仿生低阻力医用缝合针设计与刺穿过程的数值模拟

潘 盼，彭培英，王立新

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

医用缝合针能够有效避免软组织伤口愈合期间的崩裂[1]，但缝合过程中的刺穿阻力会使软组织产生不同程度的损伤，且刺穿阻力越大损伤程度越高[2]，因此降低刺穿阻力对软组织伤口的快速愈合比较重要。已有研究表明，医用缝合针缝合软组织时产生的刺穿阻力包括针尖对软组织的切割力、针体与软组织间的摩擦阻力等，故减小切割力与摩擦阻力均可使刺穿阻力降低[3-4]。基于降低刺穿阻力的意图，已有研究把医用缝合针的针尖/针体形貌结构特征、刺入方式等作为影响因素，分析其对刺穿阻力的调控机制。医用缝合针的针尖形貌结构可显著影响刺穿软组织时的切割力，即随着针尖锥度的增大而减小，圆锥形针尖可产生相对更低的切割力[5]。针体结构特征亦可影响刺穿阻力，截面直径减小或曲率半径增大能够导致刺穿阻力显著降低[6]。此外，医用缝合针的刺入方式也是影响刺穿阻力的关键因素，测试结果显示刺穿阻力随刺入速度增大或刺入角度减小而显著降低[4]。上述研究在宏观形貌结构、刺入方式等方面明确了医用缝合针刺穿阻力的降低规律，但未有针尖形貌结构仿生设计、针体表面设置非光滑结构等方面的研究，其或可对刺穿阻力尤其是摩擦阻力的降低产生积极作用。

现阶段，动植物体表因具有非光滑结构而呈现的低摩擦阻力特性，已普遍应用于输送机减摩、农耕犁壁抗黏、车身降阻等机械工程领域[7-10]，并逐渐扩展至医疗器械领域[11-12]。已有研究将因具有菱形凹坑结构而呈现低摩擦阻力特性的鲨鱼皮肤作为仿生原型，在髋关节表面设置仿鲨鱼皮肤的非光滑结构并定量分析其对摩擦阻力的影响规律，获取摩擦阻力降低效果最佳时的非光滑结构特征信息[13-14]。为减轻医用注射针刺入软组织产生的痛感，将能轻易刺穿动植物体表的蚊子、蝉、蜜蜂等昆虫的口器或鳌针作为仿生原型，在针体表面设置条纹、锯齿或凹坑等非光滑结构，可使刺穿阻力降低43.2%[15-16]。将昆虫口器或鳌针作为低阻力医用穿刺针的仿生原型，设置的非光滑结构可使医用穿刺针的刺穿阻力显著降低[4,17]。上述研究基于仿生原型的形貌结构能降低摩擦阻力的原理，在注射针、穿刺针等医疗器械表面设置非光滑结构，可减少针体与软组织间的接触面积并能因蓄留空气或软组织体液而形成润滑膜层，降低刺穿阻力，但这些研究未涉及医用缝合针。

本文基于实现医用缝合针低刺穿阻力缝合皮肤软组织的目的，构建低阻力医用缝合针仿生模型，采用LS-DYNA软件与库伦摩擦模型对仿生低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织过程进行数值模拟，采用数控精细加工技术制备低阻力医用缝合针并进行刺穿阻力测试。

1 低阻力医用缝合针仿生建模

1.1 仿生原型形貌结构观测与特征参数提取

低阻力医用缝合针的针尖锥度/半径与针体曲率的设计灵感来源于鼠李科植物酸枣树(Ziziphusjujube)钩刺(直刺、弯钩刺，见图1)，其直刺呈直锥形且刺尖指向天空以抵御飞鸟对果实的啄食，弯钩刺呈弯钩形且刺尖指向树干，可阻止啮齿动物对果实的啃咬，这源于刺尖具有能轻易刺穿动物体表的功能。为获取钩刺的形貌结构特征信息，对采集于河北省石家庄市西部山区的直刺(长度13.1±1.5 mm，n=20)和弯钩刺(长度7.6±0.5 mm，n=20)进行清洗、干燥与喷镀(Bal-Te SCD005，瑞典)，利用扫描电子显微镜(Hitachi S-4800，日本)进行观测并保存图像。

