ارزيابي پارامترهاي بيومكانيكي ريزسوزن‌هاي پزشكي با طراحي زيست‌الهام در تعامل با پوست با استفاده از روش المان محدود

Quantitative Analysis of Biomechanical Parameters of Bioinspirational Designed Medical Microneedles in Interaction with Skin using Finite Elements Method

ريزسوزن ها نوعي سوزن با ابعاد ميكروني هستند كه بعد از تحويل دارويي از طريق دهاني و تزريقي سومين سيستم تحويل پركاربرد هستند. باتوجه به هزينه ي بالاي ساخت ريزسوزن، شبيه سازي عددي نفوذ ريزسوزن در پوست مي تواند براي بررسي استحكام ريزسوزن و هم چنين اثر آن روي پوست در حين نفوذ مفيد باشد. در اين پژوهش ابتدا يك روش شبيه سازي جديد در نرم افزار آباكوس با روش صريح، با استفاده از المان هاي كوهسيو براي بررسي نفوذ ريزسوزن در پوست ساعد دست انسان ارايه شد. پوست به صورت مدل هايپرالاستيك اوگدن و دولايه در نظر گرفته شد. ريزسوزن به عنوان جسم صلب در نظر گرفته شد و به آن سرعت ثابت 6/0 ميلي متر بر ثانيه اعمال شد. ريزسوزن داراي بالك با عنوان هاي زيست الهام بررسي و پارامترهاي مهم آن مانند ارتفاع، تيزي و زاويه بالك ارزيابي گرديد. در انتها چند مدل پيشنهادي از ريزسوزن ها به همراه شيارهاي طولي براي افزايش تمركز تنش روي پوست و جلوگيري از اصطكاك ارايه شده است. مقايسه ريزسوزن بالك دار طراحي شده با ريزسوزن بدون بالك نشان مي دهد كه ريزسوزن بالك دار تمركز تنش بيشتري حدود دوبرابر روي پوست ايجاد مي كند، اما نيروي نفوذ را به اندازه ي 15 درصد كاهش مي دهد، كه در نتيجه ي آن راحت تر در پوست نفوذ مي كند. نتايج حاصل بيان مي كند شيارهاي طولي كاهشي تا حدود 10 درصد تنش ايجاد شده در پوست را افزايش داده ولي تاثير ناچيزي برروي نيروي نفوذ در پوست دارند. نتايج اين پژوهش مي تواند در زمينه دارورساني، نمونه برداري، جوان سازي به وسيله ريزسوزن و همچنين براي ساخت چسب هاي پزشكي و ريزسوزن هاي مورد استفاده در ثبت سيگنال زيستي مانند الكتروكارديوگرافي، الكترومايوگرافي و الكتروانسفالوگرافي نيز مفيد باشد.

Microneedles are a type of micron-sized needle that is the third most widely used delivery system after oral and injectable drug delivery, used in a variety of fields including drug release and rejuvenation. Optimizing the geometry of microneedles to reduce pain and inflammation has been important in recent years. Due to the high cost of microneedle fabrication, numerical simulation of microneedle penetration into the skin can be useful to evaluate the microneedle strength as well as its effect on the skin during penetration. In this study, first a new simulation method in Abaqus software with explicit method using cohesive elements to investigate the penetration of microneedles in the skin of the human forearm was presented. The skin was considered as Ogden and bilayer hyperelastic models. The microneedle was considered as a rigid body and a constant velocity of 0.6 mm/s was applied to it .The microneedle with bulk with bio-inspired titles was examined and its important parameters such as height, sharpness and bulk angle were evaluated. Finally, some proposed models of microneedles with longitudinal grooves are presented to increase the concentration of stress on the skin and prevent friction. A comparison of the designed microneedle with the barbless microneedle shows that the barbed microneedle concentrates more than twice as much stress on the skin, but reduces the penetration force by as much as 15%, making it easier to penetrate the skin. The results show that the reduction longitudinal grooves increase the tension created in the skin by about 10%, but have little effect on the penetrating force on the skin.