装置和其用途
阅读：643发布：2022-02-28
专利汇可以提供装置和其用途专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供装置和其用途。本文中公开的装置包括：一个或多个尖端，其中所述一个或多个尖端被设计并且构造成起始通过所述装置进行的穿透；和在邻近每个尖端的区域中的一个或多个突起。在一些实施方案中，一个或多个突起可以被构造并且布置成使得所要求的穿透 力 与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比减小。另外或者可选地，一个或多个突起可以被构造并且布置成使得所要求的拉出力与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比增大。，下面是装置和其用途专利的具体信息内容。
1.一种用于穿透衬底的装置，所述装置包括：
一个或多个尖端，其中所述一个或多个尖端被设计并且构造成起始通过所述装置进行的穿透；和
在邻近每个尖端的区域中的一个或多个突起。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得所要求的穿透力与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比减小。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得所要求的拉出力与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比增大。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中每个尖端的穿透点的直径小于针对所述在其它方面相同的装置所观察到的直径的120％。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起定位在每个尖端的锥形区域中。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述衬底是顺应性的或非顺应性的。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述衬底是组织。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起间隔开小于1cm、
5mm、500微米、100微米、10微米或1微米。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起是倒钩状的、半球形的、角锥形的、鱼叉形的、三角形的、圆锥形的、钩形的、椭圆形的或Y形的。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起独立地具有不同形状。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起与所述装置脱离。
12.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起包含生物可蚀解和／或生物可降解的聚合物。
13.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起的长度在50至
250μm或1μm至1mm的范围内。
14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起的长度在50至
70μm、100至120μm或170至220μm的范围内。
15.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起具有35至45μm、
50至250μm或1μm至1mm的最大宽度。
16.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起被布置成背离所述尖端，以使所述一个或多个突起在插入时向内弯曲，而所述一个或多个突起在拉出时向外弯曲。
17.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起被布置成使得所述一个或多个突起向内弯曲并且独立地起作用，以便减小所要求的穿透力。
18.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中邻近每个尖端的所述区域约为2至
4mm。
19.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起被布置成使得所述一个或多个突起向外弯曲并且协作地起作用，以便增大所要求的拉出力。