图1 酸枣树钩刺形貌结构

如图1所示，酸枣树的直刺与弯钩刺均由刺尖、刺体与刺基等3部分构成，刺尖呈直锥形貌且其尖端为半球形，刺体表面光滑。为获取用于低阻力医用缝合针仿生构建的针尖锥度/半径、针体曲率等信息，将弯钩刺的扫描电镜图像导入基于Matlab软件编写的图像分析处理程序，提取其形貌结构特征信息：刺尖半径(53.4±1.2) μm、刺尖锥度(1∶10.5)±(1∶0.7)、刺体曲率半径(32.5±1.7) mm，n=20。以刺尖为坐标原点建立xoy坐标系，提取刺尖、刺体的边界坐标点并将其拟合成曲线方程，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分别为刺尖上边界、刺尖下边界、刺体上边界、刺体下边界的曲线方程，拟合优度R2分别为0.987，0.975，0.963，0.979。

1.2 低阻力医用缝合针仿生模型构建

依据仿生工程学原理构建低阻力医用缝合针仿生模型，包括针尖、针体、针尾等3部分。刺尖所具有的形貌结构特征是弯钩刺能轻易刺入动物体表的关键，故依据其锥度/半径、上下边界曲线方程(ya,yb)构建低阻力医用缝合针的针尖(半径53.4 μm，锥度1∶10.5)；弯钩刺的刺体具有较大的截面直径，在刺穿过程中可提升软组织撕裂损伤的风险，故修正其边界曲线方程(yc,yd)使截面直径等于刺尖末端的截面直径，据此形成低阻力医用缝合针针体的边界曲线方程(yc′,yd′)；针体末端设置椭圆形针孔，以避免缝合过程中缝合线脱离。

关于无痛注射针的研究表明，实现其减阻功效的措施并非是改变针体原有尺寸，而是基于蚊子、蝉、蜜蜂的口器或螯针的微形貌结构将针体表面构型成波纹、凹坑和凹槽等非光滑结构，以此减小针体与人体软组织间的刺穿阻力进而降低疼痛感。基于设置非光滑结构可降低刺穿阻力的机理，本文在仿生医用缝合针针体表面构建非光滑结构，即6条直径分别为80，100，120，140和160 μm的竖条纹凹槽，共形成5种仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针(见图2)。此外，对现阶段普遍使用的医用缝合针(3/8弧，针尖锥度(1∶7.6)±(1∶0.3)、针尖半径(65.7±1.8) μm、针体曲率半径(24.0±0.18) mm，n=10)的针尖锥度、半径进行优化，分别设计为1∶10.5和53.4 μm；同时针体表面设置6条竖条纹凹槽，直径依次为80，100，120，140和160 μm，据此形成5种仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针(见图3)。JIANG等[5]研究发现，针尖锥度越小其刺穿软组织瞬间产生的刺穿阻力越低，酸枣树弯钩刺刺尖锥度小于现有医用缝合针针尖锥度，故未构建具有现有医用缝合针针尖锥度的医用缝合针三维模型，只对具有不同针体形貌结构的仿酸枣树弯钩刺刺尖锥度的医用缝合针进行刺穿过程对比分析。

图2 仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针

图3 仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针

2 刺穿过程的数值模拟

刺穿阻力的准确获取是验证仿生低阻力医用缝合针功效的关键，但易因患者情绪紧张(软组织紧绷)而导致测试结果不准确，且刺穿试验不能直观呈现针体周围软组织的应力，故需进行仿生低阻力医用缝合针刺穿肤软组织过程的数值模拟。采用ANSYS软件对仿生模型进行网格划分并利用LS-DYNA软件进行数值模拟[18-20]，基于库伦摩擦模型分析数值模拟结果，以获取应力、刺穿阻力等信息。

