一种数字化智能齿科药物全面递送的装置

技术领域

本发明涉及一种应用于齿科疾病预防与治疗的医疗器械，具体地说是一种在空间、时间和剂量上对牙釉质、牙本质、牙骨质、牙髓和牙周组织等病患部位进行药物全面递送的装置。

背景技术

磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，MHD)是结合经典流体力学和电动力学研究导电流体和磁场相互作用的一门学科。它始于天体物理学和地球物理学的研究。在炽热星球附近，气体发生电离成为导电流体，导电流体在空间磁场中运动产生机械力，这个机械力对流体的运动产生方向性影响。它的研究对象包含两种：一是带磁性颗粒的流体在磁场中的运动行为；二是非磁性导电液体在互相垂直的磁场和电场中受到洛仑兹力驱动而运动的行为。其中，在非磁性导电液体中，如何控制带电粒子受到洛仑兹力定向移动的技术是磁流体动力学领域亟需攻克的高精尖的关键技术。

将磁流体力学应用到驱动带电粒子定向移动的技术称为磁流体力学驱动技术，简称MHD驱动技术。该技术分为直流MHD驱动技术和交流MHD驱动技术。直流MHD驱动技术是带电粒子在电极板之间直流电流的作用下产生了定向移动，同时受到与运动方向交互垂直的磁场中的洛仑兹力以及各种流体阻力的合力的作用下按照既定方向做定向运动的技术。交流MHD驱动技术是带电粒子在交流电流的作用下产生脉冲式定向移动，同时受到磁场中的洛仑兹力以及各种流体阻力的合力的作用下按照既定方向做定向运动的技术。根据带电粒子和流体的不同特性，可以通过调节电流和磁场的方向和大小精准控制带电粒子的运行的方向、速度和深度。MHD驱动技术应用工业、航空和天体物理研究等领域，主要有磁流体推进技术、电磁分离净化技术、工业电磁泵，以及航空航天领域的MHD加速器和超声速飞行器等。美国宇航局将MHD驱动技术应用在阿波罗行动计划中用于宇航服的密封。

在生物医学领域中，离体实验、动物实验及临床试验证明，利用MHD驱动技术通过控制磁场和电流，实现局部、精准、自动和绿色给药。由于牙齿是大部分暴露在外面的组织，血管分布在牙根和牙髓腔内。牙釉质比较耐磨、耐腐蚀，保护着牙本质和牙髓组织；牙釉质不能再生，一旦破损不能自行修复，带来牙本质和牙髓组织的病症。牙齿这一特殊的生理结构给临床用药带来很多不便。因此，利用MHD驱动技术控制药物递送的方向和深度，实现为牙釉质、牙本质、牙骨质、牙髓和牙周组织等进行治疗的技术应用前景广阔。

目前临床上，齿科疾病的治疗主要有全身给药和局部给药两种方法。全身给药是通过口服或静脉输液等方式将药物带入进入体内，再由血液循环系统将药物载送到牙齿发病组织。齿科局部给药主要方法，一是物理机械方法，用小毛刷、牙刷或者低速手机和抛光杯将齿科材料和药物推入牙局部；二是物理渗透法，在牙齿局部给较高浓度药物或者利用渗透性良好的载体，将药物渗透到特定治疗区域。三是电泳沉积技术，该技术与本发明最相近的局部用药技术。它的原理是在电场作用下将带电粒子(药物)发生定向移动，并沉积电极(牙)表面，实现局部给药。由于牙齿的电阻值是兆欧级，且个体差异大。因此，在人体安全电流和电压情况下，实现有效局部给药的存在较大的技术瓶颈。利用电泳沉积技术开发的口腔离子导入设备，它通过手指和口腔间形成直流电流闭环。由于人体手指到口腔组织之间的电阻存在巨大差异，导入电流一般很难达到技术要求的电流水平，且局部使用药物浓度很低，致使离子导入的效果不及预期。另一方面，电路输出电流稳定性和手指触片安全性存在问题，致使产品在使用的过程中出现隐患。

总结现有技术的缺陷如下：

(1)药物在齿科外的非疾病组织内积累多

缺陷的原因：全身给药最大的问题是药物进入了血液循环系统。药物在非疾病组织内大量积累，给肝脏和肾脏等正常器官和组织带来较大的负担，甚至带来一些毒副作用。由于齿科的特殊生理结构，治疗药量相比给药总量低，药物的使用率较低。

(2)局部物理给药精准性较差

缺陷的原因：物理机械方法只能将药物推入患牙的表面部位，药物难以穿过物理障碍，无法精准抵达病患的牙体、牙髓、牙根和根部牙周组织。物理渗透法使药物可以穿过一些物理屏障，但难以控制药物渗透的方向，也存在给药的精准性的技术问题。