20.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中邻近每个尖端的所述区域约为2至
4mm。
21.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起彼此重叠以使所述一个或多个突起协作地工作，以便增大所要求的拉出力。
22.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起被布置成使得所述一个或多个突起向外弯曲并且独立地起作用，以便增大所要求的拉出力。
23.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中邻近每个尖端的所述区域约为0至
1mm。
24.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起被单向布置成背离所述尖端。
25.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起与所述一个或多个尖端的表面之间的角度是在0至90度、1至60度或1至20度的范围内。
26.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起彼此具有1％至
50％、5％至30％、10％至20％或多达90％的重叠。
27.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中邻近每个尖端的所述区域在模仿针对豪猪刚毛所观察到的相对距离的距离处。
28.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述邻近区域与每个尖端相距约1至
5mm、2至4mm或3至4mm。
29.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置的特征在于与针对所述在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比，所要求的穿透力减小至10％、25％、35％、75％或90％。
30.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置的特征在于与针对所述在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比，所要求的拉出力增大至1500％至125％、400％或200％。
31.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起包含选自以下各项的组的材料：聚合物、金属、陶瓷以及其任何组合。
32.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起的特征在于弯曲硬度比针对所述衬底所观察到的弯曲硬度大1至100倍、1至20倍或1至10倍。
33.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起包含形状记忆材料。
34.如权利要求33所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得在由插入到所述衬底中而使温度增高时，所述一个或多个突起通过回复成形状记忆退火形式而部署。
35.如权利要求33所述的装置，其中所述装置的特征在于与针对缺乏所述形状记忆材料、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比，所要求的拉出力进一步地增大。
36.如权利要求33至35中任一项所述的装置，其中所述形状记忆材料选自由以下各项组成的组：形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)、以及形状记忆陶瓷、电活性聚合物(EAP)、铁磁SMA、电流变(ER)组合物、磁流变(MR)组合物、介电弹性体、离子聚合物金属复合物(IPMC)、压电聚合物、压电陶瓷以及其任何组合。
37.如权利要求33至36中任一项所述的装置，其中所述形状记忆材料是镍钛诺。
38.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个尖端是水溶胀性的。
39.如前述权利要求中任一项所述的装置，其进一步包括本体。
40.如权利要求39所述的装置，其中所述本体包含选自由以下各项组成的组的弹性聚合物：聚(己内酯)、丙烯酸化星型聚(q-己内酯-共-d，l-丙交酯)、聚(二甲基硅氧烷)、聚氨酯、聚(丁二烯)、聚(柠檬酸酯)、聚(甘油癸二酸酯)(PGS)以及PGS-聚氨酯衍生物，以及其任何组合。
41.如权利要求39所述的装置，其中所述本体是非溶胀性的。