2.1 数值模型构建

2.1.1 材料属性设置

为避免皮肤软组织在缝合过程中受到额外损伤，医用缝合针应具有较小的截面直径与较高的抗弯强度，以确保刺穿过程不易发生弯曲变形。在数值模型中，将仿生低阻力医用缝合针设置为刚体并赋予其MAT RIGID材料，主要参数如表1所示。以皮肤软组织为刺穿对象，其具有与橡胶基本相同的超弹性、不可压缩性、非均匀性等材料属性，故将橡胶的材料特性参数赋予皮肤软组织。

表1 低阻力医用缝合针与皮肤软组织的材料特性参数

刺穿过程中皮肤软组织将遭受破坏，故将其设置为包含弹塑性与应变失效的本构模型(MAT ELASTIC模型)且长度40 mm、宽度40 mm、厚度10 mm的长方体。

2.1.2 网格划分与边界条件设置

高质量的网格划分是确保数值模拟精确度的关键，将仿生低阻力医用缝合针与皮肤软组织的三维模型导入ANSYS软件进行网格划分。将针尖与竖条纹凹槽划分成四面体单元并进行网格加密处理，以提升数值模拟的精确度。为兼顾精确度与计算用时，将皮肤软组织划分成六面体单元(见图4 a)、图5 a))。

图4 仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针刺穿过程数值模拟

图5 仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针刺穿过程数值模拟

仿生低阻力医用缝合针与皮肤软组织具有不同的网格单元类型和材料属性，将其分别定义为PART-1与PART-2；刺穿过程涉及接触非线性问题且皮肤软组织发生材料失效，故针尖/针体与皮肤软组织的接触类型设置为比较适用于实体单元穿透表面导致失效的侵蚀接触。仿生低阻力医用缝合针朝向皮肤软组织移动的速度设置为100 mm/s，将针尖临界接触皮肤软组织的时刻设置为t=0 s，模拟总时间为0.4 s。

2.2 结果及分析

2.2.1 刺穿过程的应力分析

基于上述设置的材料属性、边界条件与初始条件，采用LS-DYNA软件对仿生低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织过程进行数值模拟，将模拟结果导入LS-DYNA软件的LS-PREPOST后处理程序分析获取皮肤软组织应力、刺穿阻力等信息，用以定量表征低阻力医用缝合针的仿生功效。

对于仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针，皮肤软组织遭受表面光滑针体、竖条纹凹槽针体刺穿时的应力云图分别如图4 b)、图4 c)所示。针尖临界刺入皮肤软组织时，其周围区域应力较大；针尖完全刺入皮肤软组织时，其周围区域的应力显著降低。临界刺穿前针尖施加给皮肤软组织的正压力随着针尖朝向皮肤软组织的移动而持续增大，当增大至能够导致皮肤软组织失效即遭受针尖临界刺入时，该正压力急剧下降，从而使应力显著降低。在针尖刺入皮肤软组织的t=0.1 s时刻，针体表面光滑、设置竖条纹凹槽的仿生低阻力医用缝合针对皮肤软组织产生相近的最大应力(6.75和6.50 kPa)，这源于2类低阻力医用缝合针具有相同针尖锥度/半径，对皮肤软组织的作用效果相同。针体刺入皮肤软组织后的t=0.15 s时刻，竖条纹凹槽针体对皮肤软组织的最大应力(4.29 kPa)低于表面光滑针体对皮肤软组织的最大应力(4.69 kPa)，表明竖条纹凹槽可有效降低针体周壁对皮肤软组织的挤压程度。

