当仿生设计无济于事时：仿生弯曲针在曲线插入过程中的力学行为
Doyoung Kim1, Parsaoran Hutapea1
1Department of Mechanical Engineering College of Engingeering, Temple University, 1947 N 12th Street, Philadelphia, Pennsylvania, 19122, United States.
Biomedical physics & engineering express
|October 13, 2026
Abstract:
本研究探讨了仿生倒刺结构在用于经皮手术的弯针上应用的有效性。昆虫螫针（如蜜蜂和蚊子）的几何结构已被应用于直针，以降低线性插入过程中的插入力、组织变形和组织损伤。然而，这些优势是否能够延伸至经历曲线基部操控的弯针尚不明确。在本研究中，将仿蚊倒刺结构应用于尖端斜面设计的弯针上，其弯曲角度分别为7.5°、15°、22.5°和30°。评估了其对横向与轴向插入力、弯矩以及针尖轨迹的影响。采用高分辨率3D打印技术制备常规弯针与仿生弯针，并在模拟组织凝胶中进行曲线插入测试。在针基部记录力和力矩数据，通过视频追踪结合曲率半径分析量化针尖路径。在曲线插入条件下，插入力和弯矩均未发现具有统计学意义的降低。结果表明，在测试条件下，沿预设轨迹行进的弯针在添加倒刺表面结构后，其测得的力学参数未发生显著变化。这说明在这些条件下，所测试的表面改形并未显著改变整体力学响应。本研究提示，适用于线性插入的减摩表面结构可能无法直接适用于曲线插入场景，针对弯针应用的优化策略应优先考虑几何形状与轨迹导向的设计因素。 关键词：仿生设计，倒刺结构，弯针，经皮手术，插入力，弯矩，曲率半径，3D打印，组织模拟凝胶，曲线插入