42.如权利要求39所述的装置，其中所述本体是防粘合的或排斥性的。
43.如权利要求39所述的装置，其中所述本体是薄膜、片材、条带、针、阵列、钩子或探针。
44.如权利要求39至43中任一项所述的装置，其中所述本体通过一个或多个轴杆来与所述一个或多个尖端连接。
45.如权利要求44所述的装置，其中所述一个或多个轴杆包含生物可降解的材料，以便所述一个或多个轴杆降解以使所述一个或多个尖端从所述本体释放。
46.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包含可降解的／可蚀解的材料。
47.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起由可降解材料的涂层覆盖，以使所述一个或多个突起在所述涂层降解之后暴露。
48.如权利要求46和47中任一项所述的装置，其中所述可降解的材料是选自由以下各项组成的组的聚合物：聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-共-乙醇酸、聚丙交酯、聚乙交酯、聚(丙交酯-共-乙交酯)、聚二噁烷酮、聚己内酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚氨基酸、聚酐、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯、聚(丙二醇-共-反丁烯二酸)、聚羟基烷酸酯、聚酯、聚酐、聚磷腈、聚(氰基丙烯酸烷基酯)、生物可降解性水凝胶、生物可降解性聚氨酯、泊洛沙姆、聚芳酯、氨基酸衍生的聚合物、基于氨基酸的聚合物，尤其是基于酪氨酸的聚合物，包括基于酪氨酸的聚碳酸酯，聚芳酯、聚(β-氨基酯)，以及其任何组合。
49.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个尖端包括皮下注射针。
50.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个尖端分别具有至少一个孔和至少一个腔。
51.如权利要求50所述的装置，其中所述至少一个孔使得所述腔与外部之间进行连通。
52.如权利要求50和51所述的装置，其中所述至少一个孔被布置并且构造成使得可以引入液体材料以便穿过所述腔并且接触所述尖端的表面。
53.如权利要求52所述的装置，其中所述液体材料在所述尖端的所述表面上固化并且形成所述突起。
54.如权利要求39所述的装置，其中所述本体是不可蚀解的。
55.如权利要求39所述的装置，其中所述一个或多个尖端或所述一个或多个突起是可蚀解的或可降解的，并且其中与所述一个或多个尖端或所述一个或多个突起相比，所述本体更慢地蚀解或降解。
56.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个尖端被构造并且布置到针、微针阵列、探针、钩子或套针中。
57.如前述权利要求中任一项所述的装置，其进一步包括圆锥形、角锥形、圆柱形或矩形棱柱突起的阵列。
58.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述一个或多个突起通过选自以下各项的组的技术进行制作：激光切割、干式蚀刻、湿式蚀刻、压印涂布、模制、印花、压花、双光子光刻、三维印刷、静纺丝、压印、干涉光刻以及其任何组合。
59.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置用于选自由以下各项组成的组的应用：接取医疗部位；体液采样以用于诊断；针刺；对膜或网状物进行粘结用以治疗疝气、溃疡以及烧伤；封住内部或外部伤口；肺部切除程序之后防止漏气；递送药物；通过腹腔镜来放置组织粘合剂或扶壁；实现血管止血；对眼科上皮产生粘合；以及产生临时性手术缩回。
60.如前述权利要求中任一项所述的装置，其进一步包括有效负荷。
61.如权利要求60所述的装置，其中所述有效负荷包括生物活性剂。
62.如权利要求60所述的装置，其中所述有效负荷被涂布到所述一个或多个尖端的表面上。
63.如权利要求60所述的装置，其中所述有效负荷被并入到所述一个或多个尖端的腔中。
64.如权利要求61中任一项所述的装置，其中所述生物活性剂选自由以下各项组成的组：抗病毒剂、粘合剂、抗微生物剂、抗生素剂、氨基酸、肽、蛋白质、糖蛋白、脂蛋白、抗体、类固醇化合物、抗生素、抗霉菌素、细胞因子、维生素、碳水化合物、脂质、细胞外基质、细胞外基质组分、化疗剂、细胞毒素剂、生长因子、抗排斥剂、止痛剂、消炎剂、病毒载体、蛋白质合成辅因子、激素、内分泌组织、合成剂、酶、具有实质细胞的聚合物-细胞支架剂、血管生成药物、胶原晶格、抗原剂、细胞骨架剂、间充质干细胞、骨骼消化剂、抗肿瘤剂、细胞引诱剂、纤连蛋白、生长激素细胞附着剂、免疫抑制剂、核酸、表面活性剂以及渗透促进剂。
