上海腾拔质构仪助力电子科技大学发表关于3D 打印带倒刺微针电极的期刊论文

近日，电子科技大学集成电路科学与工程学院研究人员在国际期刊《Microsystems & Nanoengineering》（IF：9.9）发表了题为“3D-printed barbed microneedle electrodes for biosensing and drug delivery in wound management"的研究性论文。在该论文中，研究人员利用上海腾拔Universal TA研究型质构仪用于测定3D 打印带倒刺微针的刺入力和拔出阻力。

慢性创面是一项重大的quanqiu性医疗健康负担，亟需能够兼顾创面持续监测与按需治疗干预的一体化解决方案。本研究提出了两种器件 —— 用于创面阻抗传感的一体式带倒刺微针（3D-BMN）和用于药物递送的带倒刺空心微针（3D-BHMN），二者均通过高精度投影微立体光刻（PμSL）3D 打印技术制备而成。该带倒刺结构的设计灵感源于蜜蜂螫针等自然界的倒刺构造，其几何形态实现了穿刺效率与机械互锁性能的平衡，可稳固锚定在创面敷料上。经氯化银 / 银（Ag/AgCl）与金纳米颗粒（AuNPs）导电化处理后，器件具备优异的电化学性能，能够精准监测与创面愈合状态密切相关的阻抗信号。3D-BHMN 集成了超声雾化器，以实现高效药物递送。研究将 3D-BMN 与 3D-BHMN 耦合，构建出一套闭环反馈系统；该系统可根据实时传感的、与创面动态愈合状态匹配的阻抗数值，调控治疗药物的按需递送。此一体化平台集诊断与治疗功能于一体，推动了智能创面管理的发展，具有广阔的转化应用前景。

本研究将倒刺结构经优化设计后整合到微针中，既能使微针牢固锚定在创面敷料内，避免长期佩戴过程中发生脱落，同时又能确保微针以极小阻力顺畅穿透敷料并刺入皮肤组织。为系统探究倒刺的各项结构参数（包括倒刺角度、倒刺数量及层数）对微针刺入力与拔出力的影响，本研究采用高精度质构仪，以琼脂糖基创面敷料模型模拟上述动态力学作用过程（图 2a）。琼脂糖水凝胶是一种常用的创面敷料模型，可为微针力学性能的实际应用评估提供具有生理相关性的测试平台。

实验装置搭建如下：将微针牢固安装于质构仪的探头之上，并垂直置于琼脂糖模型的正上方。探头以 1 毫米 / 秒的恒定速度下压创面敷料模型（该速度与临床实际的刺入速率一致），直至微针wanquan刺入水凝胶内部。随后，探头以相同速率回撤，以此测定微针的拔出阻力。为消除随机误差的影响，每组实验条件均重复测试三次，获取力 - 位移曲线，并基于该曲线计算得出定量的力学性能指标。

本研究制备并测试了一系列倒刺角度、倒刺数量及层级结构经系统性调整的微针原型（图 2b–d）。为便于实验观察与可视化分析，每次仅 3D 打印一枚微针用于观测。实验的核心目标是筛选出一种zuiyou倒刺结构方案，实现穿刺便捷性与锚定强度的平衡 —— 即在zuida限度降低穿刺阻力，以减轻患者不适感、减少组织损伤的同时，zuidahua提升锚定强度，避免微针发生非预期脱落。实验所用创面敷料模型由质量分数为 5% 的琼脂糖水凝胶制成，其硬度与弹性模量与市售水胶体敷料高度匹配，由此构建出具有生理相关性的测试环境。此外，该水凝胶具备透明特性，可在微针刺入与拔出的全过程中，对倒刺与敷料的相互作用进行实时直观观察。上述独特优势使琼脂糖成为微针生物力学性能测试领域的金标准材料。

实验结果揭示出多项关键的力学作用机制（图 2b–d）。首先，微针的刺入力与拔出力均与倒刺角度呈显著正相关。随着倒刺角度增大，接触面积随之增加，进而导致刺入阻力上升，但微针与琼脂糖敷料间的机械互锁作用也随之增强，锚定强度因此得到提升。值得注意的是，过大的倒刺角度会在刺入过程中造成水凝胶发生严重形变，往往会引发针尖损坏或敷料撕裂的问题。基于上述研究结果，45° 倒刺角度被确定为后续研究的zuiyou设计方案，该角度能够实现良好的性能平衡：刺入力可维持在较低水平，zuida限度减轻患者不适感；同时拔出力足以保障微针在长期佩戴过程中实现稳定锚定。

除倒刺角度外，增加倒刺数量与结构层数可进一步提升微针的附着强度。这一性能提升的原因在于，倒刺数量增多和层数增加会带来更多的锚定位点，同时扩大倒刺与琼脂糖之间的接触界面，从而使机械载荷分布得更加均匀，zuida限度减少局部剪切失效的发生。基于此，本研究采用每层设置 6 个 45° 倒刺的双层结构作为后续实验的标准构型。

本次结构优化构建出一套适用于长期连续生物信号监测的高稳定性微针系统。凭借微针的稳固锚定作用，该系统不仅能降低传感器漂移现象的发生，还可省去频繁重新敷贴的操作步骤，进而减轻患者负担并降低感染风险。综上，经优化后的 3D 打印带倒刺微针（3D-BMN）兼具临床实用性与力学可靠性。

图2 3D-BMN的力学性能。a  力学性能测试装置示意图 b  不同倒刺角度微针的应力 - 位移曲线 c  不同倒刺数量微针的应力 - 位移曲线 d  不同倒刺层数微针的应力 - 位移曲线

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