王驥月，叢 茜，齊 欣，2，張 琰

0 引 言

目前，已有的無痛注射方式主要有：①微針注射［1］。通過減小針管尺寸，達到無痛注射目的［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，實現(xiàn)無痛注射。但此方法適用藥品單一，難以大范圍推廣。③無針注射［5］。通過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，且對不同患者使用時效果不穩(wěn)定，減痛成效不夠理想。⑤經(jīng)絡推拿及學位按壓［8］。通過經(jīng)絡推拿和學位按壓的方式減緩注射疼痛的一種技術手法。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程的受力分析［9］，模仿蚊子口針表面非光滑結(jié)構(gòu)，設計得到凹槽形仿生針頭，通過減小針頭刺入阻力的方式，達到減痛或無痛注射效果［10］。與以往無痛技術不同，仿生無痛針頭是在傳統(tǒng)針頭基礎上進行的仿生設計，不改變原有針頭尺寸［11］，不影響注射藥物量與治療效果，無需額外輔助設備，能使注射達到無痛或減痛的效果［12］，易被恐針及痛閾低的患者接受，為無痛針頭開發(fā)提供了新的研究途徑。

本文以蟬口針為仿生對象，經(jīng)過仿生針頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和減阻機理分析，得到減阻效果與仿生結(jié)構(gòu)間的函數(shù)關系式，獲得具有最佳減阻效果的仿生針頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于無痛仿生針頭的研制具有重要意義。

1 蟬口針結(jié)構(gòu)及刺入機理

蟬以植物汁液為食，通過兩個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)過分析，得到鋸齒形非光滑結(jié)構(gòu)在口針刺入過程中的作用主要有以下兩點：①鋸齒形結(jié)構(gòu)的存在使得口針刺入植物過程中，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入鋸齒結(jié)構(gòu)凹陷處，在刺入過程中起到潤滑作用，讓刺入動作變得更為容易。

圖1 蟬的上顎口針非光滑形態(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的參數(shù)。

2 仿生針頭結(jié)構(gòu)設計

提取蟬上顎口針中部的鋸齒形結(jié)構(gòu)作為仿生對象，進行仿生針頭結(jié)構(gòu)設計，在標準16號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，齒深對試驗結(jié)果影響較小，可忽略不計，所以在保證針頭強度的前提下，確定加工長度為30 mm，加工深度為0.04 mm，針尖部分不加工。

3 仿生針頭試驗

3.1 試驗方法

以2 mm厚硅膠薄膜作為仿真生物體組織模型，應用北京卓川電子科技有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用注射針刺穿力測試儀 （CL15822-E），根據(jù) GB 18671－2009一次性使用靜脈輸液針國家標準［14］，進行鋸齒形仿生針頭穿刺阻力試驗。試驗過程中，首先對標準光滑針頭進行編號和穿刺阻力試驗；然后根據(jù)設計參數(shù)在標準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；之后進行仿生針頭穿刺阻力試驗；最后進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計，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 試驗優(yōu)化設計

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優(yōu)化設計方法［15］，研究鋸齒寬度、鋸齒間距與減阻率之間的函數(shù)關系，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計試驗方案及計算格式表。中心化處理公式為：

式中：N 為試驗次數(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，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計試驗方案及計算格式表Table 2 Test program and calculation for mat of binary quadratic regression and orthogonal combination design

表2中，xj（zj）為第j個因素的編碼因素；x1x2為兩個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；αj為顯著性水平。

由此，得到編碼空間回歸方程為：

然后，對回歸方程進行顯著性檢驗：

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

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優(yōu)化設計結(jié)果，由圖可知：當鋸齒寬度在0.06～0.3 mm、鋸齒間距在0.5～2.5 mm內(nèi)變化時，由鋸齒寬度、鋸齒間距、兩者交互作用和鋸齒寬度二次項共同作用可使減阻率恒為正；最大減阻率為43.21%，此時鋸齒寬度為0.3 mm、鋸齒間距為2.5 mm。

圖3 鋸齒形仿生針頭試驗優(yōu)化設計結(jié)果Fig.3 Test opti mization design result of the saw tooth bionic needle

4 仿生針頭減阻機理分析

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

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

穿刺過程中，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，在刺入薄膜過程中，針頭外壁、空氣、薄膜三者形成滾動軸承模型［17］（見圖4），與標準光滑針頭穿刺時的滑動摩擦相比，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軸承模型Fig.4 Rolling bearing model for med by the saw tooth bionic needle，the air and the fil m

實際應用中，鋸齒形仿生針頭的刺入對象是生物體病患，此時，生物體液會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軸承減阻機理相同的模型。與此同時，體液的存在會對針頭的刺入起到潤滑作用，有一定的減阻效果，而鋸齒形結(jié)構(gòu)的非光滑特性會導致皮膚組織產(chǎn)生垂直于針頭軸向的微震，加速體液流動，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際接觸面積減小、刺入能力增加；又能允許植物汁液進入鋸齒結(jié)構(gòu)凹陷處，在刺入過程中起到潤滑作用。

（2）對鋸齒形仿生針頭進行二元二次回歸正交組合優(yōu)化設計，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，減阻率可達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軸承減阻機理相同的模型，有效地減小了穿刺摩擦阻力；鋸齒形結(jié)構(gòu)的非光滑特性會使皮膚組織產(chǎn)生垂直于針頭軸向的微震，加速體液流動，增大體液潤滑效果。

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