65.一种使用用于穿透衬底的装置的方法，所述装置包括：
一个或多个尖端，其中所述一个或多个尖端被设计并且构造成起始通过所述装置进行的穿透；和
在邻近所述一个或多个尖端中的每个尖端的区域中的一个或多个突起，所述方法包括使用所述装置穿透所述衬底。
66.如权利要求65所述的方法，其中所述衬底是本体或本体部分。
67.如权利要求66所述的方法，其中所述穿透步骤包括将所述装置插入含有体液的部位中。
68.如权利要求67所述的方法，其进一步包括对所述体液进行采样。
69.如权利要求68所述的方法，其进一步包括：处理所述样本以用于诊断目的；针刺；
对膜或网状物进行粘结以用于治疗疝气、溃疡、烧伤；封住内部和／或外部伤口。
70.如权利要求66的方法，其中所述衬底是选自以下各项的身体组织：皮肤、肌肉、心脏、脾、肝、脑、肠、胃、胆囊、血管、筋膜、硬脑膜、眼、唇、舌、粘膜、肺、肾、胰腺以及耳。
71.一种制造用于穿透衬底的装置的方法，所述装置包括：
一个或多个尖端，其中所述一个或多个尖端被设计并且构造成起始通过所述装置进行的穿透；和
在邻近所述一个或多个尖端中的每个尖端的区域中的一个或多个突起。
72.在一种设计／制造用于穿透顺应性衬底的装置的方法中，所述装置包括用于起始穿透的一个或多个尖端，改进之处包括：
在邻近所述一个或多个尖端的区域中并入一个或多个突起。
73.如权利要求72所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比，所要求的穿透力减小。
74.如权利要求72或73所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得与针对缺乏一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比，所要求的拉出力增大。
75.在一种用于穿透衬底的装置中，所述装置包括用于起始穿透的一个或多个尖端，改进之处包括：
在邻近所述一个或多个尖端的区域中的一个或多个突起。
76.如权利要求75所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比，所要求的穿透力减小。
77.如权利要求75或76所述的装置，其中所述一个或多个突起被构造并且布置成使得与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比，所要求的拉出力增大。
装置和其用途
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2011年1月18日提交的美国临时专利申请U.S.S.N.61/433,934和2011年3月16日提交的美国临时专利申请U.S.S.N.61/453,521的优先权，所述申请的内容是通过引用并入本文。
[0003] 政府支持
[0004] 本文所述的工作部分由来自国立卫生研究院(National Institute of Health)(基金号GM086433)以及美国心脏协会(American Heart Association)(基金号0835601D)、国家科学基金会(National Science Foundation)(基金号NIRT0609182)以及国立卫生研究院(基金号DE013023)的基金支持。美国政府对本申请具有某些权利。
[0005] 背景
[0006] 北美豪猪在其背面具有大约30,000根刚毛，并且当它遇到捕食者时，通过直接接触捕食者而促进刚毛释放。每根刚毛尖端含有微型的向后倒钩，而如非洲豪猪、刺猬以及针鼹的其它哺乳动物具有平滑的刚毛(或棘刺)。如果刚毛尖端刺入捕食者的皮肤，施加在刚毛的轴杆上的所产生的反作用力可能强到足以使得刚毛的根部从周围组织切断，从而可以帮助豪猪逃离敌人。文献已经充分证明一旦豪猪刚毛刺入组织之中(通常穿过皮肤与肌肉)，就难以从捕食者去除这些刚毛。然而，穿透和拉出过程中所涉及的力尚有待描述，并且综合机制仍然令人困惑。对于科学与工业界来说，北美豪猪的仿生学应是值得关注的。
[0007] 尽管已经使用多种针和其派生物，但促进模仿并且改善自然系统(例如，北美豪猪刚毛)的创新将会是有益的。更一般来说，仍然需要促进穿透和／或粘接至衬底的装置和方法。
[0008] 概述
[0009] 本公开提供一种用于穿透衬底的装置和其用途。这种装置包括：一个或多个尖端，其中所述一个或多个尖端被设计并且构造成起始通过所述装置进行的穿透；和在邻近每个尖端的区域中的一个或多个突起。在一些实施方案中，一个或多个突起可以被构造并且布置成使得所要求的穿透力与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比减小。另外或者可选地，一个或多个突起可以被构造并且布置成使得所要求的拉出力与针对缺乏所述一个或多个突起、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比增大。
