用于基因疫苗接种的气动式基因枪

　　基因疫苗(又称DNA疫苗)是一种核酸分子,既能刺激机体产生体液免疫,又能产生细胞免疫,有效预防病毒、细胞内寄生的细菌和寄生虫引起的传染病,甚至可能成为一种癌症免疫治疗的途径[1]。基因疫苗接种是获得满意预防效果的重要一环。目前,主要有肌肉注射和表皮基因枪轰击两种方法。两者比较,后者不仅DNA用量少,只有前者的几十分之一[2],而且主要产生Th2免疫响应[3],因而更受重视。

　　可用于基因疫苗接种的手持式基因枪有两种:一种是由PowderJect公司制造的微型基因枪,类似小手电筒,使用成本高,不适合发展中国家;另一种是Bio-rad公司制造的,类似手枪,既需要把裹着基因的微弹均匀地吸附在内径只有4mm的管壁上,操作麻烦,又存在冲击波,容易损伤中心靶面的细胞。为此, Wellman等人在靶面上方加一块尼龙网,获得了满意的结果[4]。O' Brien等人对结构进行了改进,用一个改进的加速器和外部圆筒来替代原结构,提高了穿透深度[5]。但是,他们仍然采用原来的制备方法,同时后者还存在冲击波影响。

　　为了能提供一种较为理想的基因疫苗接种工具,本文综合上述两种改进方法,提出了一种新的气动式基因枪结构,其特点是把裹着基因疫苗的微弹均匀地吸附在不锈钢细网上,再将它放在加速通道中加速,既可有效加速微弹,又能使微弹在靶面分布均匀,满足接种要求。

　　1　微弹加速的力学模型

　　高压氦气对微弹进行加速的过程属多相流问题,由于微弹用量很少即浓度很低,因而可用Crowe和Smoot等人提出的分散颗粒群模型[6]。下面是从质量守恒,动量守恒及能量守恒推导出的分散的颗粒群和流体混合物的连续方程、动量方程和能量方程(其中分别用下标g和p表示气体和颗粒的性能参数)。

　　1)流体颗粒混合物连续性方程

　　其中:ρm=ρg+ρp,ρmνm=ρgνg+ρpνp,ρ表示密度,νp是按质量平均的分散相颗粒群的速度。

　　2)流体颗粒混合物动量方程

　　其中:θ为空隙率,t为时间,g为重力常数,τ为剪切应力,δνpk=νpk-νp,νpk是单个颗粒的速度。

　　3)流体颗粒混合物能量方程

　　其中:qr表示控制体表面的辐射热流;ig为流体内热能;eσp为表面应力产生的表面能,单位为J/kg;h表示焓。

　　理论上通过求解这些方程式和气体状态方程可得到多相流中各相的速度、压力、温度、密度等参数,但实际求解比较困难,只能根据具体的流动状态对方程进行简化后才可求解。本应用属于水平管道中较低浓度的颗粒运输问题,可采用以下近似算法:忽略颗粒间的相互作用,只考虑流体对颗粒作用,这样可以对流体和粒子进行解耦处理,从而简化了理论分析,有利于数值模拟求解。