对于仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针，皮肤软组织遭其刺穿时的应力云图分别如图5 b)、图5 c)所示。在针尖刺入皮肤软组织的t=0.1 s时刻，针体表面光滑、设置竖条纹凹槽的仿生低阻力医用缝合针对皮肤软组织产生的应力(7.59和7.46 kPa)相近，这源于2类低阻力医用缝合针的针尖锥度/半径均相等，对皮肤软组织的作用效果基本相同。针体刺入皮肤软组织的t=0.15 s时刻，竖条纹凹槽针体对皮肤软组织产生的最大应力(3.25 kPa)低于表面光滑针体对皮肤软组织产生的最大应力(4.12 kPa)，预示竖条纹凹槽可有效抑制针体周壁对皮肤软组织的挤压破坏。

为准确获取针体表面竖条纹凹槽对刺穿过程皮肤软组织应力的影响，以t=0.15 s为起始点采集(采样频率40 Hz，采样总数11)应力数据并计算其均值，针体具有不同形貌结构时的应力如图6所示。仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织时，与光滑表面(竖条纹凹槽直径0 μm)相比，针体表面设置竖条纹凹槽可使皮肤软组织应力由3.15 kPa降至2.38～2.80 kPa，且应力随针体表面竖条凹槽直径的增加(80，100，120，140，160 μm)呈先减后增的趋势(2.80±0.21，2.66±0.27，2.38±0.19，2.56±0.31，2.91±0.23 kPa)。由上述结果可知，针体表面设置竖条纹凹槽可显著降低仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针刺穿过程皮肤软组织的应力，竖条纹凹槽直径为120 μm时降低效果最明显。

图6 刺穿过程的皮肤软组织应力

对于仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针，与光滑表面(竖条纹凹槽直径0 μm)相比，针体表面设置竖条纹凹槽可使皮肤软组织应力由3.76 kPa降至2.76～3.28 kPa，且应力随针体表面竖条凹槽直径的增加(80，100，120，140，160 μm)呈先减后增的趋势(3.28±0.34，2.92±0.18，2.76±0.22，3.08±0.32，3.18±0.29 kPa)。故针体表面设置竖条纹凹槽可显著降低刺穿过程皮肤软组织应力，直径为120 μm时应力降低程度最高。

综合分析图6可知，皮肤软组织应力亦受针体曲率的影响。所构建的低阻力医用缝合针(仿刺尖锥度/半径与刺体曲率、仿刺尖锥度/半径)具有相同的针尖锥度/半径与针体非光滑结构(竖条纹凹槽)，差异在于针体曲率半径(32.5和24.0 mm)。竖条纹凹槽直径分别为80，100，120，140，160 μm时，仿刺体曲率低阻力医用缝合针可使刺穿过程的皮肤软组织应力降低8.49%～16.88%，预示增大针体曲率半径可进一步降低应力。

2.2.2 刺穿阻力分析

低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织产生的刺穿阻力是定量表征仿生功效的关键。在LS-DYNA的DATABASE_OPTION界面勾选“RCFORC”即可进行刺穿阻力的计算，计算过程采用Lagrange算法。首先根据Lagrange算法的质点运动方程可获取软组织各单元变形前后的坐标点及位移，从而能够获取单元的速度与加速度，再根据动量守恒方程与能量守恒方程计算出针尖/针体施加在各单元上的力，最终将该力相加可获取针尖/针体施加在皮肤软组织上的力，即为刺穿阻力。

针尖临界刺入皮肤软组织前，刺穿阻力急剧增大，达到峰值时刻预示针尖临界刺入皮肤软组织；针尖刺穿皮肤软组织后，刺穿阻力由针尖对皮肤软组织的切割力和针体与皮肤软组织间的摩擦阻力构成，此时摩擦阻力由刺穿前的静摩擦力转为滑动摩擦力，故刺穿阻力急剧下降并在t=0.15 s(针体刺入皮肤软组织)后趋于稳定。以t=0.15 s为起始点采集(采样频率40 Hz，采样总数11)刺穿阻力数据并计算其均值。所构建的仿生低阻力医用缝合针皆具有相同的针尖锥度/半径，故具有相近的刺穿阻力峰值(11.55～12.47 N，见图7 a))；与光滑表面相比，针体表面设置竖条纹凹槽可使刺穿阻力由3.30 N降至1.37～2.17 N；竖条纹凹槽直径不同亦会导致刺穿阻力呈现显著差异，直径为120 μm时刺穿阻力相对最低(1.37±0.18 N，n=11)。