[0010] 定义
[0012] 术语“生物可降解”应理解为是指在置于活的动物或含活细胞的介质之后使自身化学组成改变(例如，降解)、使数均分子量最终降低的任何材料。
[0013] 如本文所用的术语“尖端”通常是指具有至少两个不同维度的物体的较小的端区域或物体的含有突起的尖区域。
[0014] 如本文所用的术语“轴杆”通常是指物体的狭长区域。
[0015] 如本文所用的术语“针”通常是指刺穿衬底的物体。
[0016] 如本文所用的术语“微针”通常是指至少一个尺寸约为10纳米至1,000微米的尖锐物体。
[0017] 术语“皮下注射针”在本领域中应理解为是指适配成用于并且能够穿透任何物种的表皮的物体(无论是实心还是含有一个或多个腔)。
[0018] 如本文所用的术语“倒钩”是指具有附在如轴杆的主体上的至少一个尖锐的尖区域的物体。
[0020] 附图仅仅出于说明目的，而非用于限制。
[0021] 图1描绘示例性的可部署的有倒钩的刚毛阵列：A)有倒钩的、面内针的刚毛模仿阵列；B)组织插入之前弯曲到平面外的有倒钩的针。
[0022] 图2描绘示例性的有倒钩的皮下注射针：A)未改进的皮下注射针；B)有倒钩的皮下注射针。
[0024] 图4示出：(A)代表性的刚毛的数码照片，所述刚毛具有不同长度的有倒钩的区域，其中所述长度通常是在3至5mm的范围内。(B)光学显微图像证实了具有4mm有倒钩的区域的刚毛的长度。(C)单个刚毛的顺序FE-SEM图像示出从功能性倒钩到含有未显露的倒钩(即，这些倒钩尚未能接合组织)的平滑表面的过渡。
[0025] 图5示出：(A-B)数码照片示出(A)豪猪刚毛(A)和(B)18号针的类似直径。小方框指示用来测量刚毛或针的直径的区域。(C)代表性的力-延展性曲线示出18号针对肌肉组织的穿透与拉出轮廓。
[0026] 图6示出：(A)FE-SEM图像，其示出非洲豪猪刚毛的表面特征。(B)代表性的力对延展性曲线图示出用于插入到肌肉组织中的非洲豪猪刚毛的穿透力和去除力。(C)表概括了由肌肉组织内的非洲豪猪刚毛的穿透／去除过程所得到的值(n=5)。平均值与标准偏差一起示出。
[0027] 图7示出：(A)有两个倒钩的刚毛的初始几何形状，其中指示了单个倒钩的尺寸和两个倒钩之间的距离。(B)在模拟中所用的有限元网格。所述有限元网格含有刚毛与组织，并且它是来自模拟的快照。
[0028] 图8示出：(A)通过对天然刚毛的长度尺度测量来对豪猪刚毛进行尺寸分析以用于有限元分析(FEA)(n=5)。平均值与标准偏差一起示出。就曲线而论，存在三个过渡点。L和W分别指示长度和宽度。(B)插入建模组织之前的无倒钩的刚毛的全网格。(C)刚毛／组织界面处的精细网格的放大视图。
[0029] 图9示出(A)-(H)：代表性的光学显微图像证实八个刚毛的有倒钩的区域，所述刚毛已磨光以便获得特定长度的有倒钩的区域。(C)中的插图示出1mm有倒钩的区域的放大图像。
[0030] 图10示出(A)和(B)：在4mm穿透深度进入组织中后，去除有倒钩的刚毛后的特征性FE-SEM图像(对于示出在穿透到组织之前的刚毛的FE-SEM图像，参见图1B)。如白色箭头所指示，残余组织沿着倒钩的长度并且在倒钩下方呈现。比例标尺表示50μm。(C)代表性的力-延展性曲线示出用纤维肌肉组织获得的穿透和拉出力以及由明胶凝胶制得的非纤维模型组织相匹配的密度(n=5)。
[0031] 图11描绘在对肌肉组织进行穿透-缩回测试之后，无倒钩的刚毛的代表性FE-SEM图像。(A)穿透到组织中之前；(B)从组织中去除之后。白色箭头指示因无倒钩的刚毛与组织之间的摩擦而粘合的组织。
[0032] 图12描绘通过单轴向拉伸测试，针对猪皮的代表性的应力对应变曲线(对于每次实验，n=5)。曲线的特征在于：随着应变增大超过75％，在0％至75％处的低硬度区域，而后是急剧增大。在低硬度区域中，组织纤维平行对齐，直到达到最大张拉点。已经达到锁定张拉后，皮肤的进一步延展要求组织纤维的延展，从而使得硬度剧增。猪皮的橡胶模量和网络互锁张拉分别为0.05至0.28MPa和1.27至2.35。猪皮的失效强度为8.2至15.4MPa，这与之前所报告的值类似。它与人类皮肤的值5至30MPa可比。用于猪皮的极限应变范围是25％至118％，这同样与用于人类皮肤的值35％至115％类似。
[0033] 图13描绘代表性的力对延展性的曲线图，所述曲线图来自天然刚毛和复制模制的PU刚毛对肌肉组织的穿透-缩回测试。用于天然刚毛和PU不可部署的有倒钩的刚毛的移除的功分别是0.144±0.048mJ和0.053±0.023mJ。
