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當前位(wèi)置(zhì)：首頁(yè)技(jì)術文(wén)章上(shàng)海騰拔質(zhì)構儀助(zhù)力(lì)電子科技(jì)大學發表關(guān)於3D 打印帶倒(dǎo)刺微針電(diàn)極的(dí)期(qī)刊論文(wén)

上(shàng)海騰(téng)拔(bá)質構儀助(zhù)力電(diàn)子(zǐ)科技大學發(fā)表關(guān)於3D 打印(yìn)帶倒刺微針(zhēn)電極(jí)的(dí)期刊論(lùn)文

更新(xīn)時(shí)間(jiān)：2026-01-21

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近日，電子科技(jì)大學集(jí)成電(diàn)路科學與(yǔ)工程學(xué)院研究人員在(zài)國際期(qī)刊《Microsystems & Nanoengineering》（IF：9.9）發表(biǎo)了題為(wéi)“3D-printed barbed microneedle electrodes for biosensing and drug delivery in wound management"的研究性論文。在(zài)該論文(wén)中，研究(jiū)人(rén)員利用上海騰拔Universal TA研(yán)究型質構(gòu)儀用(yòng)於測定3D 打印帶(dài)倒刺(cì)微(wēi)針的刺入力和拔出阻力(lì)。

慢(màn)性創(chuàng)麵(miàn)是一項重大(dà)的(dí)quanqiu性醫療(liáo)健康負(fù)擔，亟(jí)需(xū)能(néng)夠兼顧(gù)創麵持續(xù)監測與按需(xū)治療幹預(yù)的一(yī)體化解(jiě)決(jué)方(fāng)案。本研究(jiū)提出(chū)了兩(liǎng)種(zhǒng)器(qì)件 —— 用於(yú)創麵阻抗傳感的一體(tǐ)式帶倒刺微針（3D-BMN）和(hé)用於(yú)藥物遞送(sòng)的(dí)帶倒(dǎo)刺(cì)空(kōng)心微針(zhēn)（3D-BHMN），二(èr)者(zhě)均通(tōng)過高精(jīng)度投影微立(lì)體光刻(kè)（PμSL）3D 打印(yìn)技術(shù)製備而(ér)成(chéng)。該帶(dài)倒(dǎo)刺(cì)結(jié)構的(dí)設(shè)計(jì)靈感(gǎn)源於蜜蜂螫針等(děng)自(zì)然(rán)界(jiè)的(dí)倒(dǎo)刺(cì)構(gòu)造(zào)，其(qí)幾(jī)何形(xíng)態實現(xiàn)了(liǎo)穿(chuān)刺效率與(yǔ)機械互(hù)鎖性能的(dí)平衡(héng)，可穩固錨定在(zài)創麵(miàn)敷料(liào)上(shàng)。經(jīng)氯化(huà)銀(yín) / 銀（Ag/AgCl）與(yǔ)金(jīn)納米顆粒（AuNPs）導電(diàn)化處(chǔ)理後，器件具(jù)備(bèi)優異(yì)的電(diàn)化學性能，能(néng)夠(gòu)精準監(jiān)測與創(chuàng)麵(miàn)愈(yù)合(hé)狀(zhuàng)態(tài)密切相(xiāng)關的阻(zǔ)抗(kàng)信號。3D-BHMN 集(jí)成(chéng)了超聲霧化(huà)器，以實現高(gāo)效藥(yào)物(wù)遞送。研(yán)究將 3D-BMN 與 3D-BHMN 耦合(hé)，構(gòu)建出一套閉環(huán)反(fǎn)饋(kuì)係統；該係統(tǒng)可(kě)根(gēn)據實時傳感的，與創麵(miàn)動(dòng)態愈合(hé)狀(zhuàng)態(tài)匹配的(dí)阻抗(kàng)數值(zhí)，調(tiáo)控治(zhì)療藥(yào)物(wù)的按需(xū)遞送(sòng)。此一(yī)體化平台集診斷與治(zhì)療(liáo)功能(néng)於(yú)一體(tǐ)，推(tuī)動(dòng)了(liǎo)智能(néng)創麵管理的(dí)發(fā)展，具(jù)有廣闊的轉(zhuǎn)化應(yīng)用(yòng)前(qián)景。

