测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法与流程

1.本技术涉及微针应用试验技术领域，尤其是涉及一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法。


背景技术：

2.微针经皮给药技术是指通过尖端直径小于几十微米的微型针头在表皮制造许多微通道以突破皮肤屏障输送药物的技术。它既可以实现无痛、给药稳定等优点，又可使大分子药物无障碍的通过皮肤进入血液循环。当然，单根微针制造的通道是无法满足大量给药要求的，为提高给药效率，微针常被加工成阵列。由于尺寸微小，微针在刺入皮肤过程中容易产生断裂或屈曲等力学破坏。现有研究表明，随着阵列中微针数量的增多，微针在刺入皮肤过程中受到的力会增加，又在一定程度上加大了微针断裂风险。此外，微针阵列在刺入过程中还存在所有微针不能同时刺入皮肤的问题，这使得输药效率大幅降低。因此对于微针的力学性能研究有很大的必要。
3.无论是注射给药还是微针经皮给药都离不开针刺皮肤这一过程。降低针刺皮肤过程中的受力对于注射给药而言可以起到降低患者痛苦的作用;对于微针经皮给药而言，具有降低微针出现力学破坏风险，提高微针使用安全性的作用。所以对针刺皮肤过程进行力学分析并降低刺入力和刺入位移对于医用针的临床应用具有重要意义。
4.通过对皮肤结构的组成部分的分析，如何克服角质层在经皮给药过程中的阻碍作用显然是改进经皮给药技术的重中之重。微针经皮给药技术就是根据皮肤的组织结构特点，使微针仅刺破皮肤表层而不触及富含神经的深层皮肤。这样一方面在皮肤表层形成了微米级的药物输送通道(比一般药物分子尺寸大一个数量级)，突破了角质层对药物经皮渗透的阻碍作用，极大地扩充了经皮给药的可输药物种类，提高了输药效率，另一方面又能确保无痛和微创。
5.针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：由于微针尺寸较小，不便于观察、观测其透皮过程，还存在无法精准的测量刺入力和刺入位移的问题。