图7 仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针的刺穿阻力与减阻率

为进一步定量表征仿生功效，计算刺穿阻力的降低程度，即减阻率，见式(8)。

λ=(FS-Fvsj)/FS，

(8)

式中：FS，Fvsj分别为针体表面光滑、设置竖条纹凹槽的仿生低阻力医用缝合针的刺穿阻力平均值；λ为减阻率。如图7所示，随着竖条纹凹槽直径增加(80，100，120，140，160 μm)，刺穿阻力呈现先减后增趋势(2.17±0.15，2.07±0.21，1.37±0.18，2.01±0.18，2.05±0.14 N，n=11)；相对于针体表面光滑仿生低阻力医用缝合针(3.30±0.21 N，n=11)的减阻率呈现先增后减趋势，依次为34.24%，37.27%，58.48%，39.09%，37.88%。因此，针体表面设置竖条纹凹槽可显著降低仿生低阻力医用缝合针的刺穿阻力，直径为120 μm时的减阻率相对最高(58.48%)。

仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织的刺穿阻力、减阻率如图8所示。该类仿生低阻力医用缝合针均具有相同的针尖锥度/半径，故其临界刺入皮肤软组织时刻的刺穿阻力具有相近的峰值(11.85～12.67 N)；随着针尖/针体刺入皮肤软组织，刺穿阻力急剧降低并在t=0.15 s后趋于稳定(见图8 a))。与光滑表面相比，针体表面设置竖条纹凹槽可使刺穿阻力由3.47 N降至1.74～2.42 N；竖条纹凹槽直径不同亦会导致刺穿阻力的显著差异，直径为120 μm时刺穿阻力相对最低(1.74±0.22 N，n=11)。如图8 b)所示，随着竖条纹凹槽直径增加(80，100，120，140，160 μm)，刺穿阻力呈现先减后增趋势(2.42±0.09，2.20±0.15，1.74±0.22，2.22±0.17，2.33±0.21 N，n=11)；相对于针体表面光滑仿生低阻力医用缝合针(3.47±0.17 N，n=11)的减阻率呈现先增后减趋势，依次为30.26%，36.60%，49.86%，36.02%，32.85%。对于仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针，针体表面设置竖条纹凹槽可显著降低刺穿阻力，直径为120 μm时的减阻率相对最高(49.86%)。

图8 仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针的刺穿阻力与减阻率

综合分析图7、图8可知，针体曲率亦可影响刺穿阻力。所构建的低阻力医用缝合针(仿刺尖锥度/半径与刺体曲率、仿刺尖锥度/半径)具有相同的针尖锥度/半径与针体非光滑结构(竖条纹凹槽)，差异在于针体曲率半径(32.5和24.0 mm)。竖条纹凹槽直径分别为80，100，120，140，160 μm时，仿刺尖锥度/半径与刺体曲率低阻力医用缝合针的刺穿阻力明显低于仿刺尖锥度/半径低阻力医用缝合针的刺穿阻力(减阻率高4.90%～21.26%)，表明与现有医用缝合针针体曲率半径(24.0 mm)相比，仿酸枣树弯钩刺刺体曲率半径(32.5 mm)可使医用缝合针刺穿阻力降低。