本(běn)研究將倒(dǎo)刺(cì)結構(gòu)經優化(huà)設計後整合(hé)到(dào)微針(zhēn)中，既(jì)能使(shǐ)微(wēi)針(zhēn)牢固錨(máo)定(dìng)在創(chuàng)麵(miàn)敷料(liào)內，避免(miǎn)長(cháng)期佩戴(dài)過程中(zhōng)發生脫落，同時(shí)又(yòu)能確(què)保微針以(yǐ)極(jí)小(xiǎo)阻力(lì)順(shùn)暢(chàng)穿(chuān)透(tòu)敷料並(bìng)刺(cì)入皮(pí)膚組織(zhī)。為(wéi)係(xì)統探究(jiū)倒刺(cì)的(dí)各項結構參數（包括倒刺(cì)角度，倒刺(cì)數量(liáng)及(jí)層數）對(duì)微針刺入力與拔出力(lì)的(dí)影響，本(běn)研究(jiū)采(cǎi)用(yòng)高(gāo)精度質(zhì)構(gòu)儀，以瓊脂糖(táng)基創(chuàng)麵(miàn)敷(fū)料模(mó)型模擬(nǐ)上(shàng)述動(dòng)態(tài)力學(xué)作(zuò)用過(guò)程(chéng)（圖(tú) 2a）。瓊(qióng)脂糖(táng)水(shuǐ)凝膠是一(yī)種常用的創(chuàng)麵敷(fū)料模型(xíng)，可為微針力(lì)學(xué)性(xìng)能(néng)的實(shí)際(jì)應用評(píng)估(gū)提供具(jù)有(yǒu)生理相(xiāng)關(guān)性(xìng)的(dí)測試平台(tái)。

實(shí)驗裝置搭(dā)建(jiàn)如(rú)下：將(jiāng)微(wēi)針牢(láo)固(gù)安裝於(yú)質(zhì)構儀的探頭(tóu)之上，並(bìng)垂(chuí)直(zhí)置於瓊(qióng)脂(zhī)糖模型的正上方。探頭以(yǐ) 1 毫米(mǐ) / 秒的(dí)恒(héng)定(dìng)速(sù)度下(xià)壓創麵敷料模(mó)型（該速(sù)度與臨(lín)床實際的(dí)刺(cì)入(rù)速率(shuài)一(yī)致），直(zhí)至微針wanquan刺入水凝膠(jiāo)內部。隨(suí)後(hòu)，探(tàn)頭(tóu)以相同速(sù)率回撤(chè)，以此測(cè)定微針的拔出(chū)阻力。為消除隨(suí)機誤差(chà)的(dí)影響(xiǎng)，每組(zǔ)實(shí)驗條件均(jūn)重復測(cè)試三次，獲取力 - 位(wèi)移曲綫(xiàn)，並基於該(gāi)曲(qū)綫計(jì)算(suàn)得出定(dìng)量的(dí)力學性能指(zhǐ)標(biāo)。

本(běn)研究製備(bèi)並(bìng)測(cè)試(shì)了(liǎo)一係(xì)列倒(dǎo)刺角(jiǎo)度，倒刺(cì)數(shù)量及(jí)層級結構經係(xì)統(tǒng)性(xìng)調整(zhěng)的微針原(yuán)型(xíng)（圖(tú) 2b–d）。為(wéi)便於(yú)實(shí)驗觀察(chá)與(yǔ)可視化分析，每次僅 3D 打印一枚(méi)微針用於觀測(cè)。實(shí)驗的(dí)核(hé)心(xīn)目標是篩選出(chū)一(yī)種zuiyou倒(dǎo)刺結構方(fāng)案，實現(xiàn)穿(chuān)刺(cì)便捷(jié)性與(yǔ)錨定強度的平(píng)衡(héng) —— 即在zuida限度降(jiàng)低穿(chuān)刺阻力，以(yǐ)減輕患者不(bù)適(shì)感(gǎn)，減(jiǎn)少(shǎo)組織損(sǔn)傷(shāng)的同(tóng)時，zuidahua提升錨(máo)定(dìng)強度(dù)，避免微針發生非預(yù)期脫(tuō)落。實驗(yàn)所用(yòng)創(chuàng)麵敷(fū)料模型由質(zhì)量分數為(wéi) 5% 的瓊脂糖(táng)水凝膠(jiāo)製成(chéng)，其(qí)硬度與(yǔ)彈性模量與市(shì)售(shòu)水膠體敷料(liào)高(gāo)度匹配，由(yóu)此構建出(chū)具有生理相(xiāng)關性的(dí)測試(shì)環(huán)境。此外(wài)，該水凝(níng)膠(jiāo)具備(bèi)透(tòu)明(míng)特性(xìng)，可在微針刺入與(yǔ)拔出的(dí)全(quán)過(guò)程中，對倒刺與敷(fū)料(liào)的相(xiāng)互作用進行(háng)實時直觀(guān)觀(guān)察。上述(shù)獨(dú)特優(yōu)勢使瓊脂(zhī)糖(táng)成為微針(zhēn)生(shēng)物力學性(xìng)能測(cè)試(shì)領(lǐng)域(yù)的(dí)金(jīn)標(biāo)準材料。

