微針的機械性能測試

為了探究倒刺角度、個數和層數對于微針穿刺力和拔出力的影響，我們采用Universal TA質構儀設備模擬微針插入敷料中的實驗（見圖3-8），微針被固定在探頭上，對準平臺的敷料模型，以1 mm/s 的速度向下移動直至wanquan插入到水凝膠中，再以同樣的速度向上拔出，每次測試重復三次，得到應力與位移的曲線關系。為了探究出zuiyou的微針結構，我們對不同倒刺角度的微針進行了該機械性能測試。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械響應，此外，透明性的水凝膠也便于觀察穿刺的過程和結果，是微針研究中常用的測試模型。

圖3-8 機械性能實驗示意圖

3.2.2.1 不同倒刺角度微針的應力測試

探究了不同倒刺角度微針的穿刺力和拔出力，得到了應力與位移關系的曲線圖。為了體現出倒刺的黏附力特性，計算了二者之間的差值，結果如下圖所示。

圖3-9 不同倒刺角度的應力-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，呈現出明顯的正相關。當倒刺角度為30°時，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，穿刺力為1.7±002 N，拔出力為1.98±003N，差值約為0.28 N；當角度為60°時，穿刺力為2.55±004 N，拔出力為2.58±003 N，差值約為0.03 N。將每個角度的差值繪制成點線圖可以看出，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呈現先增大后減小的趨勢，考慮到因為角度過大時，倒刺幾乎成水平角度，更難刺入。在45°時，其差值比30°和60°分別提高了3.9 倍和9.3 倍左右。根據以上的結論，我們最終選取了45°的倒刺微針作為后續的研究。

3.2.2.2 不同倒刺個數微針的應力測試

我們設計了無倒刺、1 個倒刺、3 個倒刺和6 個倒刺的微針，倒刺角度均為45°，并同樣采用質構儀測試其拉應力和拔出力，結果如圖3-10 所示。

圖3-10 不同個數倒刺微針的機械性能測試。(a)不同倒刺個數微針模型； (b)不同倒刺個數的應力-位移曲線

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

3.2.2.3 不同倒刺層數微針的應力測試

為了探究不同層數對于微針應力的影響，我們用軟件分別設計了一層倒刺和兩層倒刺的微針，由于在上個實驗中已經得到了6 個倒刺具有最佳的性能，因此在本次實驗中每層也設計了6 個倒刺，分別測試其穿刺力和拔出力，結果如圖3-11 所示。

圖3-11 不同層數倒刺微針機械性能測試。(a)不同倒刺層數微針模型；(b)不同倒刺層數的應力-位移曲線

由數據可知，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，增加了監測的穩定性。

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