仿生低阻力醫(yī)用縫合針設(shè)計(jì)與刺穿過程的數(shù)值模擬

潘 盼，彭培英，王立新

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

醫(yī)用縫合針能夠有效避免軟組織傷口愈合期間的崩裂[1]，但縫合過程中的刺穿阻力會使軟組織產(chǎn)生不同程度的損傷，且刺穿阻力越大損傷程度越高[2]，因此降低刺穿阻力對軟組織傷口的快速愈合比較重要。已有研究表明，醫(yī)用縫合針縫合軟組織時(shí)產(chǎn)生的刺穿阻力包括針尖對軟組織的切割力、針體與軟組織間的摩擦阻力等，故減小切割力與摩擦阻力均可使刺穿阻力降低[3-4]?；诮档痛檀┳枇Φ囊鈭D，已有研究把醫(yī)用縫合針的針尖/針體形貌結(jié)構(gòu)特征、刺入方式等作為影響因素，分析其對刺穿阻力的調(diào)控機(jī)制。醫(yī)用縫合針的針尖形貌結(jié)構(gòu)可顯著影響刺穿軟組織時(shí)的切割力，即隨著針尖錐度的增大而減小，圓錐形針尖可產(chǎn)生相對更低的切割力[5]。針體結(jié)構(gòu)特征亦可影響刺穿阻力，截面直徑減小或曲率半徑增大能夠?qū)е麓檀┳枇︼@著降低[6]。此外，醫(yī)用縫合針的刺入方式也是影響刺穿阻力的關(guān)鍵因素，測試結(jié)果顯示刺穿阻力隨刺入速度增大或刺入角度減小而顯著降低[4]。上述研究在宏觀形貌結(jié)構(gòu)、刺入方式等方面明確了醫(yī)用縫合針刺穿阻力的降低規(guī)律，但未有針尖形貌結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)、針體表面設(shè)置非光滑結(jié)構(gòu)等方面的研究，其或可對刺穿阻力尤其是摩擦阻力的降低產(chǎn)生積極作用。

現(xiàn)階段，動植物體表因具有非光滑結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)的低摩擦阻力特性，已普遍應(yīng)用于輸送機(jī)減摩、農(nóng)耕犁壁抗黏、車身降阻等機(jī)械工程領(lǐng)域[7-10]，并逐漸擴(kuò)展至醫(yī)療器械領(lǐng)域[11-12]。已有研究將因具有菱形凹坑結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)低摩擦阻力特性的鯊魚皮膚作為仿生原型，在髖關(guān)節(jié)表面設(shè)置仿鯊魚皮膚的非光滑結(jié)構(gòu)并定量分析其對摩擦阻力的影響規(guī)律，獲取摩擦阻力降低效果最佳時(shí)的非光滑結(jié)構(gòu)特征信息[13-14]。為減輕醫(yī)用注射針刺入軟組織產(chǎn)生的痛感，將能輕易刺穿動植物體表的蚊子、蟬、蜜蜂等昆蟲的口器或鰲針作為仿生原型，在針體表面設(shè)置條紋、鋸齒或凹坑等非光滑結(jié)構(gòu)，可使刺穿阻力降低43.2%[15-16]。將昆蟲口器或鰲針作為低阻力醫(yī)用穿刺針的仿生原型，設(shè)置的非光滑結(jié)構(gòu)可使醫(yī)用穿刺針的刺穿阻力顯著降低[4,17]。上述研究基于仿生原型的形貌結(jié)構(gòu)能降低摩擦阻力的原理，在注射針、穿刺針等醫(yī)療器械表面設(shè)置非光滑結(jié)構(gòu)，可減少針體與軟組織間的接觸面積并能因蓄留空氣或軟組織體液而形成潤滑膜層，降低刺穿阻力，但這些研究未涉及醫(yī)用縫合針。

本文基于實(shí)現(xiàn)醫(yī)用縫合針低刺穿阻力縫合皮膚軟組織的目的，構(gòu)建低阻力醫(yī)用縫合針仿生模型，采用LS-DYNA軟件與庫倫摩擦模型對仿生低阻力醫(yī)用縫合針刺穿皮膚軟組織過程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用數(shù)控精細(xì)加工技術(shù)制備低阻力醫(yī)用縫合針并進(jìn)行刺穿阻力測試。

