微(wēi)針的(dí)機械性能測試

更新時間：2025-07-23

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為了探(tàn)究倒刺角度，個數(shù)和層數對於微針(zhēn)穿(chuān)刺力和(hé)拔出力(lì)的影響(xiǎng)，我們采(cǎi)用(yòng)Universal TA質(zhì)構儀設(shè)備(bèi)模擬微(wēi)針(zhēn)插(chā)入敷(fū)料中的實驗（見圖(tú)3-8），微(wēi)針被固定在探頭上，對準平台的敷(fū)料模(mó)型，以(yǐ)1 mm/s 的速度(dù)向下移動(dòng)直(zhí)至(zhì)wanquan插入到水(shuǐ)凝膠(jiāo)中，再(zài)以(yǐ)同樣的(dí)速度(dù)向上(shàng)拔出(chū)，每次測試(shì)重復三(sān)次(cì)，得到(dào)應力(lì)與(yǔ)位移的(dí)曲綫(xiàn)關係(xì)。為了(liǎo)探究出zuiyou的(dí)微針(zhēn)結構，我(wǒ)們對不同(tóng)倒刺角度(dù)的(dí)微針(zhēn)進行了(liǎo)該(gāi)機(jī)械性(xìng)能測試。其(qí)中(zhōng)，敷料模(mó)型(xíng)采(cǎi)用了(liǎo)5%的瓊(qióng)脂(zhī)糖(táng)水(shuǐ)凝膠製作，其(qí)具有一定的硬(yìng)度(dù)，彈(dàn)性(xìng)模(mó)量等特(tè)性(xìng)，適合(hé)模擬一(yī)些常(cháng)用敷料(liào)的(dí)機(jī)械(xiè)響應(yīng)，此外，透(tòu)明性的(dí)水(shuǐ)凝膠也(yě)便於(yú)觀察穿(chuān)刺(cì)的過程(chéng)和(hé)結(jié)果，是微(wēi)針研究中(zhōng)常(cháng)用的測試模(mó)型(xíng)。

圖3-8 機(jī)械(xiè)性(xìng)能(néng)實驗示意圖

3.2.2.1 不同(tóng)倒(dǎo)刺(cì)角度微針的應(yīng)力(lì)測試

探(tàn)究了不同倒(dǎo)刺角度(dù)微針的穿刺(cì)力(lì)和拔出力，得到(dào)了(liǎo)應力與(yǔ)位移關(guān)係的曲綫圖(tú)。為(wéi)了(liǎo)體(tǐ)現(xiàn)出倒刺的黏附(fù)力特性(xìng)，計(jì)算了二者(zhě)之間(jiān)的差(chà)值，結果(guǒ)如下(xià)圖所示。

圖3-9 不(bù)同(tóng)倒刺角度的應力(lì)-位(wèi)移(yí)曲綫(xiàn)圖以及(jí)差值。(a)不同倒(dǎo)刺(cì)角度刺入(rù)力-位移曲綫；(b)不同倒(dǎo)刺角(jiǎo)度的拔出力(lì)-位移曲綫(xiàn)；(c)拔出(chū)力(lì)與刺(cì)入(rù)力的(dí)差值

由3-9(a)(b)可以(yǐ)看(kàn)出，隨著倒(dǎo)刺(cì)角(jiǎo)度的(dí)增(zēng)加，穿刺力(lì)和拔(bá)出力都(dū)隨之增大(dà)，呈(chéng)現出明(míng)顯(xiǎn)的正(zhèng)相關。當倒刺角度(dù)為30°時，穿(chuān)刺力為1.57±0.004 N，拔出力(lì)為(wéi)1.64±0.002 N，差(chà)值(zhí)約(yuē)為0.071 N；45°時，穿刺力(lì)為1.7±002 N，拔出(chū)力(lì)為1.98±003N，差(chà)值約為0.28 N；當(dāng)角度(dù)為60°時，穿刺(cì)力為2.55±004 N，拔出(chū)力為2.58±003 N，差(chà)值(zhí)約為(wéi)0.03 N。將(jiāng)每(měi)個(gè)角(jiǎo)度(dù)的差值繪(huì)製成(chéng)點(diǎn)綫(xiàn)圖(tú)可(kě)以看出(chū)，向下(xià)的倒刺(cì)可(kě)以(yǐ)提高(gāo)微針(zhēn)的(dí)黏附力(lì)，但(dàn)隨著角度的增加(jiā)，拔出力與刺入力的差值會呈現(xiàn)先增(zēng)大(dà)後減小(xiǎo)的趨(qū)勢，考(kǎo)慮到因為角度過(guò)大時，倒刺幾(jī)乎成(chéng)水平(píng)角度，更難(nán)刺入。在(zài)45°時，其(qí)差(chà)值比30°和60°分別提高(gāo)了3.9 倍和9.3 倍(bèi)左(zuǒ)右。根(gēn)據以上(shàng)的(dí)結(jié)論(lùn)，我們(mén)最(zuì)終(zhōng)選(xuǎn)取(qǔ)了(liǎo)45°的(dí)倒(dǎo)刺(cì)微(wēi)針作(zuò)為後續(xù)的研究(jiū)。