3 刺穿阻力测试及减阻机制分析

3.1 测试材料与方法

医用缝合针应同时具备较小截面直径与较高的抗弯强度以确保其刺穿软组织过程不易产生弯曲变形，且其针尖经多次刺穿软组织后应仍保持尖锐以确保其可轻易刺穿软组织。304不锈钢具有较高的抗弯强与优良的耐磨特性，已广泛应用于医用缝合针制备，故采用304不锈钢制备仿生低阻力医用缝合针，并将304不锈钢棒料装夹于走心机(SZ-207，硕方公司，中国)主轴进行切削加工。首先是仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针，其主要参数为针尖锥度1∶10.5、针尖半径53.4 μm、曲率半径32.5 mm、针体截面直径1.2 mm，针体表面设置的6条竖条纹凹槽(直径100，120，140 μm)，据此形成3种仿生样件(见图9)。然后是仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针，其主要参数为针尖锥度1∶10.5、针尖半径53.4 μm、曲率半径24.0 mm、针体截面直径1.2 mm，针体表面设置的6条竖条纹凹槽(直径100，120，140 μm)，据此形成3种仿生样件(见图10)。

图9 仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针

图10 仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针

带皮猪肉的力学特性(泊松比0.45～0.50、弹性模型100 MPa、密度0.975 g/cm3)与人体皮肤软组织的相似(泊松比0.48、弹性模型109 MPa、密度0.938 g/cm3)，已用于医学试验[21-22]。故将其制成尺寸为40 mm ×40 mm ×10 mm的样本，随后利用笔者所在课题组自行研制的仿生原型毫-微牛级二维力测试系统进行刺穿阻力测试[23]。

3.2 测试结果与分析

为保证测量结果的准确性，对每种低阻力医用缝合针进行3次测量并获取统计值，以呈现刺穿阻力的变化趋势。仿生低阻力医用缝合针刺入带皮猪肉产生的刺穿阻力如图11 a)所示，针尖临界刺入带皮猪肉时刻(t=22 s)，刺穿阻力达到峰值；随着针尖刺入带皮猪肉，刺穿阻力急剧降低并趋于稳定。t=28 s时刻针体开始刺入带皮猪肉，以此时刻为起点采集刺穿阻力数据(采样频率100 Hz，采样总数1 200)并对其进行统计学分析。仿刺尖锥度/半径与刺体曲率低阻力医用缝合针的刺穿阻力统计值如图11 b)所示，与光滑表面(竖条纹凹槽直径0 μm)相比，针体表面设置竖条纹凹槽可使刺穿阻力降低31.84%～43.02%，竖条纹凹槽直径不同导致刺穿阻力呈现差异并在120 μm时呈现相对最低值，减阻率为43.02%。

图11 仿生低阻力医用缝合针的刺穿阻力

仿刺尖锥度/半径低阻力医用缝合针的刺穿阻力统计值如图11 c)所示，与现阶段普遍使用的医用缝合针(3/8弧，曲率半径24.0 mm，针体表面光滑)相比，针体表面设置竖条纹凹槽可使刺穿阻力降低27.46%～40.93%，竖条纹凹槽直径不同会导致刺穿阻力呈现差异并在120 μm时呈现相对最低值，减阻率为40.93%。

综合分析图11 b)、图11 c)可知，针体曲率亦是影响刺穿阻力的重要因素。所制备的2类(仿刺尖锥度/半径与刺体曲率、仿刺尖锥度/半径)低阻力医用缝合针具有相同的针尖锥度/半径与针体非光滑结构(竖条纹凹槽)，其差异在于针体曲率半径(32.5 mm和24.0 mm)。竖条纹凹槽直径分别为100，120，140 μm时，仿刺体曲率的低阻力医用缝合针可使减阻率达到7.25%～17.86%，表明与现有医用缝合针针体曲率半径(24.0 mm)相比，酸枣树弯钩刺的刺体曲率可使医用缝合针刺穿阻力降低。

由以上结果可知，仿生低阻力医用缝合针刺穿过程的刺穿阻力测试结果与数值模拟结果基本吻合，即减阻率随竖条纹凹槽直径的增大呈先增后减趋势，且直径为120 μm时刺穿阻力降低程度最高，表明所构建的仿生低阻力医用缝合针有减阻功效。