1 低阻力醫(yī)用縫合針仿生建模

1.1 仿生原型形貌結(jié)構(gòu)觀測與特征參數(shù)提取

低阻力醫(yī)用縫合針的針尖錐度/半徑與針體曲率的設(shè)計(jì)靈感來源于鼠李科植物酸棗樹(Ziziphusjujube)鉤刺(直刺、彎鉤刺，見圖1)，其直刺呈直錐形且刺尖指向天空以抵御飛鳥對果實(shí)的啄食，彎鉤刺呈彎鉤形且刺尖指向樹干，可阻止嚙齒動物對果實(shí)的啃咬，這源于刺尖具有能輕易刺穿動物體表的功能。為獲取鉤刺的形貌結(jié)構(gòu)特征信息，對采集于河北省石家莊市西部山區(qū)的直刺(長度13.1±1.5 mm，n=20)和彎鉤刺(長度7.6±0.5 mm，n=20)進(jìn)行清洗、干燥與噴鍍(Bal-Te SCD005，瑞典)，利用掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800，日本)進(jìn)行觀測并保存圖像。

圖1 酸棗樹鉤刺形貌結(jié)構(gòu)

如圖1所示，酸棗樹的直刺與彎鉤刺均由刺尖、刺體與刺基等3部分構(gòu)成，刺尖呈直錐形貌且其尖端為半球形，刺體表面光滑。為獲取用于低阻力醫(yī)用縫合針仿生構(gòu)建的針尖錐度/半徑、針體曲率等信息，將彎鉤刺的掃描電鏡圖像導(dǎo)入基于Matlab軟件編寫的圖像分析處理程序，提取其形貌結(jié)構(gòu)特征信息：刺尖半徑(53.4±1.2) μm、刺尖錐度(1∶10.5)±(1∶0.7)、刺體曲率半徑(32.5±1.7) mm，n=20。以刺尖為坐標(biāo)原點(diǎn)建立xoy坐標(biāo)系，提取刺尖、刺體的邊界坐標(biāo)點(diǎn)并將其擬合成曲線方程，如下所示：

ya=0.135x2+0.311x， 0≤x≤5.7，

(1)

yb=0.104x2+0.207x， 0≤x≤4.2，

(2)

yc=0.210x2+0.125x-1.377， 5.7

(3)

yd=0.085x2+0.056x+0.969， 4.2

(4)

式中：ya，yb，yc，yd分別為刺尖上邊界、刺尖下邊界、刺體上邊界、刺體下邊界的曲線方程，擬合優(yōu)度R2分別為0.987，0.975，0.963，0.979。

1.2 低阻力醫(yī)用縫合針仿生模型構(gòu)建

依據(jù)仿生工程學(xué)原理構(gòu)建低阻力醫(yī)用縫合針仿生模型，包括針尖、針體、針尾等3部分。刺尖所具有的形貌結(jié)構(gòu)特征是彎鉤刺能輕易刺入動物體表的關(guān)鍵，故依據(jù)其錐度/半徑、上下邊界曲線方程(ya,yb)構(gòu)建低阻力醫(yī)用縫合針的針尖(半徑53.4 μm，錐度1∶10.5)；彎鉤刺的刺體具有較大的截面直徑，在刺穿過程中可提升軟組織撕裂損傷的風(fēng)險(xiǎn)，故修正其邊界曲線方程(yc,yd)使截面直徑等于刺尖末端的截面直徑，據(jù)此形成低阻力醫(yī)用縫合針針體的邊界曲線方程(yc′,yd′)；針體末端設(shè)置橢圓形針孔，以避免縫合過程中縫合線脫離。