[0034] 图14描绘(A)通过单轴向拉伸测试获得的针对北美豪猪刚毛的代表性的应力对应变曲线(对于每次试验，n=5)。尖端和基部的杨氏模量分别是3.25±0.24GPa和2.44±0.19GPa，而针对尖端和基部的拉伸强度分别是136.54±18.46MPa和104.25±18.80MPa。对于尖端和基部，韧度分别是0.92±0.62mJ和54.73±35.02mJ，这强调了刚毛基部比尖端明显更具顺应性。在本文中，将数据呈现为平均值与标准偏差。(B)和(C)：数码照片示出测量杨氏模量和拉伸强度之前和之后的刚毛的基部和尖端。
[0035] 图15示出两个曲线图：(A)曲线图以点图(n=28)示出翘曲(在单轴向负荷(MTest，100mm／分钟)下)的临界负荷对细长比L/r(样本的长度对半径)，其中拟合曲线示出为红色实线。(B)刚毛细长比的L／r直方图和累积分布(n=101)。在曲线图下方给出由穿透-缩回测试获得的针对猪皮的穿刺力，与穿刺猪皮而不翘曲的刚毛的百分数。
[0036] 图16是描绘豪猪刚毛穿刺并且穿透到组织中的草图。初始穿刺之后，穿透到组织中。在此工作中使用的穿刺力和穿透力的定义是以双箭头示出。
[0037] 图17示出：(A)数码照片图解出切割刚毛以得到四个区段，其中(B)至(E)示出每个区段的FE-SEM图像。针对各低放大倍数图像(左侧)，(F)至(I)中示出了刚毛主体的代表性的高放大倍数图像(右侧)。针对(B)至(E)和(F)至(I)，比例标尺分别表示200μm和20μm。
[0038] 图18示出：(A)数码照片示出用FE-SEM检查的纵向切割的尖端的位置。(B)至(D)：低放大倍数FE-SEM图像。比例标尺表示200μm。(E)至(G)：高放大倍数FE-SEM图像，其中比例标尺表示20μm。
[0039] 图19示出：(A)纵向切割的基部的数码照片。将刚毛主体内的代表性的区域指示为红色圆圈，并且示出为(B)至(E)FE-SEM图像。(B)中的刚毛中心指示为白色点线。特征性区域包括(C)中心、(D)边界以及(E)边缘。
[0040] 图20示出豪猪刚毛尖端和基部的氨基酸组成。数据表示自3个刚毛获得的平均值与标准偏差。误差条表示标准偏差。*摩尔％仅仅基于所分析的氨基酸来计算。
[0041] 图21示出(A)北美豪猪刚毛的数码照片。(B)和(C)：分别示出刚毛尖端和基部的微结构的FE-SEM图像。(D)荧光图像使得能够对单个倒钩的几何形状进行视觉描绘。(E)示出北美豪猪刚毛的微结构尖端的FE-SEM图像。比例标尺表示200μm。(F)代表性的力对延展性曲线图示出穿刺(在组织压缩1至2mm之后发生)、接着肌肉组织内的有倒钩的和无倒钩的刚毛的穿透和去除。刚毛穿透深度维持在10mm。插图示出无倒钩的和有倒钩的刚毛的微米级的外形。比例标尺表示100μm。箭头指示在将刚毛从组织中去除时遇到的周期性的阻力(对于无倒钩的刚毛未观察到这一点)。(G)表格概括了由有倒钩的刚毛、无倒钩的刚毛以及18号针的穿透／去除过程所获得的实验值(n=5)。±符号表示标准偏差。
[0042] 图22示出(A)刚毛(无倒钩的刚毛和有两个重叠倒钩的刚毛)和组织中所吸收的应变能。能量来自穿透到皮肤中的无倒钩的和有两个倒钩的刚毛的有限元建模。还示出了刚毛中的增大的应变能。(B和C)：在将无倒钩的和有两个倒钩的刚毛穿透到组织中时皮肤组织中的应变场分布。(D和E)：通过硬度为(D)1000GPa和(E)0.001GPa的刚毛在组织中发展的应变场。两种模拟在几何形状上是相同的。由于解决方案的非收敛性，刚硬刚毛无法穿透更深。(F)和(G)：FE-SEM图像示出通过对天然有倒钩的和无倒钩的刚毛进行复制模制所得到的合成PU刚毛。比例标尺表示100μm。(H)使PU刚毛以4mm深度穿透到肌肉组织中所要求的力。将平均值与标准偏差一起示出(n=5，学生t-检验，显著性水平95％)。将盒须图的须设定为±1.2倍标准偏差。(I)制作出的模仿刚毛的针的代表性数码照片。
(J)将制作出的有倒钩的／无倒钩的针穿透到人类皮肤模型中所要求的力。数据示出平均穿透力与准偏差(n=3，每个针使用至少4次，学生t-检验，显著性水平95％)。(H)和(J)中的盒须图的须的下方和上方的“x”分别指示第1百分位和第99百分位。
(J)将制作出的有倒钩的／无倒钩的针穿透到人类皮肤模型中所要求的力。数据示出平均穿透力与准偏差(n=3，每个针使用至少4次，学生t-检验，显著性水平95％)。(H)和(J)中的盒须图的须的下方和上方的“x”分别指示第1百分位和第99百分位。