技术实现要素：

6.本技术提供一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法，以改善以下技术问题：由于微针尺寸较小，不便于观察、观测其透皮过程，还存在无法精准的测量刺入力和刺入位移的问题。
7.第一方面，本技术提供一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，采用如下的技术方案：一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法，包括：机架；
测力单元，安装于所述机架上，所述测力单元的一端设置有测力传感器；位移平台，安装于所述机架上且位于所述测力单元的旁侧，所述位移平台靠近所述测力单元的一端设置有探头安装座，所述位移平台用于带动所述探头安装座靠近或者远离所述测力传感器；皮肤模拟单元，所述皮肤模拟单元和待试验微针产品分别安装于所述探头安装座靠近所述测力传感器的一侧、所述测力传感器靠近所述探头安装座的一侧；摄像采集单元，安装于所述机架上，所述摄像采集单元上设置有显微镜镜头，所述显微镜镜头和所述测力传感器、所述探头安装座对应布置，所述摄像采集单元用于拍摄待试验微针产品的微针刺入所述皮肤模拟单元的过程；以及，控制显示单元，电连接于所述测力传感器、所述位移平台和所述摄像采集单元，所述控制显示单元用于接收并显示所述测力传感器所反馈的刺入力信号、用于接收并显示所述摄像采集单元所拍摄到的视频和图片、用于控制所述位移平台移动。
8.可选的，所述机架上设置有高度调节座，所述测力单元安装于所述高度调节座上。
9.可选的，所述高度调节座包括多个调高块，相邻所述调高块之间可以竖向可拆卸连接。
10.可选的，所述测力单元为测力计，所述测力计水平布置。
11.可选的，所述位移平台为为伺服电机所驱动的直线丝杆滑台，所述伺服电机和所述控制显示单元电连接。
12.可选的，所述皮肤模拟单元为生物仿生皮膜。
13.可选的，所述摄像采集单元为显微数字摄像机。
14.可选的，所述控制显示单元包括控制器和计算机，所述控制器安装于所述机架上且位于所述位移平台远离所述测力单元的一侧，所述计算机上设置有显示屏幕。
15.可选的，所述机架包括多根支撑腿和光学平台，所述光学平台安装于多根所述支撑腿的顶部，所述测力单元和所述位移平台均安装于所述光学平台上，所述光学平台为表面做打磨精细处理的多孔铝合金板材。
16.第二方面，本技术提供一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验方法，采用如下的技术方案：一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验方法，基于上述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，该试验方法包括以下步骤：步骤一、根据测力传感器尺寸及实验需求裁剪皮肤模拟单元，并将皮肤模拟单元粘贴在测力传感器上；步骤二、根据探头安装座的尺寸及实验需求裁剪待试验微针产品，并将待试验微针产品粘贴在探头安装座上；步骤三、保持测力传感器与探头安装座在同一水平线上，调整摄像采集单元的显微镜镜头使其可以观察到待试验微针产品以及皮肤模拟单元的形态；步骤四、打开测力单元并与控制显示单元连接；步骤五、启动位移平台，操作控制显示单元使位移平台的探头安装座以恒定的速度移动，此时通过摄像采集单元可清晰的看到待试验微针产品的微针刺入所述皮肤模拟单元的过程；
步骤六、当观察到待试验微针产品的微针完全刺入所述皮肤模拟单元时，立刻操作控制显示单元使位移平台的探头安装座停止移动，保持1~2秒后，将位移平台的探头安装座退回至初始位置，利用控制显示单元收集微针刺入力的数据以及刺入位移的数据，并将全部实验数据保存；步骤七、取下待试验微针产品以及被刺入后的皮肤模拟单元，放置在摄像采集单元的显微镜镜头下观察皮肤模拟单元的刺入情况和试验微针产品的微针的损伤情况；步骤八、使用控制显示单元对实验数据进行计算处理，并根据得到的实验结果和实验现象作对比，多次进行试验和对比。
17.综上所述，本技术包括以下有益技术效果：可以清晰完整的观察到待试验微针产品的微针刺入皮肤模拟单元的过程，同时可以将刺入过程保存视频，在任意时刻拍照记录刺入状态，对于研究如何减小微针刺入皮肤所需的刺入力具有很大的帮助；可以拍摄刺入后的皮肤模拟单元，以便进行3d采集工作从而生成三维图形，进而可以完整的观察到皮肤模拟单元被微针刺入后的痕迹；微针的强度和刚度问题是微针设计中必须考虑的两个基本力学问题，本技术可以测量刺入的深度，对于研究微针必须有足够高的强度和刚度来确保微针刺入时不发生断裂或屈曲破坏，具有重要意义；具有较高的测量精度，同时可以保证微针以恒定的速度刺入，并且随时控制其移动或停止，满足微针这类实验的高精度要求。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本技术实施例的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置。
20.图2是本技术实施例中测力传感器与探头安装座接触处的细节展示示意图。
21.附图标记说明：1、机架；11、支撑腿；12、光学平台；2、测力单元；21、测力传感器；3、位移平台；31、探头安装座；4、皮肤模拟单元；5、摄像采集单元；51、显微镜镜头；6、控制显示单元；61、控制器；62、计算机；7、高度调节座；71、调高块。
具体实施方式
22.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