關(guān)于無痛注射針的研究表明，實(shí)現(xiàn)其減阻功效的措施并非是改變針體原有尺寸，而是基于蚊子、蟬、蜜蜂的口器或螯針的微形貌結(jié)構(gòu)將針體表面構(gòu)型成波紋、凹坑和凹槽等非光滑結(jié)構(gòu)，以此減小針體與人體軟組織間的刺穿阻力進(jìn)而降低疼痛感?；谠O(shè)置非光滑結(jié)構(gòu)可降低刺穿阻力的機(jī)理，本文在仿生醫(yī)用縫合針針體表面構(gòu)建非光滑結(jié)構(gòu)，即6條直徑分別為80，100，120，140和160 μm的豎條紋凹槽，共形成5種仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針(見圖2)。此外，對現(xiàn)階段普遍使用的醫(yī)用縫合針(3/8弧，針尖錐度(1∶7.6)±(1∶0.3)、針尖半徑(65.7±1.8) μm、針體曲率半徑(24.0±0.18) mm，n=10)的針尖錐度、半徑進(jìn)行優(yōu)化，分別設(shè)計(jì)為1∶10.5和53.4 μm；同時(shí)針體表面設(shè)置6條豎條紋凹槽，直徑依次為80，100，120，140和160 μm，據(jù)此形成5種仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針(見圖3)。JIANG等[5]研究發(fā)現(xiàn)，針尖錐度越小其刺穿軟組織瞬間產(chǎn)生的刺穿阻力越低，酸棗樹彎鉤刺刺尖錐度小于現(xiàn)有醫(yī)用縫合針針尖錐度，故未構(gòu)建具有現(xiàn)有醫(yī)用縫合針針尖錐度的醫(yī)用縫合針三維模型，只對具有不同針體形貌結(jié)構(gòu)的仿酸棗樹彎鉤刺刺尖錐度的醫(yī)用縫合針進(jìn)行刺穿過程對比分析。

圖2 仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針

圖3 仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針

2 刺穿過程的數(shù)值模擬

刺穿阻力的準(zhǔn)確獲取是驗(yàn)證仿生低阻力醫(yī)用縫合針功效的關(guān)鍵，但易因患者情緒緊張(軟組織緊繃)而導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確，且刺穿試驗(yàn)不能直觀呈現(xiàn)針體周圍軟組織的應(yīng)力，故需進(jìn)行仿生低阻力醫(yī)用縫合針刺穿膚軟組織過程的數(shù)值模擬。采用ANSYS軟件對仿生模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并利用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[18-20]，基于庫倫摩擦模型分析數(shù)值模擬結(jié)果，以獲取應(yīng)力、刺穿阻力等信息。

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

2.1.1 材料屬性設(shè)置

為避免皮膚軟組織在縫合過程中受到額外損傷，醫(yī)用縫合針應(yīng)具有較小的截面直徑與較高的抗彎強(qiáng)度，以確保刺穿過程不易發(fā)生彎曲變形。在數(shù)值模型中，將仿生低阻力醫(yī)用縫合針設(shè)置為剛體并賦予其MAT RIGID材料，主要參數(shù)如表1所示。以皮膚軟組織為刺穿對象，其具有與橡膠基本相同的超彈性、不可壓縮性、非均勻性等材料屬性，故將橡膠的材料特性參數(shù)賦予皮膚軟組織。

表1 低阻力醫(yī)用縫合針與皮膚軟組織的材料特性參數(shù)

刺穿過程中皮膚軟組織將遭受破壞，故將其設(shè)置為包含彈塑性與應(yīng)變失效的本構(gòu)模型(MAT ELASTIC模型)且長度40 mm、寬度40 mm、厚度10 mm的長方體。

2.1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分是確保數(shù)值模擬精確度的關(guān)鍵，將仿生低阻力醫(yī)用縫合針與皮膚軟組織的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將針尖與豎條紋凹槽劃分成四面體單元并進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以提升數(shù)值模擬的精確度。為兼顧精確度與計(jì)算用時(shí)，將皮膚軟組織劃分成六面體單元(見圖4 a)、圖5 a))。

圖4 仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針刺穿過程數(shù)值模擬

圖5 仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針刺穿過程數(shù)值模擬

仿生低阻力醫(yī)用縫合針與皮膚軟組織具有不同的網(wǎng)格單元類型和材料屬性，將其分別定義為PART-1與PART-2；刺穿過程涉及接觸非線性問題且皮膚軟組織發(fā)生材料失效，故針尖/針體與皮膚軟組織的接觸類型設(shè)置為比較適用于實(shí)體單元穿透表面導(dǎo)致失效的侵蝕接觸。仿生低阻力醫(yī)用縫合針朝向皮膚軟組織移動的速度設(shè)置為100 mm/s，將針尖臨界接觸皮膚軟組織的時(shí)刻設(shè)置為t=0 s，模擬總時(shí)間為0.4 s。

