微針的機(jī)械性能測(cè)試

為了探究倒刺角度、個(gè)數(shù)和層數(shù)對(duì)于微針穿刺力和拔出力的影響，我們采用Universal TA質(zhì)構(gòu)儀設(shè)備模擬微針插入敷料中的實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖3-8），微針被固定在探頭上，對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)的敷料模型，以1 mm/s 的速度向下移動(dòng)直至wanquan插入到水凝膠中，再以同樣的速度向上拔出，每次測(cè)試重復(fù)三次，得到應(yīng)力與位移的曲線關(guān)系。為了探究出zuiyou的微針結(jié)構(gòu)，我們對(duì)不同倒刺角度的微針進(jìn)行了該機(jī)械性能測(cè)試。其中，敷料模型采用了5%的瓊脂糖水凝膠制作，其具有一定的硬度、彈性模量等特性，適合模擬一些常用敷料的機(jī)械響應(yīng)，此外，透明性的水凝膠也便于觀察穿刺的過(guò)程和結(jié)果，是微針研究中常用的測(cè)試模型。

圖3-8 機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)示意圖

3.2.2.1 不同倒刺角度微針的應(yīng)力測(cè)試

探究了不同倒刺角度微針的穿刺力和拔出力，得到了應(yīng)力與位移關(guān)系的曲線圖。為了體現(xiàn)出倒刺的黏附力特性，計(jì)算了二者之間的差值，結(jié)果如下圖所示。

圖3-9 不同倒刺角度的應(yīng)力-位移曲線圖以及差值。(a)不同倒刺角度刺入力-位移曲線；(b)不同倒刺角度的拔出力-位移曲線；(c)拔出力與刺入力的差值

由3-9(a)(b)可以看出， 隨著倒刺角度的增加，穿刺力和拔出力都隨之增大，呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)。當(dāng)?shù)勾探嵌葹?0°時(shí)，穿刺力為1.57±0.004 N，拔出力為1.64±0.002 N，差值約為0.071 N；45°時(shí)，穿刺力為1.7±002 N，拔出力為1.98±003N，差值約為0.28 N；當(dāng)角度為60°時(shí)，穿刺力為2.55±004 N，拔出力為2.58±003 N，差值約為0.03 N。將每個(gè)角度的差值繪制成點(diǎn)線圖可以看出，向下的倒刺可以提高微針的黏附力，但隨著角度的增加，拔出力與刺入力的差值會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，考慮到因?yàn)榻嵌冗^(guò)大時(shí)，倒刺幾乎成水平角度，更難刺入。在45°時(shí)，其差值比30°和60°分別提高了3.9 倍和9.3 倍左右。根據(jù)以上的結(jié)論，我們最終選取了45°的倒刺微針作為后續(xù)的研究。

3.2.2.2 不同倒刺個(gè)數(shù)微針的應(yīng)力測(cè)試

我們?cè)O(shè)計(jì)了無(wú)倒刺、1 個(gè)倒刺、3 個(gè)倒刺和6 個(gè)倒刺的微針，倒刺角度均為45°，并同樣采用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試其拉應(yīng)力和拔出力，結(jié)果如圖3-10 所示。

圖3-10 不同個(gè)數(shù)倒刺微針的機(jī)械性能測(cè)試。(a)不同倒刺個(gè)數(shù)微針模型； (b)不同倒刺個(gè)數(shù)的應(yīng)力-位移曲線

對(duì)于普通錐形微針而言，其拔出力約為0.53 N，1 個(gè)倒刺的拔出力約為0.80 N，3 個(gè)倒刺的拔出力約為1.23N，而具有6 個(gè)倒刺的微針拔出力達(dá)到了1.37 N。可以看出，隨著倒刺個(gè)數(shù)的增加，不斷提高了微針的黏附力的特性，6 個(gè)倒刺對(duì)比1 個(gè)倒刺拔出力提高了約2.6 倍。同時(shí)從圖中可以看出，刺入力也有了相應(yīng)的增加，也證明了多個(gè)倒刺提升了微針的斷裂力。

3.2.2.3 不同倒刺層數(shù)微針的應(yīng)力測(cè)試

為了探究不同層數(shù)對(duì)于微針應(yīng)力的影響，我們用軟件分別設(shè)計(jì)了一層倒刺和兩層倒刺的微針，由于在上個(gè)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到了6 個(gè)倒刺具有最佳的性能，因此在本次實(shí)驗(yàn)中每層也設(shè)計(jì)了6 個(gè)倒刺，分別測(cè)試其穿刺力和拔出力，結(jié)果如圖3-11 所示。

圖3-11 不同層數(shù)倒刺微針機(jī)械性能測(cè)試。(a)不同倒刺層數(shù)微針模型；(b)不同倒刺層數(shù)的應(yīng)力-位移曲線

由數(shù)據(jù)可知，一層倒刺的拔出力為1.37 N，二層倒刺的拔出力為1.98 N，提升了0.71 N。可以看出，隨著倒刺層數(shù)的增加，同樣也提高了微針的黏附力，兩層的倒刺能夠幫助微針更好地與傷口敷料貼合，增加了監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：付欣雨：3D 打印微針電極及其生物傳感應(yīng)用研究。碩士學(xué)位論文，2025年