在疾病治疗的过程中,医用针扮演着穿透皮肤输送药物的重要角色,但普通医用针在刺透皮肤时往往伴随着剧烈疼痛,同时还会产生明显的局部创伤。研究表明,降低针头刺入时的刺入力和刺入位移,可以有效减少疼痛感和创伤,达到微创、微痛甚至无痛给药的效果。因此,本文以减小针刺过程中的刺入力和刺入位移为目的,提出了在刺入过程中给皮肤或皮肤模拟物施加预紧变形及采取振动式刺入的两种方案,分别以硅胶膜和真实皮肤组织为研究对象,详细研究了上述两种方案的实际效果。在此基础上,本文最后设计并制备了一种平面金属微型针头,通过实验对其刺入硅胶膜和皮肤的实际效果进行了评价。具体内容如下:(1)以各向同性的硅胶膜和各向异性的兔子皮作为被刺对象,研究了不同预紧变形方式对针头刺入力和刺入位移的影响规律。具体预紧方式为两种,一是双向等变形预紧,两向变化完全相同;二是某一向固定,而另一方向预紧变形变化。(2)以各向同性的硅胶膜为研究对象,分析了振动刺入对针头刺入力和刺入位移的影响效果,具体包括振动频率、振幅、刺入速度以及与刺入对象预紧变形的耦合影响。(3)采用传统线切割方法,设计并加工了一种平面金属微针,然后通过实验研究了此种平面金属微针的刺入行为,包括皮肤预紧变形以及微针高度排布对刺入力与刺入位移的影响。通过上述研究,得到如下结论:(1)通过对各向同性的硅胶膜施加预紧变形可以显著减小刺入力和刺入位移,且施加的预紧变形越大,刺入力和刺入位移减小幅度越大。此外,施加双向预紧比单向预紧能产生更好的效果,即双向同时对膜施加同等大小的预紧变形可以更好地减小刺入力和刺入位移。然而需要指出的是,对于兔子皮这种各向异性的生物组织,研究发现预紧变形的影响效果还与变形方向有关,产生这一变化的原因是由皮肤内部纤维的排布方向性引起的。如果沿纤维排布方向施加预紧,随着变形程度的增加,刺入力会呈现先减小后增大的趋势。(2)对针或硅胶膜施加振动,可将静态刺入转化为动态冲击,刺入力和刺入位移会随振动频率和振幅的增大而减小,刺入力和刺入位移会随刺入速度增大而增大。值得注意的是,将振动和预紧硅胶膜耦合可大幅减小刺入力,但刺入位移会随着振幅的增加呈现先增大后减小的趋势。此外,对针施加振动和对硅胶膜施加振动,所产生的效果基本相同。基于这一原理设计了皮肤振动器。(3)调节同平面金属微针的高度排布有利于消除微针不同时刺入的现象,对硅胶膜施加预紧对同平面金属微针刺入具有减阻效果。上述研究结果对降低针的刺入力和刺入位移有重要的参考意义。