(3)局部物理给药诊治时间长

缺陷的原因：在进行多颗牙齿或者全牙齿局部物理给药时，口腔医生花费的治疗时间较长。比如，开展儿童窝沟封闭技术给药需要20-30分钟。

(4)电泳沉积技术治疗效果不显著

缺陷的原因：0.3毫安输出电流是治疗的标准电流。电泳沉积技术的仪器从原理和实践上都不能满足0.3毫安恒流输出电流的技术要求。人体电阻大约是2千欧到20兆欧，每个人的电阻有较大差异。手与口腔形成36V恒压闭环电路，由于电阻的巨大差异，难以达到恒流的治疗电流。

(5)电泳沉积技术存在安全性隐患

缺陷的原因：电泳沉积技术的仪器导线指夹为不规则异形件，有尖锐边角，不正确操作或导致表皮破损，局部电流通过造成灼伤；指夹外层镀铬层不均匀导致电流通过异常；患儿原有部位皮肤缺损或电流敏感。电泳沉积技术的仪器也存在爆燃隐患，主要是仪器出现电极反接，电池过度放电所致。

发明内容

本发明为解决背景技术中存在的问题，利用直流交流磁流体力学电驱动技术，在空间、时间和剂量上全面递送药物在牙釉质、牙本质、牙骨质、牙髓和牙周组织等齿科病患部位的分布。本发明是多病种、开放性和高效率的齿科药物全面递送装置。递送药物包括，封闭牙小管类、根管内用药、抗生素类、糖皮质激素类、促进组织修复药物、营养神经类药物以及其他用于口腔疾病治疗的药物。其疗效显著、结构简单、操作方便、能耗较低、驱动力强、绿色安全、易于推广、价格具有一定优势。适用于齿科疾病的预防和治疗。

技术方案：

一种数字化智能齿科药物全面递送的装置，它包括药物递送操控设备、牙托、磁性体、旋转轴、载药流体和电源接头，其中：

所述牙托具有上下两个牙槽作为牙齿咬合槽，同时作为载药流体的承载通道；

所述电源接头联通药物递送操控设备和牙托的载药流体，将药物递送操控设备发出的电能传递至载药流体；

所述磁性体呈环状，固定于旋转轴的上方；旋转轴电连接药物递送操控设备，并在其控制下旋转，以带来磁场改变，从而调节载药流体的运行方向实现药物全面递送。

优选的，设置圆环轨道，2个磁性体的旋转轴以半圆的间隔设置于圆环轨道上，每个旋转轴自圆环轨道的定点以半圆的行程做往复运动；磁性体的磁感线始终指向圆环轨道的圆心。

优选的，所述磁性体为永磁体或超导线圈通电形成的电磁铁，超导线圈连接药物递送操控设备通电。

优选的，所述载药流体包括药物、流体和棉条；所述药物为可溶性药物，药物本身为载药流体。

优选的，所述载药流体还包括带电荷纳米粒子载体；所述药物为非可溶性药物，药物与带电荷纳米粒子载体结合形成载药流体。

优选的，所述药物为封闭牙小管类、根管内用药、抗生素类、糖皮质激素类、促进组织修复药物、营养神经类药物中的一种或多种组合。

优选的，所述带电荷纳米粒子载体为介孔硅纳米粒子。

优选的，所述电源接头包括电连接的电极头和电极体，电极头插入载药流体的承载通道，电极体电连接药物递送操控设备；所述电极头是惰性电极，为金、铂金、玻璃碳，或导电金属镀金或镀铂金。

优选的，装置的使用步骤为：

S1、药物递送操控设备开机；

S2、将载药的牙托放入患者口腔，患者上下颌牙适度咬合牙托；

S3、根据不同的治疗用药，通过药物递送操控设备设定治疗时间、电流和磁场大小；

S4、调节旋转轴设置磁场方向：

上颌牙接触牙托内的电流延Z轴方向，磁场从右至左延X轴方向，载药流体中载药带电粒子产生较大的向上方向的洛仑兹力；在洛仑兹力的驱动下，药物高效且全面递送到上颌牙的病症部位；

下颌牙接触牙托内的电流延Z轴相反方向，磁场从右至左延X轴方向，载药流体中载药带电粒子产生较大的向下方向的洛仑兹力；在洛仑兹力的驱动下，药物高效且全面递送到下颌牙的病症部位。

