為了探究倒(dao)刺角度、個(ge)數(shù)和層(ceng)數(shù)對于(yu)微針(zhen)穿刺力(li)和拔出(chu)力的影響，我們(men)采用Universal TA質(zhì)(zhi)構(gòu)儀(yi)設(shè)備模擬(ni)微針(zhen)插入(ru)敷料中的實(shi)驗（見圖3-8），微針(zhen)被固(gu)定在探(tan)頭上，對準平臺(tai)的敷料(liao)模型(xing)，以1 mm/s 的(de)速度向(xiang)下移動直至wanquan插(cha)入到水(shui)凝膠中，再(zai)以同樣的速(su)度向(xiang)上拔出，每次(ci)測試重復(fù)三(san)次，得到應(yīng)力與(yu)位移的曲線(xian)關(guān)系。為(wei)了探究出zuiyou的(de)微針結(jié)(jie)構(gòu)，我(wo)們對不同倒(dao)刺角度的微針(zhen)進行了該(gai)機械性能(neng)測試。其中，敷(fu)料模型(xing)采用(yong)了5%的瓊脂糖(tang)水凝膠制(zhi)作，其具有一定(ding)的硬(ying)度、彈性模量(liang)等特(te)性，適合模擬(ni)一些(xie)常用敷料的(de)機械響應(yīng)，此外(wai)，透明性的水(shui)凝膠也(ye)便于觀察穿(chuan)刺的過程和結(jié)(jie)果，是微(wei)針研究中常用(yong)的測試(shi)模型。

圖3-8 機(ji)械性能實驗(yan)示意圖

3.2.2.1 不同倒刺角度(du)微針的(de)應(yīng)力測試

探究了不(bu)同倒刺角度微(wei)針的穿刺(ci)力和拔出力(li)，得到了(le)應(yīng)力與(yu)位移關(guān)系的曲(qu)線圖。為(wei)了體現(xiàn)出倒(dao)刺的黏附力(li)特性，計(ji)算了二者之(zhi)間的差值(zhi)，結(jié)果如下圖(tu)所示。

圖3-9 不同倒刺(ci)角度的(de)應(yīng)力-位移曲(qu)線圖以及(ji)差值。(a)不(bu)同倒刺(ci)角度(du)刺入力-位移(yi)曲線；(b)不同(tong)倒刺角度(du)的拔出力(li)-位移曲線；(c)拔(ba)出力與刺(ci)入力(li)的差值

由3-9(a)(b)可以看出， 隨(sui)著倒刺角度的(de)增加，穿(chuan)刺力和拔(ba)出力都隨之(zhi)增大，呈(cheng)現(xiàn)出明顯的(de)正相關(guān)。當(dang)倒刺角(jiao)度為30°時，穿(chuan)刺力為1.57±0.004 N，拔出力(li)為1.64±0.002 N，差值約(yue)為0.071 N；45°時，穿刺力為(wei)1.7±002 N，拔出力為(wei)1.98±003N，差值約為(wei)0.28 N；當角度(du)為60°時，穿(chuan)刺力為2.55±004 N，拔出力(li)為2.58±003 N，差(cha)值約為0.03 N。將每(mei)個角度的差(cha)值繪制成點線(xian)圖可以看出，向(xiang)下的(de)倒刺(ci)可以(yi)提高微針(zhen)的黏附力，但(dan)隨著角度的增(zeng)加，拔出力與刺(ci)入力的差(cha)值會呈現(xiàn)先(xian)增大后減小(xiao)的趨勢，考慮到(dao)因為角度過大(da)時，倒刺(ci)幾乎成水(shui)平角度，更難(nan)刺入。在(zai)45°時，其差值比(bi)30°和60°分別提(ti)高了3.9 倍(bei)和9.3 倍左(zuo)右。根據(jù)以(yi)上的結(jié)論，我們(men)最終選取了45°的(de)倒刺(ci)微針作為(wei)后續(xù)(xu)的研究。

3.2.2.2 不同(tong)倒刺個數(shù)微針(zhen)的應(yīng)力(li)測試

我們設(shè)計(ji)了無倒刺、1 個(ge)倒刺、3 個(ge)倒刺(ci)和6 個(ge)倒刺(ci)的微針，倒刺角(jiao)度均為45°，并同(tong)樣采用質(zhì)構(gòu)儀(yi)測試其拉應(yīng)力(li)和拔出(chu)力，結(jié)果如(ru)圖3-10 所示。

圖3-10 不同個數(shù)倒(dao)刺微針的(de)機械性能測(ce)試。(a)不同(tong)倒刺個數(shù)微(wei)針模型(xing)； (b)不同倒刺個(ge)數(shù)的應(yīng)力-位移(yi)曲線

對于普通錐形(xing)微針而言，其拔(ba)出力(li)約為0.53 N，1 個倒刺(ci)的拔出力(li)約為0.80 N，3 個倒(dao)刺的拔出力(li)約為1.23N，而具有6 個(ge)倒刺的(de)微針拔出力(li)達到了1.37 N?？梢钥?kan)出，隨著倒刺個(ge)數(shù)的(de)增加(jia)，不斷提(ti)高了微針(zhen)的黏附力的(de)特性，6 個倒刺(ci)對比1 個倒(dao)刺拔出力提高(gao)了約2.6 倍。同時(shi)從圖中(zhong)可以(yi)看出，刺(ci)入力也有了相(xiang)應(yīng)的(de)增加，也證(zheng)明了多個(ge)倒刺提升(sheng)了微針(zhen)的斷裂(lie)力。

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

為了(le)探究不(bu)同層數(shù)對(dui)于微(wei)針應(yīng)(ying)力的(de)影響，我們用(yong)軟件(jian)分別設(shè)計了(le)一層倒刺(ci)和兩層(ceng)倒刺的微針，由(you)于在(zai)上個實驗中已(yi)經(jīng)得到了6 個倒(dao)刺具有(you)最佳的(de)性能(neng)，因此在本次(ci)實驗中每層(ceng)也設(shè)計了6 個(ge)倒刺，分別測試(shi)其穿刺力和(he)拔出(chu)力，結(jié)(jie)果如圖3-11 所示(shi)。

圖3-11 不同層數(shù)(shu)倒刺微針機械(xie)性能測試。(a)不(bu)同倒刺(ci)層數(shù)微針(zhen)模型；(b)不同倒刺(ci)層數(shù)的應(yīng)力-位(wei)移曲線

由數(shù)據(jù)可知(zhi)，一層倒刺的拔(ba)出力為1.37 N，二(er)層倒刺(ci)的拔出力為1.98 N，提(ti)升了0.71 N?？梢钥闯?chu)，隨著倒刺層(ceng)數(shù)的(de)增加，同樣也提(ti)高了微針(zhen)的黏附力，兩層(ceng)的倒刺能夠幫(bang)助微針更(geng)好地(di)與傷口敷料貼(tie)合，增加了監(jiān)(jian)測的穩(wěn)定(ding)性。

參考文獻：付(fu)欣雨：3D 打印微針(zhen)電極及其生(sheng)物傳感應(yīng)用研(yan)究。碩士(shi)學(xué)位論文，2025年