3.3 仿生低阻力医用缝合针减阻机理分析

通过在针体表面设置非光滑结构(锯齿、条纹、凹坑)降低刺穿阻力已普遍应用于无痛注射针研制[24-25]，其减阻机理源于非光滑结构能够降低针体周壁与皮肤软组织间接触面积[4,26]，并能蓄留空气以在针体周壁与皮肤软组织间形成空气润滑[11,27-28]；更为重要的是，非光滑结构可使软组织体液在其内部蓄留、流动并蔓延至针体周壁以产生润滑膜层，导致刺穿阻力显著降低[29-30]。

本文研制的2类仿生(仿刺尖锥度/半径与刺体曲率、仿刺尖锥度/半径)低阻力医用缝合针，其针尖锥度/半径(1∶10.5，53.4 μm)均小于现有医用缝合针的针尖锥度/半径(1∶7.6，65.7 μm)，这使针尖更容易刺入皮肤软组织。为定性分析刺穿过程医用缝合针减阻机理，结合数值模拟与刺穿阻力测试结果绘制软组织形变的示意图(见图12)。与光滑表面相比，针体表面设置竖条纹凹槽能够有效降低其刺穿皮肤软组织过程的刺穿阻力，其减阻机理相似于无痛注射针的减阻机理。竖条纹凹槽结构大小的针体刺穿软组织时，凹槽内部空气逸出速度与软组织体液逸出量存在差异，故刺穿阻力的降低程度亦有差异。过小的竖条纹凹槽将会造成针体刺入软组织时其凹槽内部蓄留的空气无法及时逸出，致使针体与软组织间接触面积减小；同时将会限制软组织体液的溢出，从而不能在针体周壁形成连续的润滑膜层，最终导致刺穿阻力降低程度变小。适中的竖条纹凹槽(凹槽直径120 μm)可使针体刺入软组织时其凹槽内部蓄留的空气迅速逸出，利于软组织体液在凹槽区域蔓延并溢至针体周壁以形成连续的润滑膜层，减少软组织与针体周壁接触面积的同时起到良好的润滑功效，从而呈现较大的刺穿阻力降低程度。过大的竖条纹凹槽易导致软组织陷入凹槽内部而增大接触面积，同时难以让软组织体液浸满而在针体周壁不能形成连续的润滑膜层，最终产生较小的刺穿阻力降低程度。

图12 刺穿过程软组织形变的示意图

4 结 论

基于工程仿生学原理，以鼠李科植物酸枣树(Ziziphusjujube)弯钩刺的刺尖锥度/半径与刺体曲率为设计参数，构建医用缝合针三维模型并在针体表面设置竖条纹凹槽，获取2类(仿刺尖锥度/半径与刺体曲率、仿刺尖锥度/半径)低阻力医用缝合针的仿生模型，得到结论如下。

1)对仿生低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织过程进行数值模拟，仿刺尖锥度/半径与刺体曲率低阻力医用缝合针的针体设置竖条纹凹槽可使软组织应力由3.15 kPa降至2.38～2.80 kPa，并可导致刺穿阻力降低34.24%～58.48%；对于仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针，针体表面设置竖条纹凹槽可将软组织应力由3.76 kPa降至2.76～3.28 kPa，使刺穿阻力降低30.26%～49.86%。

2)基于数控精细加工技术制备低阻力医用缝合针并进行刺穿阻力测试，结果表明，仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针可使刺穿阻力降低31.84%～43.02%，仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针可使刺穿阻力降低27.46%～40.93%。

3)源于数值模拟与试验测试的结果均表明，减阻率随竖条纹凹槽直径的增大呈先增后减趋势，且直径为120 μm时刺穿阻力降低程度最高。竖条纹凹槽利于软组织体液蔓延并溢至针体周壁，形成连续的润滑膜层，在减少软组织与针体周壁接触面积的同时起到良好的润滑功效。

本文仅从数值模拟方面明确了形貌结构特征对医用缝合针刺穿阻力的影响机制，后续研究需开展全面测试，以获取低阻力医用缝合针的仿生设计原理与具体设计参数。