2.2 結(jié)果及分析

2.2.1 刺穿過程的應(yīng)力分析

基于上述設(shè)置的材料屬性、邊界條件與初始條件，采用LS-DYNA軟件對仿生低阻力醫(yī)用縫合針刺穿皮膚軟組織過程進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果導(dǎo)入LS-DYNA軟件的LS-PREPOST后處理程序分析獲取皮膚軟組織應(yīng)力、刺穿阻力等信息，用以定量表征低阻力醫(yī)用縫合針的仿生功效。

對于仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針，皮膚軟組織遭受表面光滑針體、豎條紋凹槽針體刺穿時(shí)的應(yīng)力云圖分別如圖4 b)、圖4 c)所示。針尖臨界刺入皮膚軟組織時(shí)，其周圍區(qū)域應(yīng)力較大；針尖完全刺入皮膚軟組織時(shí)，其周圍區(qū)域的應(yīng)力顯著降低。臨界刺穿前針尖施加給皮膚軟組織的正壓力隨著針尖朝向皮膚軟組織的移動而持續(xù)增大，當(dāng)增大至能夠?qū)е缕つw軟組織失效即遭受針尖臨界刺入時(shí)，該正壓力急劇下降，從而使應(yīng)力顯著降低。在針尖刺入皮膚軟組織的t=0.1 s時(shí)刻，針體表面光滑、設(shè)置豎條紋凹槽的仿生低阻力醫(yī)用縫合針對皮膚軟組織產(chǎn)生相近的最大應(yīng)力(6.75和6.50 kPa)，這源于2類低阻力醫(yī)用縫合針具有相同針尖錐度/半徑，對皮膚軟組織的作用效果相同。針體刺入皮膚軟組織后的t=0.15 s時(shí)刻，豎條紋凹槽針體對皮膚軟組織的最大應(yīng)力(4.29 kPa)低于表面光滑針體對皮膚軟組織的最大應(yīng)力(4.69 kPa)，表明豎條紋凹槽可有效降低針體周壁對皮膚軟組織的擠壓程度。

對于仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針，皮膚軟組織遭其刺穿時(shí)的應(yīng)力云圖分別如圖5 b)、圖5 c)所示。在針尖刺入皮膚軟組織的t=0.1 s時(shí)刻，針體表面光滑、設(shè)置豎條紋凹槽的仿生低阻力醫(yī)用縫合針對皮膚軟組織產(chǎn)生的應(yīng)力(7.59和7.46 kPa)相近，這源于2類低阻力醫(yī)用縫合針的針尖錐度/半徑均相等，對皮膚軟組織的作用效果基本相同。針體刺入皮膚軟組織的t=0.15 s時(shí)刻，豎條紋凹槽針體對皮膚軟組織產(chǎn)生的最大應(yīng)力(3.25 kPa)低于表面光滑針體對皮膚軟組織產(chǎn)生的最大應(yīng)力(4.12 kPa)，預(yù)示豎條紋凹槽可有效抑制針體周壁對皮膚軟組織的擠壓破壞。

為準(zhǔn)確獲取針體表面豎條紋凹槽對刺穿過程皮膚軟組織應(yīng)力的影響，以t=0.15 s為起始點(diǎn)采集(采樣頻率40 Hz，采樣總數(shù)11)應(yīng)力數(shù)據(jù)并計(jì)算其均值，針體具有不同形貌結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)力如圖6所示。仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針刺穿皮膚軟組織時(shí)，與光滑表面(豎條紋凹槽直徑0 μm)相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可使皮膚軟組織應(yīng)力由3.15 kPa降至2.38～2.80 kPa，且應(yīng)力隨針體表面豎條凹槽直徑的增加(80，100，120，140，160 μm)呈先減后增的趨勢(2.80±0.21，2.66±0.27，2.38±0.19，2.56±0.31，2.91±0.23 kPa)。由上述結(jié)果可知，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可顯著降低仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針刺穿過程皮膚軟組織的應(yīng)力，豎條紋凹槽直徑為120 μm時(shí)降低效果最明顯。

