為了探究倒(dao)刺角度、個(gè)數(shù)(shu)和層數(shù)對(duì)(dui)于微針穿(chuan)刺力(li)和拔出(chu)力的(de)影響，我(wo)們采用Universal TA質(zhì)構(gòu)儀(yi)設(shè)備模擬微針(zhen)插入敷(fu)料中的實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)(jian)圖3-8），微(wei)針被固(gu)定在探頭(tou)上，對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)(tai)的敷料模型(xing)，以1 mm/s 的速(su)度向(xiang)下移動(dòng)(dong)直至(zhi)wanquan插入到(dao)水凝(ning)膠中(zhong)，再以同(tong)樣的(de)速度向上拔(ba)出，每次測(cè)試(shi)重復(fù)三(san)次，得到應(yīng)(ying)力與(yu)位移的曲(qu)線(xiàn)關(guān)系。為了探(tan)究出zuiyou的微針結(jié)(jie)構(gòu)，我們對(duì)不(bu)同倒刺角度的(de)微針進(jìn)行了(le)該機(jī)械性能(neng)測(cè)試(shi)。其中，敷料(liao)模型采用(yong)了5%的(de)瓊脂(zhi)糖水(shui)凝膠制(zhi)作，其具有一定(ding)的硬(ying)度、彈性模(mo)量等特性，適(shi)合模擬一些(xie)常用敷(fu)料的機(jī)械響(xiang)應(yīng)，此(ci)外，透明性的水(shui)凝膠也便于觀(guan)察穿刺的過(guò)程(cheng)和結(jié)果(guo)，是微針研究(jiu)中常用的測(cè)試(shi)模型。

圖3-8 機(jī)械性能實(shí)(shi)驗(yàn)示意圖(tu)

3.2.2.1 不同倒刺角(jiao)度微針的(de)應(yīng)力(li)測(cè)試

探究了不(bu)同倒刺(ci)角度(du)微針的穿刺力(li)和拔出力，得到(dao)了應(yīng)力與位移(yi)關(guān)系的曲(qu)線(xiàn)圖。為了(le)體現(xiàn)出倒(dao)刺的黏附力(li)特性，計(jì)算了(le)二者之間的差(cha)值，結(jié)果如下(xia)圖所(suo)示。

圖3-9 不同倒刺角(jiao)度的應(yīng)力(li)-位移曲線(xiàn)(xian)圖以及(ji)差值(zhi)。(a)不同倒刺角(jiao)度刺入力-位(wei)移曲(qu)線(xiàn)；(b)不(bu)同倒刺(ci)角度的拔出(chu)力-位移曲線(xiàn)(xian)；(c)拔出力(li)與刺入力(li)的差(cha)值

由3-9(a)(b)可以看(kan)出， 隨著(zhe)倒刺角度(du)的增加(jia)，穿刺力和拔(ba)出力都隨之增(zeng)大，呈(cheng)現(xiàn)出明顯的(de)正相關(guān)(guan)。當(dāng)?shù)勾探?jiao)度為30°時(shí)，穿(chuan)刺力(li)為1.57±0.004 N，拔出力為1.64±0.002 N，差(cha)值約為(wei)0.071 N；45°時(shí)，穿刺力為1.7±002 N，拔(ba)出力為(wei)1.98±003N，差值(zhi)約為0.28 N；當(dāng)角(jiao)度為(wei)60°時(shí)，穿刺力為(wei)2.55±004 N，拔出力為2.58±003 N，差(cha)值約為0.03 N。將每(mei)個(gè)角度的(de)差值繪制成點(diǎn)(dian)線(xiàn)圖可以看出(chu)，向下的(de)倒刺可(ke)以提高微針(zhen)的黏(nian)附力(li)，但隨著(zhe)角度的增加，拔(ba)出力與刺入力(li)的差值會(huì)呈(cheng)現(xiàn)先增(zeng)大后(hou)減小的趨勢(shì)(shi)，考慮(lv)到因?yàn)榻?jiao)度過(guò)大時(shí)，倒刺(ci)幾乎成水(shui)平角(jiao)度，更(geng)難刺入。在45°時(shí)，其(qi)差值比(bi)30°和60°分別提(ti)高了3.9 倍和9.3 倍(bei)左右(you)。根據(jù)以上(shang)的結(jié)(jie)論，我們最終選(xuan)取了45°的倒刺(ci)微針作為(wei)后續(xù)的研究。

