為了探(tan)究倒刺角度、個(gè)(ge)數(shù)和層(ceng)數(shù)對(duì)于微針穿(chuan)刺力和拔出力(li)的影響(xiang)，我們采用Universal TA質(zhì)構(gòu)(gou)儀設(shè)備(bei)模擬微針插(cha)入敷(fu)料中的實(shí)驗(yàn)(yan)（見圖3-8），微(wei)針被固定(ding)在探(tan)頭上，對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)(tai)的敷(fu)料模(mo)型，以1 mm/s 的(de)速度向(xiang)下移動(dòng)直(zhi)至wanquan插入到水凝(ning)膠中，再以同樣(yang)的速(su)度向上拔出(chu)，每次測試重(zhong)復(fù)三次，得到(dao)應(yīng)力與位(wei)移的曲線關(guān)系(xi)。為了(le)探究出zuiyou的微(wei)針結(jié)構(gòu)(gou)，我們對(duì)(dui)不同倒(dao)刺角度的微針(zhen)進(jìn)行了該機(jī)(ji)械性(xing)能測試。其中，敷(fu)料模型(xing)采用(yong)了5%的瓊脂(zhi)糖水(shui)凝膠(jiao)制作，其具有(you)一定的硬度、彈(dan)性模量等特(te)性，適合模(mo)擬一(yi)些常(chang)用敷料(liao)的機(jī)械響應(yīng)，此(ci)外，透明性的(de)水凝膠(jiao)也便(bian)于觀察穿刺的(de)過程和(he)結(jié)果，是微針(zhen)研究中常用的(de)測試模型。

圖3-8 機(jī)械性(xing)能實(shí)驗(yàn)(yan)示意圖

3.2.2.1 不同倒刺角(jiao)度微針的(de)應(yīng)力測試(shi)

探究了不同(tong)倒刺角度(du)微針的(de)穿刺力和拔出(chu)力，得到了應(yīng)(ying)力與位移關(guān)系(xi)的曲線(xian)圖。為了體現(xiàn)(xian)出倒(dao)刺的黏附(fu)力特性(xing)，計(jì)算了二者之(zhi)間的(de)差值，結(jié)果(guo)如下圖所(suo)示。

圖3-9 不同(tong)倒刺角度的(de)應(yīng)力-位移曲線(xian)圖以及差值。(a)不(bu)同倒刺(ci)角度刺入力(li)-位移曲線；(b)不(bu)同倒(dao)刺角度(du)的拔出力-位(wei)移曲(qu)線；(c)拔出力與刺(ci)入力(li)的差值

由3-9(a)(b)可(ke)以看出， 隨著倒(dao)刺角度的(de)增加，穿刺力(li)和拔出力都(dou)隨之增大，呈(cheng)現(xiàn)出明顯(xian)的正(zheng)相關(guān)。當(dāng)?shù)勾探?jiao)度為30°時(shí)，穿(chuan)刺力為1.57±0.004 N，拔出(chu)力為1.64±0.002 N，差值約(yue)為0.071 N；45°時(shí)，穿刺力(li)為1.7±002 N，拔出(chu)力為1.98±003N，差值(zhi)約為0.28 N；當(dāng)角度為(wei)60°時(shí)，穿刺(ci)力為2.55±004 N，拔(ba)出力為2.58±003 N，差值(zhi)約為0.03 N。將每個(gè)(ge)角度(du)的差(cha)值繪制成點(diǎn)線(xian)圖可以看(kan)出，向下的(de)倒刺可以提(ti)高微針的黏(nian)附力，但隨(sui)著角度的增加(jia)，拔出(chu)力與刺(ci)入力的差值會(huì)(hui)呈現(xiàn)先增大(da)后減小的趨(qu)勢，考慮到因?yàn)?wei)角度過大時(shí)(shi)，倒刺幾乎成水(shui)平角(jiao)度，更(geng)難刺入(ru)。在45°時(shí)(shi)，其差值比(bi)30°和60°分別提高(gao)了3.9 倍和9.3 倍左(zuo)右。根(gen)據(jù)以上的結(jié)論(lun)，我們(men)最終選取(qu)了45°的倒刺(ci)微針作為后(hou)續(xù)的研究。

