為了探究(jiu)倒刺角度(du)、個數(shù)和層(ceng)數(shù)對于微(wei)針穿(chuan)刺力和(he)拔出力的(de)影響，我們(men)采用Universal TA質(zhì)構(gòu)(gou)儀設(shè)備模(mo)擬微針插入敷(fu)料中的實驗(yan)（見圖3-8），微針被固(gu)定在探頭上，對(dui)準(zhǔn)平(ping)臺的敷料模(mo)型，以1 mm/s 的速度(du)向下移動直(zhi)至wanquan插入到(dao)水凝膠中，再(zai)以同樣的(de)速度向(xiang)上拔出，每次測(ce)試重(zhong)復(fù)三次(ci)，得到應(yīng)力(li)與位(wei)移的(de)曲線關(guān)(guan)系。為了探究出(chu)zuiyou的微針(zhen)結(jié)構(gòu)(gou)，我們對(dui)不同倒(dao)刺角度(du)的微針進(jìn)行了(le)該機(jī)械性(xing)能測試。其中，敷(fu)料模型采用(yong)了5%的瓊脂糖(tang)水凝膠制(zhi)作，其(qi)具有一定(ding)的硬度、彈性模(mo)量等特(te)性，適合模擬一(yi)些常用(yong)敷料的機(jī)械響(xiang)應(yīng)，此外，透(tou)明性的(de)水凝膠也便(bian)于觀察穿(chuan)刺的過程(cheng)和結(jié)果(guo)，是微針研究(jiu)中常用(yong)的測(ce)試模型。

圖3-8 機(jī)械性(xing)能實驗示意(yi)圖

3.2.2.1 不同倒刺角(jiao)度微(wei)針的應(yīng)力測試(shi)

探究了不同(tong)倒刺角(jiao)度微針的(de)穿刺力和(he)拔出力，得到(dao)了應(yīng)力(li)與位移關(guān)系(xi)的曲線圖。為(wei)了體現(xiàn)出倒刺(ci)的黏(nian)附力(li)特性，計(ji)算了二(er)者之(zhi)間的差值(zhi)，結(jié)果如下圖所(suo)示。

圖3-9 不同倒刺角(jiao)度的(de)應(yīng)力(li)-位移(yi)曲線圖以及差(cha)值。(a)不同倒刺(ci)角度刺入力(li)-位移曲(qu)線；(b)不同倒刺(ci)角度(du)的拔出力-位(wei)移曲線；(c)拔出力(li)與刺入力的差(cha)值

由3-9(a)(b)可以看出(chu)， 隨著(zhe)倒刺角(jiao)度的(de)增加，穿刺力和(he)拔出力都隨之(zhi)增大，呈現(xiàn)出(chu)明顯的正相(xiang)關(guān)。當(dāng)(dang)倒刺角(jiao)度為(wei)30°時，穿刺力為1.57±0.004 N，拔(ba)出力(li)為1.64±0.002 N，差值約為0.071 N；45°時(shi)，穿刺力為1.7±002 N，拔(ba)出力為1.98±003N，差(cha)值約為0.28 N；當(dāng)(dang)角度為60°時，穿刺(ci)力為2.55±004 N，拔出力(li)為2.58±003 N，差值約(yue)為0.03 N。將每個角度(du)的差值(zhi)繪制成點(diǎn)(dian)線圖可以看出(chu)，向下的(de)倒刺(ci)可以提(ti)高微針的黏(nian)附力，但隨著角(jiao)度的增加，拔(ba)出力(li)與刺(ci)入力(li)的差值會(hui)呈現(xiàn)先增大后(hou)減小的趨勢，考(kao)慮到因為(wei)角度過大(da)時，倒刺(ci)幾乎成水平角(jiao)度，更難刺入(ru)。在45°時，其差值比(bi)30°和60°分別提(ti)高了3.9 倍和(he)9.3 倍左右。根(gen)據(jù)以(yi)上的結(jié)(jie)論，我(wo)們最(zui)終選取了(le)45°的倒刺微針作(zuo)為后續(xù)(xu)的研(yan)究。

3.2.2.2 不同倒刺個數(shù)(shu)微針的應(yīng)力(li)測試(shi)

我們設(shè)計(ji)了無倒刺、1 個倒(dao)刺、3 個倒刺(ci)和6 個倒刺的微(wei)針，倒刺角度(du)均為(wei)45°，并同樣采(cai)用質(zhì)構(gòu)(gou)儀測試(shi)其拉(la)應(yīng)力(li)和拔(ba)出力，結(jié)果(guo)如圖3-10 所示。

圖3-10 不同個(ge)數(shù)倒(dao)刺微針的機(jī)(ji)械性能測試。(a)不(bu)同倒刺個數(shù)(shu)微針模型(xing)； (b)不同倒刺(ci)個數(shù)(shu)的應(yīng)力(li)-位移曲線

對于普通錐(zhui)形微針而言(yan)，其拔出(chu)力約為0.53 N，1 個(ge)倒刺的(de)拔出(chu)力約為0.80 N，3 個(ge)倒刺的拔出(chu)力約為1.23N，而具有(you)6 個倒(dao)刺的微針(zhen)拔出力達(dá)(da)到了1.37 N?？梢?yi)看出(chu)，隨著倒(dao)刺個數(shù)的增加(jia)，不斷提高了(le)微針的黏附(fu)力的特性，6 個(ge)倒刺(ci)對比1 個倒(dao)刺拔(ba)出力(li)提高了約2.6 倍(bei)。同時從圖中可(ke)以看出(chu)，刺入(ru)力也有了相(xiang)應(yīng)的增加，也(ye)證明了多個倒(dao)刺提(ti)升了(le)微針(zhen)的斷裂力(li)。

3.2.2.3 不同倒刺層(ceng)數(shù)微針的應(yīng)(ying)力測(ce)試

為了探(tan)究不同層數(shù)(shu)對于(yu)微針應(yīng)力的(de)影響，我們用軟(ruan)件分別設(shè)(she)計了(le)一層倒(dao)刺和兩層(ceng)倒刺(ci)的微(wei)針，由于在(zai)上個(ge)實驗中已經(jīng)得(de)到了6 個(ge)倒刺(ci)具有最(zui)佳的性能(neng)，因此在本(ben)次實驗中每(mei)層也設(shè)計了6 個(ge)倒刺，分別(bie)測試其穿(chuan)刺力(li)和拔出力(li)，結(jié)果如(ru)圖3-11 所示。

圖3-11 不同層(ceng)數(shù)倒刺微(wei)針機(jī)械性能(neng)測試。(a)不同倒(dao)刺層(ceng)數(shù)微(wei)針模型；(b)不同倒(dao)刺層(ceng)數(shù)的應(yīng)力(li)-位移(yi)曲線

由數(shù)據(jù)可(ke)知，一層倒刺(ci)的拔出力為(wei)1.37 N，二層倒刺的(de)拔出力為1.98 N，提升(sheng)了0.71 N?？梢钥闯觯S(sui)著倒刺層數(shù)(shu)的增(zeng)加，同(tong)樣也提高了(le)微針的黏附力(li)，兩層的倒(dao)刺能夠幫(bang)助微針更(geng)好地與傷(shang)口敷(fu)料貼(tie)合，增(zeng)加了監(jiān)測的(de)穩(wěn)定性(xing)。

參考文(wen)獻(xiàn)：付(fu)欣雨：3D 打(da)印微針電極及(ji)其生物傳感應(yīng)(ying)用研究。碩士學(xué)(xue)位論文，2025年(nian)