3.2.2.2 不同倒刺個(gè)(ge)數(shù)微針的應(yīng)力(li)測(cè)試

我們?cè)O(shè)(she)計(jì)了無(wú)倒(dao)刺、1 個(gè)倒刺、3 個(gè)倒(dao)刺和6 個(gè)倒刺的(de)微針，倒刺角(jiao)度均為45°，并同樣(yang)采用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)(ce)試其拉應(yīng)力(li)和拔出力，結(jié)(jie)果如圖(tu)3-10 所示。

圖3-10 不同(tong)個(gè)數(shù)倒刺微針(zhen)的機(jī)(ji)械性能測(cè)(ce)試。(a)不同(tong)倒刺個(gè)(ge)數(shù)微針模型(xing)； (b)不同倒刺個(gè)數(shù)(shu)的應(yīng)力-位移(yi)曲線(xiàn)

對(duì)于普(pu)通錐形微(wei)針而(er)言，其拔出(chu)力約(yue)為0.53 N，1 個(gè)倒刺的拔(ba)出力約為0.80 N，3 個(gè)倒(dao)刺的拔出(chu)力約為1.23N，而具有(you)6 個(gè)倒刺的微(wei)針拔(ba)出力(li)達(dá)到了1.37 N?？梢?yi)看出，隨著倒刺(ci)個(gè)數(shù)的(de)增加，不斷提(ti)高了微針的黏(nian)附力的(de)特性，6 個(gè)倒刺對(duì)(dui)比1 個(gè)倒刺拔(ba)出力提(ti)高了約2.6 倍。同時(shí)(shi)從圖中可以看(kan)出，刺入力也有(you)了相應(yīng)(ying)的增加，也(ye)證明(ming)了多個(gè)(ge)倒刺提(ti)升了微(wei)針的斷裂力(li)。

3.2.2.3 不同倒刺層(ceng)數(shù)微針的(de)應(yīng)力測(cè)試

為了探究不(bu)同層數(shù)對(duì)于微(wei)針應(yīng)力的影(ying)響，我們用(yong)軟件分(fen)別設(shè)計(jì)了(le)一層倒刺(ci)和兩(liang)層倒刺的(de)微針，由于在(zai)上個(gè)實(shí)(shi)驗(yàn)中(zhong)已經(jīng)得(de)到了6 個(gè)倒刺(ci)具有最佳的(de)性能，因此在本(ben)次實(shí)驗(yàn)中(zhong)每層(ceng)也設(shè)計(jì)(ji)了6 個(gè)倒(dao)刺，分別測(cè)試其(qi)穿刺(ci)力和(he)拔出力，結(jié)(jie)果如圖3-11 所示(shi)。

圖3-11 不(bu)同層數(shù)倒刺(ci)微針(zhen)機(jī)械性(xing)能測(cè)(ce)試。(a)不同倒刺(ci)層數(shù)微針(zhen)模型；(b)不同倒刺(ci)層數(shù)的應(yīng)(ying)力-位移(yi)曲線(xiàn)

由數(shù)據(jù)可(ke)知，一層倒(dao)刺的拔出力(li)為1.37 N，二層倒刺的(de)拔出力為(wei)1.98 N，提升(sheng)了0.71 N?？梢钥闯?chu)，隨著(zhe)倒刺(ci)層數(shù)的增(zeng)加，同樣也提高(gao)了微針的(de)黏附力，兩(liang)層的倒刺能(neng)夠幫助(zhu)微針更好(hao)地與傷口(kou)敷料貼(tie)合，增加了(le)監(jiān)測(cè)的(de)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)(xian)：付欣雨：3D 打印微(wei)針電極及其(qi)生物傳感(gan)應(yīng)用(yong)研究。碩士(shi)學(xué)位論文(wen)，2025年