3.2.2.2 不同(tóng)倒刺個數微針的應力測試

我(wǒ)們設(shè)計(jì)了(liǎo)無(wú)倒(dǎo)刺，1 個倒(dǎo)刺(cì)，3 個倒(dǎo)刺(cì)和6 個倒(dǎo)刺的微(wēi)針，倒(dǎo)刺(cì)角度均為(wéi)45°，並(bìng)同(tóng)樣采用質構(gòu)儀(yí)測(cè)試其(qí)拉應(yīng)力(lì)和(hé)拔出(chū)力，結果(guǒ)如圖3-10 所示(shì)。

圖3-10 不同個數倒(dǎo)刺(cì)微(wēi)針(zhēn)的(dí)機械(xiè)性(xìng)能(néng)測(cè)試。(a)不(bù)同倒(dǎo)刺個數(shù)微(wēi)針模型(xíng)； (b)不(bù)同(tóng)倒刺個數的應力-位移曲綫

對於(yú)普通(tōng)錐形(xíng)微(wēi)針而言，其(qí)拔出力(lì)約為(wéi)0.53 N，1 個(gè)倒刺的(dí)拔(bá)出力約(yuē)為0.80 N，3 個(gè)倒刺(cì)的拔(bá)出力約為(wéi)1.23N，而具(jù)有6 個(gè)倒刺(cì)的微針拔出力達到了(liǎo)1.37 N。可(kě)以(yǐ)看(kàn)出，隨著(zhuó)倒(dǎo)刺個(gè)數(shù)的增加，不(bù)斷提高(gāo)了(liǎo)微針(zhēn)的黏附(fù)力(lì)的特(tè)性，6 個(gè)倒(dǎo)刺對(duì)比1 個倒刺拔出(chū)力(lì)提高了約2.6 倍。同(tóng)時(shí)從(cóng)圖中可以(yǐ)看出，刺(cì)入(rù)力(lì)也有了(liǎo)相應(yīng)的(dí)增(zēng)加，也證明(míng)了(liǎo)多個倒刺提(tí)升(shēng)了微針(zhēn)的斷(duàn)裂(liè)力(lì)。

3.2.2.3 不(bù)同倒(dǎo)刺層數微針的應力測(cè)試(shì)

為了探究不同層數(shù)對(duì)於微(wēi)針應力(lì)的(dí)影(yǐng)響，我們(mén)用(yòng)軟件分別(bié)設計(jì)了一(yī)層(céng)倒刺和兩層倒(dǎo)刺的(dí)微針(zhēn)，由(yóu)於在上(shàng)個(gè)實(shí)驗(yàn)中(zhōng)已經(jīng)得到了6 個倒刺具有最(zuì)佳的性(xìng)能，因(yīn)此在本次(cì)實驗中每(měi)層也設計了(liǎo)6 個(gè)倒刺，分別(bié)測試其(qí)穿(chuān)刺力和拔(bá)出力，結(jié)果如(rú)圖(tú)3-11 所(suǒ)示。

圖3-11 不同層(céng)數(shù)倒刺微針(zhēn)機(jī)械性(xìng)能測(cè)試。(a)不同倒(dǎo)刺層數微針模型(xíng)；(b)不同(tóng)倒刺層(céng)數(shù)的應(yīng)力(lì)-位移曲綫(xiàn)

由數(shù)據(jù)可知(zhī)，一(yī)層倒刺(cì)的拔(bá)出(chū)力(lì)為(wéi)1.37 N，二(èr)層(céng)倒刺的(dí)拔出力(lì)為(wéi)1.98 N，提升(shēng)了0.71 N。可以看出，隨著倒刺層(céng)數(shù)的增加，同(tóng)樣(yàng)也提高了微針(zhēn)的(dí)黏附(fù)力(lì)，兩層的(dí)倒(dǎo)刺(cì)能(néng)夠(gòu)幫(bāng)助微針更(gēng)好(hǎo)地(dì)與傷口敷(fū)料貼合(hé)，增加(jiā)了監(jiān)測(cè)的穩定性(xìng)。

參(cān)考(kǎo)文獻(xiàn)：付欣雨：3D 打印(yìn)微針(zhēn)電(diàn)極(jí)及其生物(wù)傳感應用研究。碩士(shì)學位(wèi)論文(wén)，2025年

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