圖6 刺穿過程的皮膚軟組織應(yīng)力

對于仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針，與光滑表面(豎條紋凹槽直徑0 μm)相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可使皮膚軟組織應(yīng)力由3.76 kPa降至2.76～3.28 kPa，且應(yīng)力隨針體表面豎條凹槽直徑的增加(80，100，120，140，160 μm)呈先減后增的趨勢(3.28±0.34，2.92±0.18，2.76±0.22，3.08±0.32，3.18±0.29 kPa)。故針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可顯著降低刺穿過程皮膚軟組織應(yīng)力，直徑為120 μm時(shí)應(yīng)力降低程度最高。

綜合分析圖6可知，皮膚軟組織應(yīng)力亦受針體曲率的影響。所構(gòu)建的低阻力醫(yī)用縫合針(仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率、仿刺尖錐度/半徑)具有相同的針尖錐度/半徑與針體非光滑結(jié)構(gòu)(豎條紋凹槽)，差異在于針體曲率半徑(32.5和24.0 mm)。豎條紋凹槽直徑分別為80，100，120，140，160 μm時(shí)，仿刺體曲率低阻力醫(yī)用縫合針可使刺穿過程的皮膚軟組織應(yīng)力降低8.49%～16.88%，預(yù)示增大針體曲率半徑可進(jìn)一步降低應(yīng)力。

2.2.2 刺穿阻力分析

低阻力醫(yī)用縫合針刺穿皮膚軟組織產(chǎn)生的刺穿阻力是定量表征仿生功效的關(guān)鍵。在LS-DYNA的DATABASE_OPTION界面勾選“RCFORC”即可進(jìn)行刺穿阻力的計(jì)算，計(jì)算過程采用Lagrange算法。首先根據(jù)Lagrange算法的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程可獲取軟組織各單元變形前后的坐標(biāo)點(diǎn)及位移，從而能夠獲取單元的速度與加速度，再根據(jù)動量守恒方程與能量守恒方程計(jì)算出針尖/針體施加在各單元上的力，最終將該力相加可獲取針尖/針體施加在皮膚軟組織上的力，即為刺穿阻力。

針尖臨界刺入皮膚軟組織前，刺穿阻力急劇增大，達(dá)到峰值時(shí)刻預(yù)示針尖臨界刺入皮膚軟組織；針尖刺穿皮膚軟組織后，刺穿阻力由針尖對皮膚軟組織的切割力和針體與皮膚軟組織間的摩擦阻力構(gòu)成，此時(shí)摩擦阻力由刺穿前的靜摩擦力轉(zhuǎn)為滑動摩擦力，故刺穿阻力急劇下降并在t=0.15 s(針體刺入皮膚軟組織)后趨于穩(wěn)定。以t=0.15 s為起始點(diǎn)采集(采樣頻率40 Hz，采樣總數(shù)11)刺穿阻力數(shù)據(jù)并計(jì)算其均值。所構(gòu)建的仿生低阻力醫(yī)用縫合針皆具有相同的針尖錐度/半徑，故具有相近的刺穿阻力峰值(11.55～12.47 N，見圖7 a))；與光滑表面相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可使刺穿阻力由3.30 N降至1.37～2.17 N；豎條紋凹槽直徑不同亦會導(dǎo)致刺穿阻力呈現(xiàn)顯著差異，直徑為120 μm時(shí)刺穿阻力相對最低(1.37±0.18 N，n=11)。

圖7 仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力與減阻率

為進(jìn)一步定量表征仿生功效，計(jì)算刺穿阻力的降低程度，即減阻率，見式(8)。

λ=(FS-Fvsj)/FS，

(8)

式中：FS，F(xiàn)vsj分別為針體表面光滑、設(shè)置豎條紋凹槽的仿生低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力平均值；λ為減阻率。如圖7所示，隨著豎條紋凹槽直徑增加(80，100，120，140，160 μm)，刺穿阻力呈現(xiàn)先減后增趨勢(2.17±0.15，2.07±0.21，1.37±0.18，2.01±0.18，2.05±0.14 N，n=11)；相對于針體表面光滑仿生低阻力醫(yī)用縫合針(3.30±0.21 N，n=11)的減阻率呈現(xiàn)先增后減趨勢，依次為34.24%，37.27%，58.48%，39.09%，37.88%。因此，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可顯著降低仿生低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力，直徑為120 μm時(shí)的減阻率相對最高(58.48%)。

仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針刺穿皮膚軟組織的刺穿阻力、減阻率如圖8所示。該類仿生低阻力醫(yī)用縫合針均具有相同的針尖錐度/半徑，故其臨界刺入皮膚軟組織時(shí)刻的刺穿阻力具有相近的峰值(11.85～12.67 N)；隨著針尖/針體刺入皮膚軟組織，刺穿阻力急劇降低并在t=0.15 s后趨于穩(wěn)定(見圖8 a))。與光滑表面相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可使刺穿阻力由3.47 N降至1.74～2.42 N；豎條紋凹槽直徑不同亦會導(dǎo)致刺穿阻力的顯著差異，直徑為120 μm時(shí)刺穿阻力相對最低(1.74±0.22 N，n=11)。如圖8 b)所示，隨著豎條紋凹槽直徑增加(80，100，120，140，160 μm)，刺穿阻力呈現(xiàn)先減后增趨勢(2.42±0.09，2.20±0.15，1.74±0.22，2.22±0.17，2.33±0.21 N，n=11)；相對于針體表面光滑仿生低阻力醫(yī)用縫合針(3.47±0.17 N，n=11)的減阻率呈現(xiàn)先增后減趨勢，依次為30.26%，36.60%，49.86%，36.02%，32.85%。對于仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可顯著降低刺穿阻力，直徑為120 μm時(shí)的減阻率相對最高(49.86%)。

圖8 仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力與減阻率

綜合分析圖7、圖8可知，針體曲率亦可影響刺穿阻力。所構(gòu)建的低阻力醫(yī)用縫合針(仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率、仿刺尖錐度/半徑)具有相同的針尖錐度/半徑與針體非光滑結(jié)構(gòu)(豎條紋凹槽)，差異在于針體曲率半徑(32.5和24.0 mm)。豎條紋凹槽直徑分別為80，100，120，140，160 μm時(shí)，仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力明顯低于仿刺尖錐度/半徑低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力(減阻率高4.90%～21.26%)，表明與現(xiàn)有醫(yī)用縫合針針體曲率半徑(24.0 mm)相比，仿酸棗樹彎鉤刺刺體曲率半徑(32.5 mm)可使醫(yī)用縫合針刺穿阻力降低。

3 刺穿阻力測試及減阻機(jī)制分析

3.1 測試材料與方法

醫(yī)用縫合針應(yīng)同時(shí)具備較小截面直徑與較高的抗彎強(qiáng)度以確保其刺穿軟組織過程不易產(chǎn)生彎曲變形，且其針尖經(jīng)多次刺穿軟組織后應(yīng)仍保持尖銳以確保其可輕易刺穿軟組織。304不銹鋼具有較高的抗彎強(qiáng)與優(yōu)良的耐磨特性，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)用縫合針制備，故采用304不銹鋼制備仿生低阻力醫(yī)用縫合針，并將304不銹鋼棒料裝夾于走心機(jī)(SZ-207，碩方公司，中國)主軸進(jìn)行切削加工。首先是仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針，其主要參數(shù)為針尖錐度1∶10.5、針尖半徑53.4 μm、曲率半徑32.5 mm、針體截面直徑1.2 mm，針體表面設(shè)置的6條豎條紋凹槽(直徑100，120，140 μm)，據(jù)此形成3種仿生樣件(見圖9)。然后是仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針，其主要參數(shù)為針尖錐度1∶10.5、針尖半徑53.4 μm、曲率半徑24.0 mm、針體截面直徑1.2 mm，針體表面設(shè)置的6條豎條紋凹槽(直徑100，120，140 μm)，據(jù)此形成3種仿生樣件(見圖10)。

