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微针的机械性能测试
阅读：146 发布时间：2025-7-23为了探究倒刺角度、个数和层数对于微针穿刺力和拔出力的影响，我们采用Universal TA质构仪设备模拟微针插入敷料中的实验（见图3-8），微针被固定在探头上，对准平台的敷料模型，以1 mm/s 的速度向下移动直至wanquan插入到水凝胶中，再以同样的速度向上拔出，每次测试重复三次，得到应力与位移的曲线关系。为了探究出zuiyou的微针结构，我们对不同倒刺角度的微针进行了该机械性能测试。其中，敷料模型采用了5%的琼脂糖水凝胶制作，其具有一定的硬度、弹性模量等特性，适合模拟一些常用敷料的机械响应，此外，透明性的水凝胶也便于观察穿刺的过程和结果，是微针研究中常用的测试模型。
图3-8 机械性能实验示意图
3.2.2.1 不同倒刺角度微针的应力测试
探究了不同倒刺角度微针的穿刺力和拔出力，得到了应力与位移关系的曲线图。为了体现出倒刺的黏附力特性，计算了二者之间的差值，结果如下图所示。
图3-9 不同倒刺角度的应力-位移曲线图以及差值。(a)不同倒刺角度刺入力-位移曲线；(b)不同倒刺角度的拔出力-位移曲线；(c)拔出力与刺入力的差值
由3-9(a)(b)可以看出， 随着倒刺角度的增加，穿刺力和拔出力都随之增大，呈现出明显的正相关。当倒刺角度为30°时，穿刺力为1.57±0.004 N，拔出力为1.64±0.002 N，差值约为0.071 N；45°时，穿刺力为1.7±002 N，拔出力为1.98±003N，差值约为0.28 N；当角度为60°时，穿刺力为2.55±004 N，拔出力为2.58±003 N，差值约为0.03 N。将每个角度的差值绘制成点线图可以看出，向下的倒刺可以提高微针的黏附力，但随着角度的增加，拔出力与刺入力的差值会呈现先增大后减小的趋势，考虑到因为角度过大时，倒刺几乎成水平角度，更难刺入。在45°时，其差值比30°和60°分别提高了3.9 倍和9.3 倍左右。根据以上的结论，我们最终选取了45°的倒刺微针作为后续的研究。
3.2.2.2 不同倒刺个数微针的应力测试
我们设计了无倒刺、1 个倒刺、3 个倒刺和6 个倒刺的微针，倒刺角度均为45°，并同样采用质构仪测试其拉应力和拔出力，结果如图3-10 所示。
图3-10 不同个数倒刺微针的机械性能测试。(a)不同倒刺个数微针模型； (b)不同倒刺个数的应力-位移曲线
对于普通锥形微针而言，其拔出力约为0.53 N，1 个倒刺的拔出力约为0.80 N，3 个倒刺的拔出力约为1.23N，而具有6 个倒刺的微针拔出力达到了1.37 N。可以看出，随着倒刺个数的增加，不断提高了微针的黏附力的特性，6 个倒刺对比1 个倒刺拔出力提高了约2.6 倍。同时从图中可以看出，刺入力也有了相应的增加，也证明了多个倒刺提升了微针的断裂力。
3.2.2.3 不同倒刺层数微针的应力测试
为了探究不同层数对于微针应力的影响，我们用软件分别设计了一层倒刺和两层倒刺的微针，由于在上个实验中已经得到了6 个倒刺具有最佳的性能，因此在本次实验中每层也设计了6 个倒刺，分别测试其穿刺力和拔出力，结果如图3-11 所示。
图3-11 不同层数倒刺微针机械性能测试。(a)不同倒刺层数微针模型；(b)不同倒刺层数的应力-位移曲线
由数据可知，一层倒刺的拔出力为1.37 N，二层倒刺的拔出力为1.98 N，提升了0.71 N。可以看出，随着倒刺层数的增加，同样也提高了微针的黏附力，两层的倒刺能够帮助微针更好地与伤口敷料贴合，增加了监测的稳定性。
参考文献：付欣雨：3D 打印微针电极及其生物传感应用研究。硕士学位论文，2025年