[0043] 图23示出：(A)穿透到皮肤组织中的刚毛的有限元建模示出压缩应力(以MPa计)，所述压缩应力来自以与刚毛尖端相距一定距离而作用在刚毛上的组织。这是10mm穿透到皮肤组织中的末端处的应力状态。(B)和(C)：用制备的刚毛获得的穿透和拉出力(来自每次穿透n=5个不同刚毛)。对于所有实验，穿透深度均为10mm。将平均值与标准偏差一起示出。草图描绘而制备成具有通过使用砂纸进行磨削而获得的特定长度的倒钩的刚毛。蓝色指示有倒钩的区域，并且白色指示无倒钩的区域。将一些制备的刚毛的穿透力和拉出力与无倒钩的刚毛(刚毛1)的穿透力和拉出力进行比较。力差被定义为Δij(Δij=刚毛j的穿透(或拉出)力-刚毛i的穿透(或拉出)力))。
[0044] 图24示出(A)和(B)豪猪刚毛在从猪皮中去除之前和之后的代表性的光学和荧光图像。荧光图像通过合并沿Z轴在不同焦平面所取的若干图像得到。比例标尺表示100μm。(C)至(F)：将刚毛从猪皮中去除之后的FE-SEM显微照片。残余组织用蓝色箭头指示。图中的红色箭头指示拉出过程中的倒钩的弯曲。(G)穿透深度为4mm的代表性的力对延展性曲线图，其中如箭头所指示，穿刺通常会在组织压缩1至2mm之后发生(n=5)。(H)至(J)：刚毛在从猪皮上去除之后的光学图像适用于检查组织相互作用的不均匀性并且适用于建立倒钩弯曲与表(K)中所概括的组织粘合相对水平之间的关系。每幅图像中的比例标尺表示100μm。(L)：数码照片示出所制作的模仿刚毛的补片，所述补片由7个无倒钩的或有倒钩的PU刚毛组成。(M)由无倒钩的和有倒钩的PU刚毛补片获得的组织粘合力(n=5，学生t-检验，95％的显著性水平)。盒须图的须被设定为±1.2倍标准偏差。(N)数码照片示出在从肌肉组织缩回过程中与肌肉组织相互作用的模仿刚毛的片段。
[0045] 某些实施方案的详述
[0046] 在理论上，根据本公开使用的一种用于穿透衬底的装置可以具有任何形状或设计。例如，装置或装置本体可为或可以包括薄膜、片材、条带、针、阵列、钩子和／或探针。
[0047] 装置尖端一般是指物体的末端和／或尖区域，所述末端和／或点区域足够尖锐以便起始穿透。通常，尖端是细长或锥形的某物的端点，并且可以含有任何形状的轴杆(例如，锥形区域)，所述轴杆与根据本公开使用的装置的本体连接。一种装置可以含有一个或多个尖端。
[0048] 每个尖端可以独立地具有在邻近尖端的顶点的区域中的一个或多个突起。所述一个或多个突起可以被构造并且布置成使得所要求的穿透力与针对缺乏所述一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比减小。在一些实施方案中，本文所述的装置的特征可以在于：与针对缺乏一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比，所要求的穿透力减小到或小于5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、50％、75％或90％。在一些实施方案中，本文所述的装置的特征可以在于：与针对缺乏一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的穿透力相比，所要求的穿透力减小到处于以上任两个值的范围内。另外或可选地，所述一个或多个突起可以被构造并且布置成使得所要求的拉出力与针对缺乏所述一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比增大。在一些实施方案中，本文所述的装置的特征可以在于：与针对缺乏一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比，所要求的拉出力增大到或大于1500％、1000％、500％、400％、300％、250％、200％、150％或125％。在一些实施方案中，本文所述的装置的特征可以在于：与针对缺乏一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的拉出力相比，所要求的拉出力增大到处于以上任两个值的范围内。在一些实施方案中，各尖端的穿透点的直径可以小于针对缺乏一个或多个突起的、在其它方面相同的装置所观察到的直径的140％、120％、110％或105％。
[0049] 在旨在用于生物应用的一些实施方案中，装置的尺寸或尺寸比率约为北美豪猪刚毛所显示的尺寸或尺寸比率。在一些实施方案中，尺寸或比率可以明显小于或大于刚毛的尺寸或比率，甚至小或者大几个量级。
[0050] 突起
[0051] 总体上，本文所述的装置包括一个或多个尖端和在邻近每个尖端的区域中从尖端表面延展出的一个或多个突起。
[0052] 在某些实施方案中，本文所述的装置可以包括单个突起。在不同实施方案中，多个突起包括两个或更多个突起。在一些实施方案中，突起的数量可以多达约十亿。通常，特定装置所用的突起的数量可以取决于间距和使得突起从中突出的区域。例如，突起可以彼此间隔开约或小于1cm、5mm、1mm、500微米、200微米、100微米、50微米或10微米。突起之间的间距可以在1cm至5mm、5mm至1mm、500微米至200微米、200微米至100微米、100微米至50微米、50微米至10微米、10微米至1微米的范围内或在以上任两个值之间。