圖9 仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針

圖10 仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針

帶皮豬肉的力學(xué)特性(泊松比0.45～0.50、彈性模型100 MPa、密度0.975 g/cm3)與人體皮膚軟組織的相似(泊松比0.48、彈性模型109 MPa、密度0.938 g/cm3)，已用于醫(yī)學(xué)試驗(yàn)[21-22]。故將其制成尺寸為40 mm ×40 mm ×10 mm的樣本，隨后利用筆者所在課題組自行研制的仿生原型毫-微牛級二維力測試系統(tǒng)進(jìn)行刺穿阻力測試[23]。

3.2 測試結(jié)果與分析

為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對每種低阻力醫(yī)用縫合針進(jìn)行3次測量并獲取統(tǒng)計(jì)值，以呈現(xiàn)刺穿阻力的變化趨勢。仿生低阻力醫(yī)用縫合針刺入帶皮豬肉產(chǎn)生的刺穿阻力如圖11 a)所示，針尖臨界刺入帶皮豬肉時(shí)刻(t=22 s)，刺穿阻力達(dá)到峰值；隨著針尖刺入帶皮豬肉，刺穿阻力急劇降低并趨于穩(wěn)定。t=28 s時(shí)刻針體開始刺入帶皮豬肉，以此時(shí)刻為起點(diǎn)采集刺穿阻力數(shù)據(jù)(采樣頻率100 Hz，采樣總數(shù)1 200)并對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力統(tǒng)計(jì)值如圖11 b)所示，與光滑表面(豎條紋凹槽直徑0 μm)相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可使刺穿阻力降低31.84%～43.02%，豎條紋凹槽直徑不同導(dǎo)致刺穿阻力呈現(xiàn)差異并在120 μm時(shí)呈現(xiàn)相對最低值，減阻率為43.02%。

圖11 仿生低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力

仿刺尖錐度/半徑低阻力醫(yī)用縫合針的刺穿阻力統(tǒng)計(jì)值如圖11 c)所示，與現(xiàn)階段普遍使用的醫(yī)用縫合針(3/8弧，曲率半徑24.0 mm，針體表面光滑)相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可使刺穿阻力降低27.46%～40.93%，豎條紋凹槽直徑不同會導(dǎo)致刺穿阻力呈現(xiàn)差異并在120 μm時(shí)呈現(xiàn)相對最低值，減阻率為40.93%。

綜合分析圖11 b)、圖11 c)可知，針體曲率亦是影響刺穿阻力的重要因素。所制備的2類(仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率、仿刺尖錐度/半徑)低阻力醫(yī)用縫合針具有相同的針尖錐度/半徑與針體非光滑結(jié)構(gòu)(豎條紋凹槽)，其差異在于針體曲率半徑(32.5 mm和24.0 mm)。豎條紋凹槽直徑分別為100，120，140 μm時(shí)，仿刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針可使減阻率達(dá)到7.25%～17.86%，表明與現(xiàn)有醫(yī)用縫合針針體曲率半徑(24.0 mm)相比，酸棗樹彎鉤刺的刺體曲率可使醫(yī)用縫合針刺穿阻力降低。

由以上結(jié)果可知，仿生低阻力醫(yī)用縫合針刺穿過程的刺穿阻力測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，即減阻率隨豎條紋凹槽直徑的增大呈先增后減趨勢，且直徑為120 μm時(shí)刺穿阻力降低程度最高，表明所構(gòu)建的仿生低阻力醫(yī)用縫合針有減阻功效。

3.3 仿生低阻力醫(yī)用縫合針減阻機(jī)理分析

通過在針體表面設(shè)置非光滑結(jié)構(gòu)(鋸齒、條紋、凹坑)降低刺穿阻力已普遍應(yīng)用于無痛注射針研制[24-25]，其減阻機(jī)理源于非光滑結(jié)構(gòu)能夠降低針體周壁與皮膚軟組織間接觸面積[4,26]，并能蓄留空氣以在針體周壁與皮膚軟組織間形成空氣潤滑[11,27-28]；更為重要的是，非光滑結(jié)構(gòu)可使軟組織體液在其內(nèi)部蓄留、流動并蔓延至針體周壁以產(chǎn)生潤滑膜層，導(dǎo)致刺穿阻力顯著降低[29-30]。

