仿生低阻力医用缝合针刺穿过程的仿真模拟与试验研究

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现有医用缝合针因针体表面光滑且曲率半径小而在刺穿人体软组织时产生相对较高的刺穿阻力,易增加软组织撕裂风险进而加重患者痛感并延缓伤口愈合,因此通过改变形貌结构特征来降低刺穿阻力显得尤为重要。为实现医用缝合针低刺穿阻力刺穿软组织,进行了以下研究:(1)利用扫描电子显微镜观测鼠李科枣属植物酸枣树(Ziziphus jujube)钩刺形貌结构并提取曲率半径、尖端锥度等特征信息,据此仿生构建医用缝合针的针尖锥度及针体曲率并在针体表面设置螺旋形凹槽、横条纹凹槽、竖条纹凹槽等非光滑结构,以此获取低阻力医用缝合针仿生模型。(2)采用LS-DYNA仿真软件并基于库伦摩擦模型进行仿生低阻力医用缝合针刺穿软组织过程的仿真模拟,获取应力云图、刺穿阻力等信息。结果表明:具有螺旋形凹槽、横条纹凹槽、竖条纹凹槽的仿生低阻力医用缝合针刺穿软组织产生的刺穿阻力分别为1.40±0.21 N、1.74±0.47 N和1.37±0.44 N,与针体表面光滑的仿生低阻力医用缝合针(3.30±0.43 N)相比,减阻率分别为57.58%、47.27%和58.48%。对具有不同针尖锥度与针体曲率半径的医用缝合针刺穿过程进行仿真模拟,并获取刺穿过程的刺穿阻力,以此确定了针尖最佳设计参数为锥度1:10.5、半径53.4μm,针体曲率半径最佳应为32.5 mm。(3)采用精密数控加工技术制备针体表面具有螺旋形凹槽、横条纹凹槽、竖条纹凹槽的低阻力医用缝合针仿生样件并进行功效测试验证。相比于光滑针体(1.79±0.24 N),针体表面设置非光滑结构(螺旋形凹槽、横条纹凹槽、竖条纹凹槽)刺穿带皮猪肉过程中产生显著较低的刺穿阻力(1.16±0.36 N、1.20±0.26 N、1.02±0.29N)且降低程度高达35.20%、32.96%、43.02%。(4)基于仿真模拟与刺穿阻力测试结果,分析了刺穿过程仿生低阻力医用缝合针与软组织间的接触机制,阐明了仿生低阻力医用缝合针功效作用机理:针体表面设置非光滑结构可降低针体与软组织间的接触面积,并使得软组织体液在针体表面形成润滑膜层,进而实现刺穿阻力显著降低。研究结果构建起从酸枣树钩刺到低阻力医用缝合针仿生研制的桥梁,明确了形貌结构特征对医用缝合针刺穿阻力的影响规律,为低阻力医用缝合针仿生研制提供理论参考。
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