針頭表面改性及穿刺阻力實驗

彎艷玲，劉志剛，于占江，于化東，廉中旭

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

皮下注射是指將藥液注入皮下組織，從而達到治療疾病的目的。對于普通人來講，皮下注射是個痛苦的過程，上至大人下至兒童，對皮下注射帶來的生理和心理上的疼痛往往有一定的恐懼陰影。因此，如何降低和減少注射疼痛引起了國內外學者的注意，迄今為止，國內外學者主要通過減少或消除對人體痛感神經的刺激［1-3］、減少刺激強度和作用面積［4，5］、減小注射時針頭表面與肌肉的摩擦阻力以減少刺激［6，7］、提高進針速度［8，9］等方法減少注射疼痛［10］。國外無痛注射技術研究已經取得了階段性成果，國內在此領域的研究剛剛起步，因此，對此問題進行研究具有重要意義。

本文基于減阻注射的理念，即通過減小注射時注射器針頭所受阻力達到緩解患者疼痛的方法，采用化學刻蝕的方法在不銹鋼針頭上構建微觀結構，對其穿刺阻力進行了測量，并分析了針頭表面的減阻機理。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

主要試劑和儀器設備：蒸餾水、三氯化鐵（Fe-Cl3）、鹽酸（HCl）、磷酸（H3PO4）、過氧化氫（H3PO4）；NB-9123A烘干箱（鄭州南北儀器設備有限公司）、BK-240B超聲波清洗器（濟南巴克超聲波科技有限公司）、VHX-1000型超景深三維掃描系統（基恩士有限公司）、OCAH200型接觸角測量儀（德國Dataphysics公司）、WSN-500N型仿生針頭穿刺阻力試驗機（長春市智能儀器設備有限公司）、MFT-3000摩擦磨損測試儀（美國Rtec公司）。

1.2 試驗方法

為獲得疏水不銹鋼針頭表面，首先將不銹鋼針頭用丙酮清洗15分鐘，然后分別進行5組刻蝕試驗，其中后3組試樣為驗證疏水性和減阻特性關系試驗。刻蝕液是由480ml H2O、30g FeCl3、120ml HCl、120ml H3PO4和 120ml H2O2按照不同成分混合而組成的，如表1所示。在這一過程中并對每組試驗的刻蝕時間進行控制。刻蝕試驗完成后，用蒸餾水清洗15分鐘去除樣品表面的殘余化學試劑，放在80°C的烘干箱中烘干20min待測。

1.3 表征方法

用VHX-1000型超景深三維掃描系統觀察樣品表面形貌。采用OCA20光學視頻測試儀進行表面疏水性能的檢測，液滴大小為2μL，平行試樣為5個，取其平均值。WSN-500N型仿生針頭穿刺阻力試驗機進行穿刺試驗，穿刺介質為硫化硅橡膠，硅膠厚度為20mm，測量3次取每次阻力最大值的平均值。

2 實驗結果及分析

2.1 表面微觀結構及性能檢測

從超景深三維掃描圖片（圖1）可以看出，未經化學刻蝕的試樣1（圖1（a））表面相對較為光滑；而從圖1（b）、（d）-（f）中可知，經4組不同刻蝕方案（刻蝕時間為45s）所得到的樣品表面表現出了不光滑，表面出現大量排列不整齊的凹坑。從圖1（c）中可以看到，凹坑的直徑大約為2.6μm，深度大約為0.3μm。利用OCA20光學視頻測試儀在試樣1、試樣2、試樣3、試樣4及試樣5表面上的接觸角分別為70.4°±1.2°、109.4°±1.6°、98.6°±0.8°、87.4°±2.1°和113.4°±1.4°。由此可見，經化學刻蝕方法可以在一定程度上改變針頭表面的微觀結構，并且使得樣品表面接觸角增大。液滴在制備的各樣品表面上的接觸圖像如圖1所示。

圖1 不同樣品表面微觀結構及相應的接觸角圖片

為了進一步研究刻蝕方法對表面微觀結構和潤濕性的影響，本文討論了刻蝕時間這一因素。按照方案2-5的方法，把樣品分別浸入混合溶液中10s、20s、30s、45s和60s進行刻蝕。利用OCA20光學視頻測試儀對所得表面進行接觸角的檢測，所得數據如圖2所示。由圖中曲線可知，在4組刻蝕方案中，每組試樣表面接觸角都是隨著刻蝕時間的增加而增加。圖3為按照方案2步驟進行，將樣品浸入10s和60s所得到的表面微觀結構及相應的接觸角圖片。由圖可見，隨著刻蝕時間的增加，樣品表面更為粗糙。而隨著刻蝕時間的增加，試樣表面接觸角增大，由87.45°增大到118.11°。

表1 試驗方案

圖2 不同方案中刻蝕時間與接觸角的關系曲線

圖3 不同刻蝕時間所得到的樣品（方案2）表面微觀結構及相應的接觸角圖片

2.2 穿刺阻力及機理分析

采用WSN-500N型仿生針頭穿刺阻力試驗機對刻蝕前、后樣品進行測量，結果如圖4所示，其中刻蝕前光滑針頭表面阻力為18.38±0.14N。用Fp表示光滑針頭摩擦阻力，Fpo表示刻蝕后針頭摩擦阻力，用減阻率R表征減阻效果，刻蝕后阻力愈小，表明減阻效果愈明顯，其中減阻率表示為

由圖4可知，不同方案所得到的表面阻力不同，其中4組方案均具有減阻性能，方案2相對于其他方案的針頭表面阻力值小，且刻蝕時間為60s時，阻力值最小減阻效果最佳，通過計算可得，其最大的減阻率R可達47.17%；在4組刻蝕方案中，每組試樣表面阻力值都是隨著刻蝕時間的增加而減少，即減阻效果越好，而由所測得的各樣品的接觸角是隨著刻蝕時間的增加而增加，表明接觸角越大減阻效果更佳，為疏水性強的表面減阻提供試驗性基礎。

圖4 不同試驗方案所得樣品刻蝕時間與阻力值關系曲線

要使物體表面具有減阻效果，除了在物體表面構造微觀結構外，還可以在其表面修飾低表面能物體，從而使其表面具備超疏水性［11］。本文制備的超疏水表面針頭表面具有粗糙微觀結構，在注射時會使皮膚組織與針頭壁面接觸面積減小，皮膚與針頭表面間存在一些間隙，產生空氣膜，降低表面摩擦系數。

3 結論

（1）化學刻蝕法改變了針頭表面的潤濕性，在一定刻蝕時間內，針頭表面接觸角隨刻蝕時間的增長而增大。

（2）刻蝕后的針頭具有明顯的減阻效果，方案2相對于其他方案的針頭表面阻力值小，且刻蝕時間為60s時，阻力值最小減阻效果最佳，其最大的減阻率R可達47.17%。

（3）通過對4組刻蝕方案試驗對比，發現試樣接觸角越大，減阻效果越明顯。針頭表面結構越粗糙，粗糙度越大，使得皮膚組織與針頭壁面接觸面積變小，阻力值降低，從而達到了減阻效果。

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