3.2.2.2 不同倒(dao)刺個(gè)數(shù)微針的(de)應(yīng)力(li)測試(shi)

我們設(shè)計(jì)(ji)了無倒(dao)刺、1 個(gè)倒刺(ci)、3 個(gè)倒刺和(he)6 個(gè)倒刺(ci)的微(wei)針，倒(dao)刺角度均(jun)為45°，并同(tong)樣采用質(zhì)構(gòu)(gou)儀測試(shi)其拉應(yīng)(ying)力和拔出(chu)力，結(jié)果如(ru)圖3-10 所示。

圖3-10 不同(tong)個(gè)數(shù)倒刺(ci)微針的(de)機(jī)械性(xing)能測試。(a)不(bu)同倒(dao)刺個(gè)數(shù)微(wei)針模型(xing)； (b)不同倒刺個(gè)(ge)數(shù)的應(yīng)力(li)-位移(yi)曲線

對(duì)于(yu)普通錐形微(wei)針而言，其拔(ba)出力(li)約為0.53 N，1 個(gè)(ge)倒刺(ci)的拔出力(li)約為0.80 N，3 個(gè)倒刺(ci)的拔(ba)出力(li)約為(wei)1.23N，而具有6 個(gè)倒刺(ci)的微針(zhen)拔出力達(dá)(da)到了1.37 N。可以(yi)看出，隨著倒(dao)刺個(gè)數(shù)的(de)增加，不(bu)斷提高了微針(zhen)的黏附(fu)力的特性(xing)，6 個(gè)倒刺對(duì)(dui)比1 個(gè)倒刺(ci)拔出力提(ti)高了約2.6 倍。同時(shí)(shi)從圖中可(ke)以看出，刺入力(li)也有(you)了相(xiang)應(yīng)的增加，也證(zheng)明了多(duo)個(gè)倒刺提升(sheng)了微針(zhen)的斷裂力。

3.2.2.3 不同倒刺層(ceng)數(shù)微針(zhen)的應(yīng)力測試

為了(le)探究不同層(ceng)數(shù)對(duì)于微針(zhen)應(yīng)力(li)的影(ying)響，我們用軟件(jian)分別設(shè)計(jì)了(le)一層倒(dao)刺和兩層(ceng)倒刺(ci)的微針，由于在(zai)上個(gè)(ge)實(shí)驗(yàn)(yan)中已經(jīng)得到了(le)6 個(gè)倒刺具(ju)有最佳的性能(neng)，因此在本(ben)次實(shí)驗(yàn)中每層(ceng)也設(shè)計(jì)了(le)6 個(gè)倒刺，分別測(ce)試其穿刺力和(he)拔出力，結(jié)(jie)果如圖3-11 所(suo)示。

圖3-11 不同層數(shù)(shu)倒刺微(wei)針機(jī)(ji)械性能(neng)測試(shi)。(a)不同倒刺(ci)層數(shù)(shu)微針(zhen)模型；(b)不同倒(dao)刺層數(shù)的應(yīng)(ying)力-位移曲線

由數(shù)據(jù)可知，一(yi)層倒(dao)刺的拔出(chu)力為(wei)1.37 N，二層倒刺的(de)拔出力為1.98 N，提(ti)升了0.71 N。可以看出(chu)，隨著倒刺層數(shù)(shu)的增加，同(tong)樣也提高(gao)了微(wei)針的黏附力，兩(liang)層的倒刺(ci)能夠(gou)幫助微針更好(hao)地與傷口(kou)敷料貼合，增加(jia)了監(jiān)(jian)測的(de)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：付欣(xin)雨：3D 打(da)印微針電(dian)極及其生物(wu)傳感應(yīng)用研(yan)究。碩士學(xué)(xue)位論(lun)文，2025年