實驗結(jié)果(guǒ)揭示出(chū)多項關(guān)鍵(jiàn)的(dí)力學作(zuò)用機製（圖 2b–d）。首(shǒu)先，微(wēi)針的刺(cì)入(rù)力(lì)與拔出力(lì)均(jūn)與(yǔ)倒刺(cì)角度呈顯(xiǎn)著正(zhèng)相關。隨(suí)著倒(dǎo)刺角度增(zēng)大，接(jiē)觸麵(miàn)積隨之增加，進(jìn)而(ér)導致(zhì)刺入阻力上(shàng)升，但微針與瓊脂糖敷(fū)料(liào)間(jiān)的機械(xiè)互鎖(suǒ)作(zuò)用也隨(suí)之(zhī)增強(qiáng)，錨(máo)定(dìng)強度因此(cǐ)得到(dào)提(tí)升(shēng)。值(zhí)得(dé)注意(yì)的(dí)是(shì)，過(guò)大(dà)的倒(dǎo)刺(cì)角度(dù)會(huì)在刺入過(guò)程中造成水(shuǐ)凝(níng)膠發(fā)生(shēng)嚴重形變，往(wǎng)往(wǎng)會引(yǐn)發針尖損壞或敷料撕裂的(dí)問題。基(jī)於(yú)上述(shù)研究結果，45° 倒(dǎo)刺(cì)角(jiǎo)度被確(què)定為(wéi)後續研究的(dí)zuiyou設計(jì)方案(àn)，該角度能(néng)夠(gòu)實(shí)現(xiàn)良(liáng)好的(dí)性(xìng)能(néng)平(píng)衡：刺(cì)入(rù)力可(kě)維(wéi)持在較低水平，zuida限(xiàn)度減輕患(huàn)者不適感；同(tóng)時(shí)拔(bá)出(chū)力足以保障微(wēi)針在長期佩(pèi)戴過程(chéng)中(zhōng)實現(xiàn)穩(wěn)定(dìng)錨定(dìng)。

除(chú)倒(dǎo)刺角(jiǎo)度外，增加倒(dǎo)刺(cì)數(shù)量(liáng)與(yǔ)結構層數(shù)可進(jìn)一步提升微針的附(fù)著強(qiáng)度(dù)。這一性(xìng)能(néng)提(tí)升(shēng)的原因在於，倒刺(cì)數量(liáng)增多和(hé)層數(shù)增加會帶來更多(duō)的錨(máo)定位(wèi)點，同(tóng)時(shí)擴(kuò)大(dà)倒(dǎo)刺(cì)與瓊脂糖之(zhī)間的(dí)接觸界麵，從(cóng)而使機(jī)械(xiè)載荷分布(bù)得更(gēng)加(jiā)均匀，zuida限度減少局(jú)部剪(jiǎn)切(qiē)失(shī)效的(dí)發生。基(jī)於此，本研究采用每層設置 6 個 45° 倒刺的(dí)雙(shuāng)層(céng)結(jié)構(gòu)作為(wéi)後(hòu)續(xù)實驗的(dí)標(biāo)準構型。

本次結(jié)構優(yōu)化構(gòu)建出一套適(shì)用於長期連(lián)續(xù)生物信號監(jiān)測(cè)的(dí)高穩(wěn)定性(xìng)微(wēi)針(zhēn)係(xì)統(tǒng)。憑借微針的(dí)穩固(gù)錨定(dìng)作用，該係統不僅(jǐn)能降(jiàng)低(dī)傳(chuán)感器(qì)漂移現(xiàn)象的發生，還可(kě)省(shěng)去(qù)頻(pín)繁(fán)重(zhòng)新(xīn)敷(fū)貼(tiē)的操作步驟(zhòu)，進(jìn)而(ér)減(jiǎn)輕患者(zhě)負(fù)擔並(bìng)降低感染風(fēng)險(xiǎn)。綜上，經優化(huà)後(hòu)的 3D 打印帶倒(dǎo)刺(cì)微針（3D-BMN）兼具臨(lín)床實用(yòng)性與力(lì)學(xué)可(kě)靠性。

圖2 3D-BMN的力學(xué)性能。a 力(lì)學性能測(cè)試裝置示意圖(tú) b 不(bù)同倒(dǎo)刺角度微針的(dí)應(yīng)力(lì) - 位(wèi)移曲(qū)綫 c 不(bù)同倒(dǎo)刺數(shù)量微針(zhēn)的應(yīng)力 - 位移曲綫 d 不同(tóng)倒(dǎo)刺(cì)層數(shù)微(wēi)針的應力 - 位移曲綫

參考文獻：Xinyu Fu, et al.3D-printed barbed microneedle electrodes for biosensing and drug delivery in wound management. Microsystems & Nanoengineering, 2026

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