优选的，药物递送操控设备发出的电能传递至载药流体，包括直流电模式和交流电模式：

在直流电模式下，供电时间＜6min，供电电流＜5mA，电压小于10V，磁性体的磁场强度小于3T；

在交流电模式下，供电时间＜30min，供电电流＜10mA，电压小于36V，磁性体的磁场强度小于3T。

本发明的有益效果

(1)无在齿科外的非疾病组织药物积累

本发明是一种齿科局部药物递送技术的装置，可将药物直接递送到牙釉质、牙本质、牙骨质、牙髓和牙周组织等齿科病患部位。通过增强治疗药物对其目标部位的递送，最大限度地减少目标外累积，从而改善患者的健康。

(2)精准局部给药

本发明是一种齿科精准药物递送技术的装置，根据递送药物不同物化特性，针对非可溶性药物，药物与带电荷纳米粒子载体结合形成载药流体实现自动化给药。

(3)给药的效率高

本发明是一种齿科自动药物递送技术的装置，医生护士设定治疗参数后，装置即刻启动给药程序，无需人工参与整个给药过程，将医护人员从复杂的临床给药中解放出来。从治疗药量和给药总量的关系来看，药物的使用率较高，特别适用于价格昂贵药物的局部递送。

(4)治疗效果显著

本发明是一种齿科载药流体递送技术的装置，递送过程中不改变药物发挥疗效的物理和化学特性，确保治疗药物效果的显著性。有些可溶性离子药物可直接配置成载药流体，应用到药物递送装置中，如1％氟化钠溶液预防龋齿和治疗牙本质敏感。有些药物需要和带电荷纳米粒子载体结合形成载药流体，载体的研发是本发明相关的关键性核心技术，如负载电荷的介孔硅纳米粒子是生物医学领域药物的理想载体。

(5)绿色安全可靠

本发明是一种齿科绿色药物递送技术的装置，具有绿色安全和递送动力强劲的特点。在几毫安的恒定微电流条件下，产生较大驱动力，压强达几个帕斯卡，驱动速度在每秒毫米量级，流量在每秒几个微升量级。本发明装置工作直流电流小于5毫安，交流电流小于10毫安(矩形波)，磁场强度小于3.0特斯拉。

附图说明

图1为本发明的工作原理图

图2为本发明的数字化智能齿科药物全面递送的装置示意图

图3为本发明的实施例中交流电的矩形波示意图

图4为本发明的实施例中轨道示意图

图5为本发明的实施例中采用本发明方案的效果图

图6为本发明的实施例中未采用本发明方案的对照图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

1、齿科药物递送技术的工作原理

药物递送系统指在空间、时间和剂量上全面调控药物在生物体内分布的技术，通过增强治疗药物对其目标部位的递送，最大限度地减少目标外累积，从而改善患者的健康。本发明是利用磁流体力学原理研发的一种齿科新型药物递送技术的装置。在交互的磁场和电场中，带电粒子(载药)流体受到洛仑兹力驱动而定向运动。装置牙托的横截面为矩形，长L，宽W，高h,如图1所示。电流方向沿x轴方向，磁场方向x轴方向。

流体中带电粒子电荷相反，正、负粒子运动方向相反，由洛仑兹力公式可知这部分正负粒子所受洛仑兹力方向相同，那么单位体积的流体带电粒子总洛仑兹力如下:

F

在W×L的面上，电磁驱动产生的压强大小为：

其中，E、B、σ分别是电场强度、磁感应强度和液体电导率。

当洛仑兹力施加在流体中离散的正负带电粒子使之定向移动时，离子间以及离子与离子对、离子团间相互作用会将此力传递给整个流体。由于流体内部离子自由程非常短，使得整个流体随之流动起来。同时，流体又要受到流体阻力作用。体积为W×h×L的一段液体，流阻表达式：

假设装置牙托的壁很光滑，在洛仑兹力驱动下，带电粒子流体单位时间内向上的平均流量为：

用平均线性流速来反映单位时间单位截面积的流量，则平均线性流速表达式如下:

上式中，η、P、v、Q、S分别为离子液体粘滞系数、电磁驱动产生的压强、平均流速、流量、截面积，其中S＝L×W。

通过以上微观和宏观两方面的计算和分析可知，洛仑兹力是一种均匀的体积力，在几毫安的恒定微电流条件下，产生较大驱动力，压强达几个帕斯卡，驱动速度在每秒毫米量级，流量在每秒几个微升量级。

2、齿科药物递送技术的工作流程

本发明新型齿科药物递送技术的装置是多病种、开放性、高效率的齿科药物递送系统。它主要由药物递送操控设备1、牙托2、超导线圈/磁铁3、旋转轴4、载药流体5、电源接头6和圆环轨道7组成，如图2。

