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《吉林大学》 2011年
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仿生医用针头穿刺阻力变化特性研究

李岩  
【摘要】:在各种医疗器械当中,注射器是使用范围最广泛的一种,用于皮下注射,将药物注入到身体组织中。然而对于普通人来讲,皮下注射带来的生理、心理痛苦十分可怕。从减轻患者注射过程疼痛感角度出发,通过减少针头所受阻力的方法,吉林大学工程仿生教育部重点实验室研制了一种无痛注射器。 为了适应大自然的生存环境,经过亿万年的优胜劣汰,生物体表进化出了各种形状的非光滑结构。研究证明,这些非光滑形态具有出色的减阻、耐磨功能,适应生物的生存环境。本文将生物非光滑形态进行提取、优化,并应用到注射器针头针壁表面,制备了具有波纹形、锯齿形、凹坑形、凹槽形等结构形态的仿生针头。通过大量试验,对仿生针头的非光滑结构进行优化,力求得到减阻效果最为明显的仿生非光滑结构。 本文主要分以下五部分: 1、设计波纹形、锯齿形、凹坑形、凹槽形四种仿生针头;应用多种加工手段,对仿生针头非光滑结构进行精细加工;应用高温硫化硅橡胶进行针头穿刺阻力试验;通过三维动作捕捉仪测定临床医疗当中针头的穿刺速度。 2、对各种结构仿生针头试验结果进行处理,得出各仿生针头的最优试验方案及相应减阻率。其中凹槽结构仿生针头减阻效果最好。 3、借助ANSYS/LS-DYNA 12.0软件对仿生针头刺入肌肉软组织过程进行仿真数值模拟,得出针头刺入过程动能、内能以及位移。结果证明:仿生针头具有减阻效果。 4、仿生针头减阻机理研究表明:仿生针头表面非光滑结构内部存储空气,在针头高速运动过程中形成二次涡流,将针头与皮肤间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,减小了针头刺入肌肉软组织过程阻力;减少仿生针头针壁与肌肉软组织接触面积对针头刺入过程受力情况也能产生影响,是仿生针头能够减少刺入阻力的原因之一。 5、根据注射器针头国标GB18457-2001,对光滑针头不锈钢针管以及四种非光滑不锈钢针头在20N载荷条件下挠度值进行测量,结果表明其挠度值均小于国标中规定的最大挠度值。说明仿生非光滑针头在经过表面结构处理之后,虽然刚性强度受到了一定程度的影响,但是仍然符合国家规定标准,可以应用到临床医疗中。 本文通过试验研究和数值模拟等方法证明了仿生针头的减阻特性,并对其加工方法、减阻机理、刚性强度等方面进行了研究。该成果为医疗器械的发展提供了新方向。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:R472

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