本文研制的2類仿生(仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率、仿刺尖錐度/半徑)低阻力醫(yī)用縫合針，其針尖錐度/半徑(1∶10.5，53.4 μm)均小于現(xiàn)有醫(yī)用縫合針的針尖錐度/半徑(1∶7.6，65.7 μm)，這使針尖更容易刺入皮膚軟組織。為定性分析刺穿過程醫(yī)用縫合針減阻機(jī)理，結(jié)合數(shù)值模擬與刺穿阻力測試結(jié)果繪制軟組織形變的示意圖(見圖12)。與光滑表面相比，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽能夠有效降低其刺穿皮膚軟組織過程的刺穿阻力，其減阻機(jī)理相似于無痛注射針的減阻機(jī)理。豎條紋凹槽結(jié)構(gòu)大小的針體刺穿軟組織時(shí)，凹槽內(nèi)部空氣逸出速度與軟組織體液逸出量存在差異，故刺穿阻力的降低程度亦有差異。過小的豎條紋凹槽將會造成針體刺入軟組織時(shí)其凹槽內(nèi)部蓄留的空氣無法及時(shí)逸出，致使針體與軟組織間接觸面積減??；同時(shí)將會限制軟組織體液的溢出，從而不能在針體周壁形成連續(xù)的潤滑膜層，最終導(dǎo)致刺穿阻力降低程度變小。適中的豎條紋凹槽(凹槽直徑120 μm)可使針體刺入軟組織時(shí)其凹槽內(nèi)部蓄留的空氣迅速逸出，利于軟組織體液在凹槽區(qū)域蔓延并溢至針體周壁以形成連續(xù)的潤滑膜層，減少軟組織與針體周壁接觸面積的同時(shí)起到良好的潤滑功效，從而呈現(xiàn)較大的刺穿阻力降低程度。過大的豎條紋凹槽易導(dǎo)致軟組織陷入凹槽內(nèi)部而增大接觸面積，同時(shí)難以讓軟組織體液浸滿而在針體周壁不能形成連續(xù)的潤滑膜層，最終產(chǎn)生較小的刺穿阻力降低程度。

圖12 刺穿過程軟組織形變的示意圖

4 結(jié) 論

基于工程仿生學(xué)原理，以鼠李科植物酸棗樹(Ziziphusjujube)彎鉤刺的刺尖錐度/半徑與刺體曲率為設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建醫(yī)用縫合針三維模型并在針體表面設(shè)置豎條紋凹槽，獲取2類(仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率、仿刺尖錐度/半徑)低阻力醫(yī)用縫合針的仿生模型，得到結(jié)論如下。

1)對仿生低阻力醫(yī)用縫合針刺穿皮膚軟組織過程進(jìn)行數(shù)值模擬，仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率低阻力醫(yī)用縫合針的針體設(shè)置豎條紋凹槽可使軟組織應(yīng)力由3.15 kPa降至2.38～2.80 kPa，并可導(dǎo)致刺穿阻力降低34.24%～58.48%；對于仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針，針體表面設(shè)置豎條紋凹槽可將軟組織應(yīng)力由3.76 kPa降至2.76～3.28 kPa，使刺穿阻力降低30.26%～49.86%。

2)基于數(shù)控精細(xì)加工技術(shù)制備低阻力醫(yī)用縫合針并進(jìn)行刺穿阻力測試，結(jié)果表明，仿刺尖錐度/半徑與刺體曲率的低阻力醫(yī)用縫合針可使刺穿阻力降低31.84%～43.02%，仿刺尖錐度/半徑的低阻力醫(yī)用縫合針可使刺穿阻力降低27.46%～40.93%。

3)源于數(shù)值模擬與試驗(yàn)測試的結(jié)果均表明，減阻率隨豎條紋凹槽直徑的增大呈先增后減趨勢，且直徑為120 μm時(shí)刺穿阻力降低程度最高。豎條紋凹槽利于軟組織體液蔓延并溢至針體周壁，形成連續(xù)的潤滑膜層，在減少軟組織與針體周壁接觸面積的同時(shí)起到良好的潤滑功效。

本文僅從數(shù)值模擬方面明確了形貌結(jié)構(gòu)特征對醫(yī)用縫合針刺穿阻力的影響機(jī)制，后續(xù)研究需開展全面測試，以獲取低阻力醫(yī)用縫合針的仿生設(shè)計(jì)原理與具體設(shè)計(jì)參數(shù)。