新的制造材料和技術創(chuàng)新將提升霧化器的耐用性、安全性和可靠性；智能化和自動化控制水平的提升將為患者提供更便捷的治療方式，并能實現(xiàn)遠程監(jiān)測和管理。

2 醫(yī)用超聲霧化器

壓電陶瓷將電能轉換成超聲薄板的高頻振動，高頻振動使藥液發(fā)生空化效應，轉化成氣溶膠顆粒。醫(yī)用超聲霧化器的研究聚焦于提高霧化效率和藥物釋放的穩(wěn)定性方面。超聲霧化器的分類有多種，主要分為變幅桿增幅型超聲霧化器和壓電微射流霧化器。

2.1 變幅桿增幅型超聲霧化器

變幅桿霧化器的工作原理是壓電基底在外接電源驅動下，產(chǎn)生縱向行波，該行波傳播到霧化噴口，管道內(nèi)的液體被激勵，帶有預壓力的金屬球發(fā)生振動而產(chǎn)生霧化。近年來，出現(xiàn)了由3 個傅里葉喇叭組成的新型霧化器，該霧化器實現(xiàn)了流體超聲霧化的初始毛細管表面波的起始振幅，每個噴嘴由一個硅諧振器和一個由3 個傅里葉喇叭構成的壓電驅動部件組成。該霧化器實驗研究與仿真中建議的頻率和相應表面振動速度的振幅吻合較好［9-10］。KOZUKA等［11-12］對該種喇叭形超聲霧化裝置進行了更深入的研究，發(fā)現(xiàn)喇叭的尖端直徑、液面高度和溫度等參數(shù)對霧化效果有影響，可在指定頻率下產(chǎn)生共振。

目前，研究人員正研究優(yōu)化變幅桿的結構、材料及驅動機制，以提高霧化效率和穩(wěn)定性。一些研究致力于探索變幅桿霧化器在不同藥物、不同精度要求下的應用，并對其性能進行評估。能耗、材料選擇和制造工藝等方面仍需要進一步的研究和改進。

2.2 壓電微射流霧化器

壓電微射流霧化原理與靜網(wǎng)孔霧化類似，物質比例存在一定的差異，噴射物質比例絕對高于氣體可定義為噴射，噴射氣體比例絕對高于物質則定義為霧化［13］。壓電射流根據(jù)射流振子變形的方式，可分為彎曲射流、推動射流、擠壓射流和剪切射流4類。

2010年，WIJSHOFF［14］對剪切式壓電噴嘴進行全面的闡述，提出一種新型剪切式噴嘴，該噴嘴的儲墨腔呈彎曲狀。YOO 等［15］和KIM 等［16］基于MEMS 技術在硅基圓上制造高密度噴嘴，由壓電驅動彎曲射流，通過數(shù)值模擬集總單元建模對射流噴頭進行分析，改進射流參數(shù)的優(yōu)化設計。2013 年，PARK 等［17］進一步研究推動射流裝置，開發(fā)出一種小型高效微泵，利用壓電陶瓷與液腔的共振和流體慣性將液體推出。2017 年，CHANG 等［18］建立一個考慮擠壓式液體黏度在內(nèi)的聲音傳播模型，并對聲壓響應進行研究。擠壓射流噴嘴存在結構復雜、裝配困難、價格昂貴等缺陷，需要進一步改進。目前，隨著智能化和自動化控制技術的應用，探索不同的控制算法和檢測方法是當前研究的焦點。

3 網(wǎng)孔式霧化器

網(wǎng)孔式霧化器的微孔孔徑受到限制，常規(guī)的網(wǎng)孔式霧化器只能通過較小的顆粒，無法滿足一些特定的應用需求。網(wǎng)孔式霧化器的霧化效果易受液體的表面張力、黏度等液體性質的影響，因此需要進行合適的液體調整。該種霧化器的研究主要在于優(yōu)化網(wǎng)孔結構和選擇材料，以及探索新的制造工藝和技術。根據(jù)網(wǎng)孔板的振動情況，網(wǎng)孔式霧化器可分為靜態(tài)網(wǎng)孔和振動網(wǎng)孔2種類型。

3.1 靜態(tài)網(wǎng)孔霧化器

靜態(tài)網(wǎng)孔霧化器具有操作便捷和霧化效果均勻的優(yōu)點，變幅桿式靜態(tài)網(wǎng)孔霧化器的結構如圖2 所示。在霧化過程中，超聲波振動使液體表面產(chǎn)生劇烈震蕩，液體分散成小顆粒。靜態(tài)網(wǎng)孔霧化最大的缺點是易堵塞，當液體黏度較高或含有固體顆粒時，容易造成網(wǎng)孔堵塞，影響霧化效果。

圖2 變幅桿式靜態(tài)網(wǎng)孔霧化器［19］

HEIJ等［19］研發(fā)了一種用于吸入藥物治療的液滴發(fā)生器，該設備通過深反應離子蝕刻通過薄膜蝕刻的噴嘴，用高速視頻分析驅動振幅函數(shù)與液滴噴射的相關性。PAN等［5，20］提出一種集壓電致動器、微噴嘴板和微型泵腔體于一體的新型微霧化器，該霧化器可實現(xiàn)更理想的霧化效果。霧化液滴顆粒的尺寸分布比超聲和壓力霧化效果更好。美國歐姆龍（Omron）公司根據(jù)靜態(tài)網(wǎng)孔霧化器的原理，設計出NE-U22V 型醫(yī)用霧化器［21］，該霧化器的網(wǎng)孔板上約有6 000 個微米級的微孔，在壓電換能器的高頻驅動下，將藥液霧化為氣溶膠。隨后，還出現(xiàn)了在壓電換能器的內(nèi)置液腔內(nèi)采用雙壓電驅動高頻共振的霧化方式［22］。

