上海騰拔質構儀助力電子科技大學發表關于3D 打印帶倒刺微針電極的期刊論文

近日，電子科技大學集成電路科學與工程學院研究人員在國際期刊《Microsystems & Nanoengineering》（IF：9.9）發表了題為“3D-printed barbed microneedle electrodes for biosensing and drug delivery in wound management"的研究性論文。在該論文中，研究人員利用上海騰拔Universal TA研究型質構儀用于測定3D 打印帶倒刺微針的刺入力和拔出阻力。

慢性創面是一項重大的quanqiu性醫療健康負擔，亟需能夠兼顧創面持續監測與按需治療干預的一體化解決方案。本研究提出了兩種器件 —— 用于創面阻抗傳感的一體式帶倒刺微針（3D-BMN）和用于藥物遞送的帶倒刺空心微針（3D-BHMN），二者均通過高精度投影微立體光刻（PμSL）3D 打印技術制備而成。該帶倒刺結構的設計靈感源于蜜蜂螫針等自然界的倒刺構造，其幾何形態實現了穿刺效率與機械互鎖性能的平衡，可穩固錨定在創面敷料上。經氯化銀 / 銀（Ag/AgCl）與金納米顆粒（AuNPs）導電化處理后，器件具備優異的電化學性能，能夠精準監測與創面愈合狀態密切相關的阻抗信號。3D-BHMN 集成了超聲霧化器，以實現高效藥物遞送。研究將 3D-BMN 與 3D-BHMN 耦合，構建出一套閉環反饋系統；該系統可根據實時傳感的、與創面動態愈合狀態匹配的阻抗數值，調控治療藥物的按需遞送。此一體化平臺集診斷與治療功能于一體，推動了智能創面管理的發展，具有廣闊的轉化應用前景。

本研究將倒刺結構經優化設計后整合到微針中，既能使微針牢固錨定在創面敷料內，避免長期佩戴過程中發生脫落，同時又能確保微針以極小阻力順暢穿透敷料并刺入皮膚組織。為系統探究倒刺的各項結構參數（包括倒刺角度、倒刺數量及層數）對微針刺入力與拔出力的影響，本研究采用高精度質構儀，以瓊脂糖基創面敷料模型模擬上述動態力學作用過程（圖 2a）。瓊脂糖水凝膠是一種常用的創面敷料模型，可為微針力學性能的實際應用評估提供具有生理相關性的測試平臺。

實驗裝置搭建如下：將微針牢固安裝于質構儀的探頭之上，并垂直置于瓊脂糖模型的正上方。探頭以 1 毫米 / 秒的恒定速度下壓創面敷料模型（該速度與臨床實際的刺入速率一致），直至微針wanquan刺入水凝膠內部。隨后，探頭以相同速率回撤，以此測定微針的拔出阻力。為消除隨機誤差的影響，每組實驗條件均重復測試三次，獲取力 - 位移曲線，并基于該曲線計算得出定量的力學性能指標。

本研究制備并測試了一系列倒刺角度、倒刺數量及層級結構經系統性調整的微針原型（圖 2b–d）。為便于實驗觀察與可視化分析，每次僅 3D 打印一枚微針用于觀測。實驗的核心目標是篩選出一種zuiyou倒刺結構方案，實現穿刺便捷性與錨定強度的平衡 —— 即在zuida限度降低穿刺阻力，以減輕患者不適感、減少組織損傷的同時，zuidahua提升錨定強度，避免微針發生非預期脫落。實驗所用創面敷料模型由質量分數為 5% 的瓊脂糖水凝膠制成，其硬度與彈性模量與市售水膠體敷料高度匹配，由此構建出具有生理相關性的測試環境。此外，該水凝膠具備透明特性，可在微針刺入與拔出的全過程中，對倒刺與敷料的相互作用進行實時直觀觀察。上述獨特優勢使瓊脂糖成為微針生物力學性能測試領域的金標準材料。

實驗結果揭示出多項關鍵的力學作用機制（圖 2b–d）。首先，微針的刺入力與拔出力均與倒刺角度呈顯著正相關。隨著倒刺角度增大，接觸面積隨之增加，進而導致刺入阻力上升，但微針與瓊脂糖敷料間的機械互鎖作用也隨之增強，錨定強度因此得到提升。值得注意的是，過大的倒刺角度會在刺入過程中造成水凝膠發生嚴重形變，往往會引發針尖損壞或敷料撕裂的問題?；谏鲜鲅芯拷Y果，45° 倒刺角度被確定為后續研究的zuiyou設計方案，該角度能夠實現良好的性能平衡：刺入力可維持在較低水平，zuida限度減輕患者不適感；同時拔出力足以保障微針在長期佩戴過程中實現穩定錨定。

除倒刺角度外，增加倒刺數量與結構層數可進一步提升微針的附著強度。這一性能提升的原因在于，倒刺數量增多和層數增加會帶來更多的錨定位點，同時擴大倒刺與瓊脂糖之間的接觸界面，從而使機械載荷分布得更加均勻，zuida限度減少局部剪切失效的發生?；诖?，本研究采用每層設置 6 個 45° 倒刺的雙層結構作為后續實驗的標準構型。

本次結構優化構建出一套適用于長期連續生物信號監測的高穩定性微針系統。憑借微針的穩固錨定作用，該系統不僅能降低傳感器漂移現象的發生，還可省去頻繁重新敷貼的操作步驟，進而減輕患者負擔并降低感染風險。綜上，經優化后的 3D 打印帶倒刺微針（3D-BMN）兼具臨床實用性與力學可靠性。

圖2 3D-BMN的力學性能。a  力學性能測試裝置示意圖 b  不同倒刺角度微針的應力 - 位移曲線 c  不同倒刺數量微針的應力 - 位移曲線 d  不同倒刺層數微針的應力 - 位移曲線

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