24.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.以下结合附图1-2对本技术作进一步详细说明。
27.本技术实施例公开一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法。参照图1和图2，测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置包括：机架1；测力单元2，安装于机架1上，测力单元2的一端设置有测力传感器21；位移平台3，安装于机架1上且位于测力单元2的旁侧，位移平台3靠近测力单元2的一端设置有探头安装座31，位移平台3用于带动探头安装座31靠近或者远离测力传感器21；皮肤模拟单元4，在本实施例中，皮肤模拟单元4安装于探头安装座31靠近测力传感器21的一侧，待试验微针产品安装于测力传感器21靠近探头安装座31的一侧，在其他实施例中，待试验微针产品安装于探头安装座31靠近测力传感器21的一侧，皮肤模拟单元4安装于测力传感器21靠近探头安装座31的一侧；摄像采集单元5，安装于机架1上，摄像采集单元5上设置有显微镜镜头51，显微镜镜头51和测力传感器21、探头安装座31对应布置，摄像采集单元5用于拍摄待试验微针产品的微针刺入皮肤模拟单元4的过程；以及，控制显示单元6，电连接于测力传感器21、位移平台3和摄像采集单元5，控制显示单元6用于接收并显示测力传感器21所反馈的刺入力信号、用于接收并显示摄像采集单元5所拍摄到的视频和图片、用于控制位移平台3移动。
28.机架1上设置有高度调节座7，测力单元2安装于高度调节座7上，以便保持测力传感器21与探头安装座31在同一水平线上。高度调节座7包括多个调高块71，相邻调高块71之间可以竖向可拆卸连接。
29.测力单元2为测力计，测力计水平布置。
30.位移平台3为为伺服电机所驱动的直线丝杆滑台，伺服电机和控制显示单元6电连接。
31.皮肤模拟单元4为生物仿生皮膜。
32.摄像采集单元5为显微数字摄像机。
33.控制显示单元6包括控制器61和计算机62，控制器61安装于机架1上且位于位移平台3远离测力单元2的一侧，计算机62上设置有显示屏幕。
34.机架1包括多根支撑腿11和光学平台12，光学平台12安装于多根支撑腿11的顶部，测力单元2和位移平台3均安装于光学平台12上，光学平台12为表面做打磨精细处理的多孔铝合金板材，光学平台12等同于常规显微镜的载物台。
35.本技术实施例还提供一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验方法，基于上述的测
量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，该试验方法包括以下步骤：步骤一、根据测力传感器21尺寸及实验需求裁剪皮肤模拟单元4，并将皮肤模拟单元4粘贴在测力传感器21上；步骤二、根据探头安装座31的尺寸及实验需求裁剪待试验微针产品，并将待试验微针产品粘贴在探头安装座31上；步骤三、保持测力传感器21与探头安装座31在同一水平线上，调整摄像采集单元5的显微镜镜头51使其可以观察到待试验微针产品以及皮肤模拟单元4的形态；步骤四、打开测力单元2并与控制显示单元6连接；步骤五、启动位移平台3，操作控制显示单元6使位移平台3的探头安装座31以恒定的速度移动，此时通过摄像采集单元5可清晰的看到待试验微针产品的微针刺入皮肤模拟单元4的过程；步骤六、当观察到待试验微针产品的微针完全刺入皮肤模拟单元4时，立刻操作控制显示单元6使位移平台3的探头安装座31停止移动，保持1~2秒后，将位移平台3的探头安装座31退回至初始位置，利用控制显示单元6收集微针刺入力的数据以及刺入位移的数据，并将全部实验数据保存；步骤七、取下待试验微针产品以及被刺入后的皮肤模拟单元4，放置在摄像采集单元5的显微镜镜头51下观察皮肤模拟单元4的刺入情况和试验微针产品的微针的损伤情况；步骤八、使用控制显示单元6对实验数据进行计算处理，并根据得到的实验结果和实验现象作对比，多次进行试验和对比。
36.综上，本技术实施例一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法具有以下有益技术效果：可以清晰完整的观察到待试验微针产品的微针刺入皮肤模拟单元4的过程，同时可以将刺入过程保存视频，在任意时刻拍照记录刺入状态，对于研究如何减小微针刺入皮肤所需的刺入力具有很大的帮助；可以拍摄刺入后的皮肤模拟单元4，以便进行3d采集工作从而生成三维图形，进而可以完整的观察到皮肤模拟单元4被微针刺入后的痕迹；微针的强度和刚度问题是微针设计中必须考虑的两个基本力学问题，本技术可以测量刺入的深度，对于研究微针必须有足够高的强度和刚度来确保微针刺入时不发生断裂或屈曲破坏，具有重要意义；具有较高的测量精度，同时可以保证微针的刺入力的精度可以达到0.0002n，同时可以保证微针以20μm/s恒定的速度刺入，并且随时控制其移动或停止，满足微针这类实验的高精度要求，临床使用的微针必须具有很高的精确性与可靠性，本技术对于如何通过改进设计来降低刺入力、提高微针的精准性、可靠性以及输药效率仍然很大的帮助。
