基于蟬口針形態(tài)的仿生針頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及減阻機(jī)理分析

王驥月，叢 茜，齊 欣，2，張 琰

0 引 言

目前，已有的無(wú)痛注射方式主要有：①微針注射［1］。通過(guò)減小針管尺寸，達(dá)到無(wú)痛注射目的［2］。但針管直徑小限制了藥物的吸收效果，使微針注射的適用范圍僅限于少量、高效的藥物［3］。②激光注射［4］。借助激光去除微量表皮，實(shí)現(xiàn)無(wú)痛注射。但此方法適用藥品單一，難以大范圍推廣。③無(wú)針注射［5］。通過(guò)高壓射流將藥物顆粒直接打入皮下。由于需要較多輔助儀器、成本較高［6］。④快速注射［7］。采用醫(yī)療上進(jìn)針快、推藥慢、拔針快的二快一慢法，能夠在一定程度上緩解注射痛感。但此法受患者主觀因素影響較大，且對(duì)不同患者使用時(shí)效果不穩(wěn)定，減痛成效不夠理想。⑤經(jīng)絡(luò)推拿及學(xué)位按壓［8］。通過(guò)經(jīng)絡(luò)推拿和學(xué)位按壓的方式減緩注射疼痛的一種技術(shù)手法。但此方法并不適用于所有人，如孕婦，所以只能作為減痛的輔助手段。⑥仿生針頭。結(jié)合蚊子口針刺入皮膚過(guò)程的受力分析［9］，模仿蚊子口針表面非光滑結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)得到凹槽形仿生針頭，通過(guò)減小針頭刺入阻力的方式，達(dá)到減痛或無(wú)痛注射效果［10］。與以往無(wú)痛技術(shù)不同，仿生無(wú)痛針頭是在傳統(tǒng)針頭基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿生設(shè)計(jì)，不改變?cè)嗅橆^尺寸［11］，不影響注射藥物量與治療效果，無(wú)需額外輔助設(shè)備，能使注射達(dá)到無(wú)痛或減痛的效果［12］，易被恐針及痛閾低的患者接受，為無(wú)痛針頭開(kāi)發(fā)提供了新的研究途徑。

本文以蟬口針為仿生對(duì)象，經(jīng)過(guò)仿生針頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和減阻機(jī)理分析，得到減阻效果與仿生結(jié)構(gòu)間的函數(shù)關(guān)系式，獲得具有最佳減阻效果的仿生針頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于無(wú)痛仿生針頭的研制具有重要意義。

1 蟬口針結(jié)構(gòu)及刺入機(jī)理

蟬以植物汁液為食，通過(guò)兩個(gè)上顎口針交替刺入植物組織內(nèi)部，吸取汁液。蟬上顎口針表面存在著有序非光滑結(jié)構(gòu)，其中以口針中部的鋸齒形結(jié)構(gòu)最為規(guī)則、突出（見(jiàn)圖1），鋸齒間距與鋸齒寬度大小相等，約為5μm，齒高約為4μm，鋸齒排布均勻。經(jīng)過(guò)分析，得到鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)在口針刺入過(guò)程中的作用主要有以下兩點(diǎn)：①鋸齒形結(jié)構(gòu)的存在使得口針刺入植物過(guò)程中，口針與植物體間的接觸面積減小，由蟬口針刺入力式（1）［13］可知，減小接觸面積可直接減小口針刺入力，使刺入能力增加；②鋸齒形結(jié)構(gòu)的存在允許植物汁液進(jìn)入鋸齒結(jié)構(gòu)凹陷處，在刺入過(guò)程中起到潤(rùn)滑作用，讓刺入動(dòng)作變得更為容易。

圖1 蟬的上顎口針?lè)枪饣螒B(tài)Fig.1 Non-smooth morphology on the mandible stabber of cicada

式中：Fi為口針刺入力；A為口針與植物接觸面積；Gp為植物的斷裂韌性；τ、θ分別為與口針尺寸有關(guān)的參數(shù)。

2 仿生針頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提取蟬上顎口針中部的鋸齒形結(jié)構(gòu)作為仿生對(duì)象，進(jìn)行仿生針頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)16號(hào)針頭外壁上加工出仿生鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)。

圖2 鋸齒形仿生針頭加工示意圖和實(shí)物圖Fig.2 Processing sketch map and physical map of the saw tooth bionic needle

圖2 為鋸齒形仿生針頭加工示意圖和實(shí)物圖，其中W 為鋸齒寬度，D為鋸齒間距。由于針壁較薄，約為0.1 mm，齒深對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可忽略不計(jì)，所以在保證針頭強(qiáng)度的前提下，確定加工長(zhǎng)度為30 mm，加工深度為0.04 mm，針尖部分不加工。

3 仿生針頭試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

以2 mm厚硅膠薄膜作為仿真生物體組織模型，應(yīng)用北京卓川電子科技有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用注射針刺穿力測(cè)試儀 （CL15822-E），根據(jù) GB 18671－2009一次性使用靜脈輸液針國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［14］，進(jìn)行鋸齒形仿生針頭穿刺阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光滑針頭進(jìn)行編號(hào)和穿刺阻力試驗(yàn)；然后根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)光滑針頭表面上加工鋸齒形仿生結(jié)構(gòu)，得到鋸齒形仿生針頭；之后進(jìn)行仿生針頭穿刺阻力試驗(yàn)；最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)，利用式（2）求出每支針頭的減阻率，每種結(jié)構(gòu)參數(shù)加工三支針頭，取減阻率平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