药物递送控制设备1是通过调节时间、直流电或交流电、磁场的大小来控制载药流体的运行速度和深度，实现齿科药物的全面递送。牙托2由上和下两个牙槽，载药流体5和电源接头6组成。载药流体5由药物或/和带电荷纳米粒子载体、流体和棉条组成。有些可溶性离子药物可直接配置成载药流体，有些药物需要和带电荷纳米粒子载体结合形成载药流体。药物包括：封闭牙小管类(氟化钠和纳米复合体无定型磷酸钙等)、根管内用药(复合氢氧化钙、MTA、iRoot BP和iRoot BP Plus等)、抗生素类(氯己定、浓替硝唑、甲硝唑、奥硝唑、米诺环素、头孢、阿莫西林等)、糖皮质激素类(曲安奈德和丙酸氯倍他索等)、促进组织修复药物(rhEGF和rb-bFGF等)、营养神经类药物(内源性维生素B12等)以及其他用于口腔疾病治疗的药物。带电荷纳米粒子载体包括介孔硅纳米粒子等。电源接头6由电极头和电极体组成。电极头可更换，它插入载药棉条，是惰性电极，选择金、铂金或玻璃碳等，也可用导电金属镀金或镀铂金。电极体不可更换，链接药物递送操控设备1。磁性体3由电磁铁或者永磁体构成。电磁铁一般由超导线圈产生的磁场，其大小由药物递送操控设备1控制。旋转轴4的转动可以带动超导线圈/磁铁3围绕Z轴(即人体站立竖直轴线)作360度旋转，用来调节磁场方向，从而全面调节载药流体的运行方向。

根据药物不同的物理和化学性质，选择直流电模式还是交流电模式药物递送技术。直流电模式适用于微电流、短时间齿科药物的递送。直流电压小于10伏，直流电流小于5毫安。药物递送时间小于6分钟。交流电模式适用于较强电流、较长时间的齿科药物递送。交流电模式可以极大缓解电极的氧化还原反应。在交流电模式中，电极氧化、还原反应交替进行，电极化学反应处于相对平衡状态。当顺时针电流，载药流体正向速度运动；逆时针电流，载药流体惯性向前，因受相反方向的力速度减慢，但运动方向不变；新的顺时针电流，载药流体正向运动加速。因此，载药流体运行轨迹是脉冲式前进。在交流电模式中，药物递送时间小于30分钟，交流电压小于36伏，交流电流小于10毫安，采用交流矩形波，如图3所示。不同药物有不同矩形波的交流频率。先通过计算预测，再用实验验证来确定不同的载药流体的交流频率。

开机后，将载药的牙托放入患者口腔，患者上下颌牙适度咬合牙托。根据不同的治疗用药，通过药物递送操控设备1设定治疗时间、电流和磁场大小，调节旋转轴4设置磁场方向。上颌牙接触牙托内的电流延Z轴方向，磁场从右至左延X轴方向，载药流体中载药带电粒子产生较大的向上方向的洛仑兹力。在洛仑兹力的驱动下，药物高效且全面递送到上颌牙的病症部位。同样原理，下颌牙接触牙托内的电流延Z轴相反方向，磁场从右至左延X轴方向，载药流体中载药带电粒子产生较大的向下方向的洛仑兹力。在洛仑兹力的驱动下，药物高效且全面递送到下颌牙的病症部位。

在一个优选的实施例中，结合图4，设置圆环轨道7，2个磁性体3的旋转轴4以半圆的间隔设置于圆环轨道7上，每个旋转轴4自圆环轨道7的固定端点(所述固定端点可以设置为双目连线的中垂线，也可以设置为双目连线的水平线)以半圆的行程做往复运动；磁性体3的磁感线始终指向圆环轨道7的半径。使用时，牙齿咬合牙托2，将圆环轨道7手持/架设于牙齿周围所在平面，药物递送操控设备1通电后，2个磁性体3始终保持半个圆环轨道7的长度的间隔开始自一端进行往复运动，所述往复运动的行程与2个磁性体3的距离间隔一致。通过磁场的改变实现药物的全面递送。在其他实施例中，圆环轨道7可以是正圆，也可以是椭圆。在更优的实施例中，所述2个磁性体3之间通过支撑架连接。

申请人经过大量的对照实验研究，利用样机完成了离体牙1％氟化钠溶液的药物递送实验，取得了十分最理想的效果。干预组，用样机进行药物精准递送后，在1000倍电镜下，观察到的牙本质小管100％被有效封堵，如图5。对照组，在1000倍电镜下，观察到的牙本质小管未被有效封堵，如图6。

正如核心技术部分所阐述的，该技术是绿色、安全、有效的药物递送技术，真正实现了用毫安级的电流，豪特级的磁场，5分钟内智能完成齿科给药。实验数据有力证明了齿科药物精准递送系统装置的基本原理的科学性和临床应用价值。

技术参数如表1。

表1：技术参数

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。