37.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，包括：机架(1)；测力单元(2)，安装于所述机架(1)上，所述测力单元(2)的一端设置有测力传感器(21)；位移平台(3)，安装于所述机架(1)上且位于所述测力单元(2)的旁侧，所述位移平台(3)靠近所述测力单元(2)的一端设置有探头安装座(31)，所述位移平台(3)用于带动所述探头安装座(31)靠近或者远离所述测力传感器(21)；皮肤模拟单元(4)，所述皮肤模拟单元(4)和待试验微针产品分别安装于所述探头安装座(31)靠近所述测力传感器(21)的一侧、所述测力传感器(21)靠近所述探头安装座(31)的一侧；摄像采集单元(5)，安装于所述机架(1)上，所述摄像采集单元(5)上设置有显微镜镜头(51)，所述显微镜镜头(51)和所述测力传感器(21)、所述探头安装座(31)对应布置，所述摄像采集单元(5)用于拍摄待试验微针产品的微针刺入所述皮肤模拟单元(4)的过程；以及，控制显示单元(6)，电连接于所述测力传感器(21)、所述位移平台(3)和所述摄像采集单元(5)，所述控制显示单元(6)用于接收并显示所述测力传感器(21)所反馈的刺入力信号、用于接收并显示所述摄像采集单元(5)所拍摄到的视频和图片、用于控制所述位移平台(3)移动。2.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述机架(1)上设置有高度调节座(7)，所述测力单元(2)安装于所述高度调节座(7)上。3.根据权利要求2所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述高度调节座(7)包括多个调高块(71)，相邻所述调高块(71)之间可以竖向可拆卸连接。4.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述测力单元(2)为测力计，所述测力计水平布置。5.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述位移平台(3)为为伺服电机所驱动的直线丝杆滑台，所述伺服电机和所述控制显示单元(6)电连接。6.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述皮肤模拟单元(4)为生物仿生皮膜。7.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述摄像采集单元(5)为显微数字摄像机。8.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述控制显示单元(6)包括控制器(61)和计算机(62)，所述控制器(61)安装于所述机架(1)上且位于所述位移平台(3)远离所述测力单元(2)的一侧，所述计算机(62)上设置有显示屏幕。9.根据权利要求1所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，其特征在于，所述机架(1)包括多根支撑腿(11)和光学平台(12)，所述光学平台(12)安装于多根所述支撑腿(11)的顶部，所述测力单元(2)和所述位移平台(3)均安装于所述光学平台(12)上，所述光学平台(12)为表面做打磨精细处理的多孔铝合金板材。10.一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任一项所述的测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置，该试验方法包括以下步骤：
步骤一、根据测力传感器(21)尺寸及实验需求裁剪皮肤模拟单元(4)，并将皮肤模拟单元(4)粘贴在测力传感器(21)上；步骤二、根据探头安装座(31)的尺寸及实验需求裁剪待试验微针产品，并将待试验微针产品粘贴在探头安装座(31)上；步骤三、保持测力传感器(21)与探头安装座(31)在同一水平线上，调整摄像采集单元(5)的显微镜镜头(51)使其可以观察到待试验微针产品以及皮肤模拟单元(4)的形态；步骤四、打开测力单元(2)并与控制显示单元(6)连接；步骤五、启动位移平台(3)，操作控制显示单元(6)使位移平台(3)的探头安装座(31)以恒定的速度移动，此时通过摄像采集单元(5)可清晰的看到待试验微针产品的微针刺入所述皮肤模拟单元(4)的过程；步骤六、当观察到待试验微针产品的微针完全刺入所述皮肤模拟单元(4)时，立刻操作控制显示单元(6)使位移平台(3)的探头安装座(31)停止移动，保持1~2秒后，将位移平台(3)的探头安装座(31)退回至初始位置，利用控制显示单元(6)收集微针刺入力的数据以及刺入位移的数据，并将全部实验数据保存；步骤七、取下待试验微针产品以及被刺入后的皮肤模拟单元(4)，放置在摄像采集单元(5)的显微镜镜头(51)下观察皮肤模拟单元(4)的刺入情况和试验微针产品的微针的损伤情况；步骤八、使用控制显示单元(6)对实验数据进行计算处理，并根据得到的实验结果和实验现象作对比，多次进行试验和对比。

技术总结
本申请涉及一种测量微针刺入皮肤力学性能的试验装置及试验方法，其中试验装置包括机架；测力单元，安装于机架上，测力单元的一端设置有测力传感器；位移平台，安装于机架上且位于测力单元的旁侧，位移平台靠近测力单元的一端设置有探头安装座；皮肤模拟单元，皮肤模拟单元和待试验微针产品分别安装于探头安装座靠近测力传感器的一侧、测力传感器靠近探头安装座的一侧；摄像采集单元，安装于机架上，摄像采集单元上设置有显微镜镜头；控制显示单元，电连接于测力传感器、位移平台和摄像采集单元。本申请具有以下可预期的技术效果：可以清晰完整的观察到待试验微针产品的微针刺入皮肤模拟单元的过程，而且可以精准的测量微针刺入力和刺入位移。入力和刺入位移。入力和刺入位移。


技术研发人员：周雅捷 武少平 周永驰 董茜茜
受保护的技术使用者：武汉天时维璟微生物科技有限公司
技术研发日：2022.11.01
技术公布日：2023/8/24