基于昆虫刺吸式口器的仿生耦合无痛注射针头的研究

论文摘要

本文根据对昆虫刺吸式口器结构的研究,将仿生耦合理论与技术引入到无痛注射器针头的设计当中。根据蚊子等昆虫刺吸式口器的结构形态,对普通注射器针头进行了仿生表面形态和结构设计与加工,分别制成具有凹坑形、波浪形、锯齿形非光滑表面的仿生无痛针头。利用设计与正交试验和数值模拟相结合的方法研究了这几种无痛针头的减阻、减痛效果。对仿生注射器针头的减阻效果进行了正交试验,以摩擦阻力及减阻率为试验指标,探寻仿生非光滑表面各因素中对阻力的影响的主次因素,优化出最优组合。结合试验揭示仿生耦合的减阻机理。对仿生注射器针头的减痛效果进行生物试验研究,选用血压变化为痛感的生理生化测示指标,以普通注射器针头和仿生注射器针头为试验对象,通过对大鼠进行刺痛试验及用不同力度夹尾,分别观察其疼痛、血压的变化以及血压变化持续时间,同时观察不同的疼痛程度对血压及血压变化持续时间的影响。最后,对普通注射器针头和仿生注射器针头的注射过程进行了数值模拟,得出了三种针头在注射过程中相应软组织的最大应力、动能和内能的变化情况,同时揭示了仿生注射器针头所具有的减阻、减痛机理与规律。

论文目录

• 提要
• 第1 章 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 无痛注射的国内外研究现状与进展
• 1.2.1 微米针头阵列注射器
• 1.2.2 模拟蚊子口器开发极细无痛注射器
• 1.2.3 利用压缩空气移动喷射式注射器
• 1.2.4 棱锥形多孔注射针头
• 1.2.5 仿生无痛针头
• 1.3 注射痛产生机理
• 1.3.1 肌肉注射与肌肉的黏弹性
• 1.3.2 疼痛的定义及分类
• 1.3.3 疼痛的产生
• 1.4 生物减阻
• 1.4.1 生物表面润滑减阻
• 1.4.2 生物电减阻
• 1.4.3 生物表面疏水性减阻
• 1.4.4 生物表面非光滑减阻技术
• 1.4.5 生物表面柔性减阻技术
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2 章 昆虫刺吸口器的微观耦合结构及其减痛机指
• 2.1 昆虫口器
• 2.2 刺吸式口器形态分析
• 2.2.1 蚊子口器的结构形式
• 2.2.2 锯齿形几何结构特征提取
• 2.2.3 锯齿形几何结构特征的测量
• 2.2.4 锯齿形结构注射器模型的建立
• 2.2.5 蝉刺吸式口器的结构形式
• 2.2.6 波纹形几何结构特征提取
• 2.2.7 波纹形结构注射器模型的建立
• 2.3 生物耦合
• 2.4 刺吸式口器耦合减阻机制
• 2.5 本章小结
• 第3 章 仿生注射针头的减阻正交试验优化
• 3.1 引言
• 3.2 试验方案
• 3.2.1 确定试验指标
• 3.2.2 确定试验因素并选取适当水平
• 3.2.3 选择正交表并编制试验方案
• 3.2.4 试验仪器和试验方法
• 3.3 皮肤与针头管壁之间的摩擦力分析
• 3.4 针头表面非光滑单元形态的耦合设计
• 3.4.1 理论基础
• 3.4.2 耦合仿生注射针头设计
• 3.4.3 耦合仿生注射针头加工
• 3.5 试验结果分析
• 3.5.1 进针摩擦阻力试验
• 3.5.2 进针摩擦阻力试验分析
• 3.5.3 减阻特性及机理分析
• 3.5.4 试验结果的极差分析
• 3.5.5 试验结果的方差分析
• 3.5.6 拔针摩擦阻力试验
• 3.5.7 不同刺入速度对减阻效果的影响
• 3.5.8 不同针头对药物注射速度的影响与讨论
• 3.6 正交回归设计分析
• 3.7 本章小结
• 第4 章 疼痛生理试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 疼痛的测量
• 4.2.1 疼痛
• 4.2.2 痛反应
• 4.2.3 疼痛的测量
• 4.3 仿生注射针具痛感试验
• 4.3.1 试验材料
• 4.3.2 试验动物
• 4.3.3 试验方法
• 4.3.4 试验设备仪器
• 4.3.5 试验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5 章 非线性接触有限元理论
• 5.1 接触的数学模型
• 5.1.1 接触界面条件
• 5.1.2 接触问题的求解方案
• 5.2 非线性有限元
• 5.2.1 非线性有限元的初值问题
• 5.2.2 中心差分显式算法与稳定性分析
• 5.2.3 单元计算的单点高斯积分和沙漏控制
• 5.3 本章小结
• 第6 章 注射过程接触有限元数值模拟
• 6.1 物质的黏弹性
• 6.2 生物组织特性
• 6.3 软组织力学特性概述
• 6.4 皮肤力学
• 6.4.1 皮肤组织的基本层次和结构特征
• 6.4.2 皮肤组织力学性质的基本特征
• 6.5 肌肉力学
• 6.5.1 肌肉概述
• 6.5.2 肌肉的力学模型
• 6.6 数值模拟
• 6.6.1 材料特性与接触
• 6.6.2 几何模型与网格划分
• 6.6.3 计算结果与对比分析
• 6.7 本章小结
• 第7 章 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的科研情况简介
• 一、发表学术论文
• 二、参与科研情况
• 三、专利发明
• 摘要
• ABSTRACT