3.2 動態(tài)網(wǎng)孔霧化器

與靜網(wǎng)孔霧化相比，動態(tài)網(wǎng)孔霧化造成微孔堵塞的可能性較低，因其存在動態(tài)振動，能夠產(chǎn)生強大的剪切力，所以能最大限度地避免堵塞。動態(tài)網(wǎng)孔霧化器示意圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)網(wǎng)孔霧化器示意圖

壓電陶瓷產(chǎn)生的能量直接施加在微孔，能量利用率更高，動態(tài)網(wǎng)孔式霧化器在醫(yī)學領域的應用具有廣闊的前景。2010 年，SHEN［23］提出一種新型鈸形高功率微致動器，其中包括環(huán)形壓電陶瓷和鈸形微噴嘴板，后者可將能量集中在噴嘴板的中心并感應出很大的力。HUANG 等［24］設計的環(huán)狀致動器在低功耗下表現(xiàn)出高霧化速率和高霧化效率的優(yōu)點。CAI等［25］和YAN 等［26］對壓電陶瓷霧化器的動態(tài)錐角進行了研究，闡述振動網(wǎng)格式霧化器內(nèi)部動態(tài)錐角的理論，并發(fā)現(xiàn)動態(tài)錐角與霧化器微錐孔體積的周期性變化有關，這種變化會影響霧化性能。同時，KUDO等［27］用寬帶程粒子譜儀對超聲霧化產(chǎn)生的霧滴進行雙峰分布實驗，確定了水霧粒徑與頻率的關系。有學者分析微錐孔內(nèi)液體的流動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)液體的單向流動是由擴壓器和噴嘴流動阻力的差異引起，利用不同直流電壓下的顯微鏡測量微錐孔的尺寸，進一步證明了動態(tài)錐角的存在［25，27-28］。2021 年，ESTEBAN等［29］對壓電動網(wǎng)孔式霧化器進行機械振動分析，控制其霧化傳質速率，霧化傳質是由壓電振動環(huán)單元控制的流體傳質與動力力學的耦合作用，將理論、仿真和實驗三者結果進行比較，表1是動態(tài)網(wǎng)狀霧化器性能的總結，不同學者對不同工作狀態(tài)的霧化器做了研究，從表1 中可以看出，高頻霧化與低頻霧化速率相差很大，工作電壓對速率影響不明顯，但可能會直接影響霧滴粒徑。

表1 動態(tài)網(wǎng)孔狀霧化器性能的總結

4 總結與展望

目前的醫(yī)用霧化器各有優(yōu)點和缺點，整體正朝著舒適、高效的方向發(fā)展。壓縮式霧化器存在噪聲大、藥物殘留多等缺點，使用該種霧化器吸入的舒適度不高；超聲霧化器的霧化顆粒較大，導致其對人體下呼吸道疾病的治療效果不佳，同時存在藥液殘留量大和溫度升高的缺點；網(wǎng)孔式霧化器在很大程度上解決了噪聲大、顆粒較大、藥液殘留量大的問題，相較于壓縮式霧化器和超聲霧化器，其更舒適、高效，因此網(wǎng)孔式霧化器的廣泛應用是吸入治療的發(fā)展趨勢。為獲得更好的治療效果，應通過網(wǎng)孔霧化機理對霧化粒徑和速率進行準確的控制。國內(nèi)缺失對網(wǎng)式霧化器超高頻聲振耦合微結構的產(chǎn)品設計理論、試驗驗證數(shù)據(jù)、醫(yī)用霧化智能裝置的可控性方面的研究，科研和生產(chǎn)企業(yè)仍處于引進學習、產(chǎn)品仿制階段。我國目前大部分醫(yī)院還是使用最基礎的壓縮式霧化器，對于超高頻智能網(wǎng)孔式霧化器的使用和普及遠不及國外，因此我國研制超高頻網(wǎng)孔式醫(yī)用霧化器任重而道遠。在未來的研究中，有以下幾個展望。

（1）精準治療。準確地控制霧化粒徑，使更多的霧滴沉積在患病區(qū)域，并且將霧化速率和霧化時間相結合，精準控制用藥量。通過技術創(chuàng)新，醫(yī)用霧化器可以實現(xiàn)更精準的藥物輸送，例如針對不同疾病和個體制訂個性化的治療方案，提高治療效果和患者的生活質量。

（2）藥物遞送系統(tǒng)。研究人員可以設計更智能化和高效的藥物遞送系統(tǒng)，如微型化、可穿戴式或無創(chuàng)的霧化器裝置，更好地滿足患者的需求，提高裝置的便利性和舒適度。

（3）技術改進。進一步提升霧化器操作的便捷性、霧化效率和安全性，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性，降低維護成本，提高治療效果和患者的滿意度。

（4）新型治療方法。利用新材料、納米技術等領域的研究進展，探索新型的藥物輸送方式，開發(fā)出更高效和低副作用的治療方法，為呼吸系統(tǒng)疾病患者提供更好的治療選擇。

綜上所述，未來醫(yī)用霧化器的研究將進一步關注精準治療、藥物遞送系統(tǒng)、技術改進和新型治療方法等方面，通過智慧霧化云平臺集成云計算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術的創(chuàng)新解決方案，實時監(jiān)測霧化器設備、患者信息和醫(yī)療系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析和遠程控制，為病患提供個性化的健康管理，提高醫(yī)療效果和資源利用率。醫(yī)用霧化器研究的最終的目的在于提高呼吸系統(tǒng)疾病患者的治療效果和生活質量。