式中：G為減阻率；F0為光滑針頭穿刺阻力；F為仿生針頭穿刺阻力。

3.2 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了研究仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)與減阻效果之間的變化規(guī)律，采用二元二次回歸正交組合試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［15］，研究鋸齒寬度、鋸齒間距與減阻率之間的函數(shù)關(guān)系，鋸齒寬度變化范圍為0.06～0.3 mm，鋸齒間距變化范圍為0.5～2.5 mm。表1為鋸齒形仿生針頭結(jié)構(gòu)參數(shù)編碼表。表2為二元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及計(jì)算格式表。中心化處理公式為：

式中：N 為試驗(yàn)次數(shù)；x′ij為xij的編碼值；x2ij為j因素第i行的編碼值平方。

表1中，zj為j因素；xj為j因素編碼值；；z2j為j因素最大水平；z1j為j因素最小水平；z0j為j因素中心水平；Δj為j因素水平間隔；r為臂長(zhǎng)，本文r＝1.21；z0j＋Δj為j因素上水平；z0j－Δj為j因素下水平

表1 鋸齒形仿生針頭自然因素水平及其編碼表Table 1 Natural f actors level and its coding of the saw tooth bionic needle

表2 二元二次回歸正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及計(jì)算格式表Table 2 Test program and calculation for mat of binary quadratic regression and orthogonal combination design

表2中，xj（zj）為第j個(gè)因素的編碼因素；x1x2為兩個(gè)編碼因素的交互作用；y為穿刺軸向阻力減阻率；bj為回歸系數(shù)；Sj為各因素的偏差平方和；Fj為回歸系數(shù)F檢驗(yàn)；αj為顯著性水平。

由此，得到編碼空間回歸方程為：

然后，對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)：

得知回歸方程（4）的置信度為99%。經(jīng)失擬檢驗(yàn)知回歸方程不失擬。

最后，將編碼公式和中心化處理公式（3）代入回歸方程（4），得到自然空間回歸方程為：

為了方便分析仿生針頭減阻機(jī)理，根據(jù)回歸方程（5），繪制如圖3所示的鋸齒形仿生針頭試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，由圖可知：當(dāng)鋸齒寬度在0.06～0.3 mm、鋸齒間距在0.5～2.5 mm內(nèi)變化時(shí)，由鋸齒寬度、鋸齒間距、兩者交互作用和鋸齒寬度二次項(xiàng)共同作用可使減阻率恒為正；最大減阻率為43.21%，此時(shí)鋸齒寬度為0.3 mm、鋸齒間距為2.5 mm。

圖3 鋸齒形仿生針頭試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.3 Test opti mization design result of the saw tooth bionic needle

4 仿生針頭減阻機(jī)理分析

由仿生針頭減阻試驗(yàn)可知，鋸齒形仿生針頭均具有減阻效果，這是由于：針頭穿刺過(guò)程中的摩擦力f符合庫(kù)倫公式［16］：

式中：f為針頭穿刺過(guò)程中所受摩擦力；C為薄膜的粘附力；A為針頭與薄膜接觸面積；N為針頭穿刺過(guò)程中所受正壓力；β為針頭與薄膜間的摩擦角。

穿刺過(guò)程中，鋸齒形仿生非光滑結(jié)構(gòu)的存在使針頭外壁與刺入對(duì)象（2 mm硅膠薄膜）間的接觸面積減小，而針頭所受正壓力N、摩擦角β和薄膜粘附力C不受仿生非光滑結(jié)構(gòu)影響，因此，針頭所受摩擦力f減小，即表現(xiàn)出減阻效果。

鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)允許空氣存在于鋸齒凹陷處，在刺入薄膜過(guò)程中，針頭外壁、空氣、薄膜三者形成滾動(dòng)軸承模型［17］（見(jiàn)圖4），與標(biāo)準(zhǔn)光滑針頭穿刺時(shí)的滑動(dòng)摩擦相比，仿生針頭所受的摩擦力減小。

圖4 鋸齒形仿生針頭、空氣和薄膜形成的滾動(dòng)軸承模型Fig.4 Rolling bearing model for med by the saw tooth bionic needle，the air and the fil m

實(shí)際應(yīng)用中，鋸齒形仿生針頭的刺入對(duì)象是生物體病患，此時(shí)，生物體液會(huì)將鋸齒凹陷處的空氣擠出，代替空氣的位置與針壁、皮膚組織共同形成與滾動(dòng)軸承減阻機(jī)理相同的模型。與此同時(shí)，體液的存在會(huì)對(duì)針頭的刺入起到潤(rùn)滑作用，有一定的減阻效果，而鋸齒形結(jié)構(gòu)的非光滑特性會(huì)導(dǎo)致皮膚組織產(chǎn)生垂直于針頭軸向的微震，加速體液流動(dòng)，增大減阻效果。

5 結(jié) 論

（1）蟬上顎口針具有鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)，既能使口針與植物的實(shí)際接觸面積減小、刺入能力增加；又能允許植物汁液進(jìn)入鋸齒結(jié)構(gòu)凹陷處，在刺入過(guò)程中起到潤(rùn)滑作用。

（2）對(duì)鋸齒形仿生針頭進(jìn)行二元二次回歸正交組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到其回歸方程。

（3）鋸齒形仿生針頭在鋸齒寬度為0.3 mm、鋸齒間距為2.5 mm時(shí)，減阻率可達(dá)43.21%。

（4）鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)使仿生針頭與薄膜間的接觸面積減小，減小穿刺阻力；鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)允許空氣存于鋸齒凹陷處，使針頭外壁、空氣、薄膜三者形成與滾動(dòng)軸承減阻機(jī)理相同的模型，有效地減小了穿刺摩擦阻力；鋸齒形結(jié)構(gòu)的非光滑特性會(huì)使皮膚組織產(chǎn)生垂直于針頭軸向的微震，加速體液流動(dòng)，增大體液潤(rùn)滑效果。

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