近日，電子科技大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院研究人員在國際期刊《Microsystems & Nanoengineering》（IF：9.9）發(fā)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(zhì)構(gòu)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(chuàng)面是一項(xiàng)重大的quanqiu性醫(yī)療健康負(fù)擔(dān)，亟需能夠兼顧創(chuàng)面持續(xù)監(jiān)測與按需治療干預(yù)的一體化解決方案。本研究提出了兩種器件 —— 用于創(chuàng)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(shù)制備而成。該帶倒刺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感源于蜜蜂螫針等自然界的倒刺構(gòu)造，其幾何形態(tài)實(shí)現(xiàn)了穿刺效率與機(jī)械互鎖性能的平衡，可穩(wěn)固錨定在創(chuàng)面敷料上。經(jīng)氯化銀 / 銀（Ag/AgCl）與金納米顆粒（AuNPs）導(dǎo)電化處理后，器件具備優(yōu)異的電化學(xué)性能，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測與創(chuàng)面愈合狀態(tài)密切相關(guān)的阻抗信號。3D-BHMN 集成了超聲霧化器，以實(shí)現(xiàn)高效藥物遞送。研究將 3D-BMN 與 3D-BHMN 耦合，構(gòu)建出一套閉環(huán)反饋系統(tǒng)；該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)傳感的、與創(chuàng)面動(dòng)態(tài)愈合狀態(tài)匹配的阻抗數(shù)值，調(diào)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(dòng)了智能創(chuàng)面管理的發(fā)展，具有廣闊的轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景。

本研究將倒刺結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后整合到微針中，既能使微針牢固錨定在創(chuàng)面敷料內(nèi)，避免長期佩戴過程中發(fā)生脫落，同時(shí)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(tǒng)探究倒刺的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括倒刺角度、倒刺數(shù)量及層數(shù)）對微針刺入力與拔出力的影響，本研究采用高精度質(zhì)構(gòu)儀，以瓊脂糖基創(chuàng)面敷料模型模擬上述動(dòng)態(tài)力學(xué)作用過程（圖 2a）。瓊脂糖水凝膠是一種常用的創(chuàng)面敷料模型，可為微針力學(xué)性能的實(shí)際應(yīng)用評估提供具有生理相關(guān)性的測試平臺。

實(shí)驗(yàn)裝置搭建如下：將微針牢固安裝于質(zhì)構(gòu)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(chuàng)面敷料模型（該速度與臨床實(shí)際的刺入速率一致），直至微針wanquan刺入水凝膠內(nèi)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(jī)誤差的影響，每組實(shí)驗(yàn)條件均重復(fù)測試三次，獲取力 - 位移曲線，并基于該曲線計(jì)算得出定量的力學(xué)性能指標(biāo)。

本研究制備并測試了一系列倒刺角度、倒刺數(shù)量及層級結(jié)構(gòu)經(jīng)系統(tǒng)性調(diào)整的微針原型（圖 2b–d）。為便于實(shí)驗(yàn)觀察與可視化分析，每次僅 3D 打印一枚微針用于觀測。實(shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)是篩選出一種zuiyou倒刺結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)穿刺便捷性與錨定強(qiáng)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(shí)，zuidahua提升錨定強(qiáng)度，避免微針發(fā)生非預(yù)期脫落。實(shí)驗(yàn)所用創(chuàng)面敷料模型由質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(gòu)建出具有生理相關(guān)性的測試環(huán)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(jìn)行實(shí)時(shí)直觀觀察。上述獨(dú)特優(yōu)勢使瓊脂糖成為微針生物力學(xué)性能測試領(lǐng)域的金標(biāo)準(zhǔn)材料。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示出多項(xiàng)關(guān)鍵的力學(xué)作用機(jī)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(guān)。隨著倒刺角度增大，接觸面積隨之增加，進(jìn)而導(dǎo)致刺入阻力上升，但微針與瓊脂糖敷料間的機(jī)械互鎖作用也隨之增強(qiáng)，錨定強(qiáng)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(fā)生嚴(yán)重形變，往往會引發(fā)針尖損壞或敷料撕裂的問題。基于上述研究結(jié)果，45° 倒刺角度被確定為后續(xù)研究的zuiyou設(shè)計(jì)方案，該角度能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)拔出力足以保障微針在長期佩戴過程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定錨定。

除倒刺角度外，增加倒刺數(shù)量與結(jié)構(gòu)層數(shù)可進(jìn)一步提升微針的附著強(qiáng)度。這一性能提升的原因在于，倒刺數(shù)量增多和層數(shù)增加會帶來更多的錨定位點(diǎn)，同時(shí)擴(kuò)大倒刺與瓊脂糖之間的接觸界面，從而使機(jī)械載荷分布得更加均勻，zuida限度減少局部剪切失效的發(fā)生。基于此，本研究采用每層設(shè)置 6 個(gè) 45° 倒刺的雙層結(jié)構(gòu)作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型。

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化構(gòu)建出一套適用于長期連續(xù)生物信號監(jiān)測的高穩(wěn)定性微針系統(tǒng)。憑借微針的穩(wěn)固錨定作用，該系統(tǒng)不僅能降低傳感器漂移現(xiàn)象的發(fā)生，還可省去頻繁重新敷貼的操作步驟，進(jìn)而減輕患者負(fù)擔(dān)并降低感染風(fēng)險(xiǎn)。綜上，經(jīng)優(yōu)化后的 3D 打印帶倒刺微針（3D-BMN）兼具臨床實(shí)用性與力學(xué)可靠性。

圖2 3D-BMN的力學(xué)性能。a  力學(xué)性能測試裝置示意圖 b  不同倒刺角度微針的應(yīng)力 - 位移曲線 c  不同倒刺數(shù)量微針的應(yīng)力 - 位移曲線 d  不同倒刺層數(shù)微針的應(yīng)力 - 位移曲線

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