[0053] 根据本公开，装置可以被布置并且构造成使得一个或多个突起在三维空间中在不同方向上从邻近一个或多个尖端中的每个尖端的区域中突出。例如，突起可以从邻近尖端的区域的表面中径向突出，每个突起独立相对于表面的切线或相对于从中突出突起的轴杆而成一定角度。在一些实施方案中，突起在所述突起所邻近的尖端的相反方向上向外伸出。多个突起中的每一个可以独立地具有90度的角度或任何其它小于90度的角度。在一些实施方案中，所述角度可以约为或小于80度、70度、60度、50度、40度、30度、20度、10度、5度、4度、3度、2度、1度或甚至0度。在一些实施方案中，所述角度可以在0至90度、1至
60度、1至50度、1至30度、1至20度、1至10度、1至5度、1至3度或1至2度的范围内。
在一些实施方案中，突起可以是单向的。在某些实施方案中，突起(例如，角锥形的突起)可能不向内或向外定向。
60度、1至50度、1至30度、1至20度、1至10度、1至5度、1至3度或1至2度的范围内。
在一些实施方案中，突起可以是单向的。在某些实施方案中，突起(例如，角锥形的突起)可能不向内或向外定向。
[0054] 在一些实施方案中，一个突起或多个突起中的多个突起的尺寸和／或形状针对装置有待使用的具体方式进行设计。在不希望受任何具体理论束缚的情况下，如单个突起的尺寸(例如，长度、宽度、厚度)和／或突起的形状(例如，倒钩状等等)的参数可以影响邻近放置有突起的尖端的穿透和／或拉出，并且因此影响装置的效率和功能。
[0055] 突起的尺寸总体上包括长度、宽度以及厚度。在一些实施方案中，突起是倒钩状的或呈任何其它形状，并且可以具有最大宽度。取决于应用，突起可以独立设计成不同形状。总体来说，根据本公开，可以使用使得周界周围的细点处的应力集中局部最大化的形状作为具有减小的插入力的良好切割形状。使得组织围绕较大特征铺展的形状将有助于使去除力增加。例如，突起可为倒钩状的、半球形的、角锥形的、鱼叉形的、三角形的、圆锥形的、钩形的、椭圆形的或Y形的。
[0056] 在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以约为或小于1cm、5mm、2mm、1mm、500μm、300μm、250μm、200μm、150μm、120μm、100μm、90μm、80μm、70μm、60μm、
50μm、40μm、30μm、20μm、10μm、5μm、1μm或甚至500nm。在一些实施方案中，单个突起的长度可以大于500nm、1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、
80μm、90μm、100μm、120μm、150μm、200μm、250μm、300μm、500μm、1mm、2mm、5mm或 甚至1cm。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在1cm至约1μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在1mm至10μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在500μm至100μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在200μm至100μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在120μm至100μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在70μm至约50μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在50μm至10μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在以上任两个值的范围内。在某些实施方案中，可能需要根据装置的应用／用途来调整突起的至少一个尺寸。
50μm、40μm、30μm、20μm、10μm、5μm、1μm或甚至500nm。在一些实施方案中，单个突起的长度可以大于500nm、1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、
80μm、90μm、100μm、120μm、150μm、200μm、250μm、300μm、500μm、1mm、2mm、5mm或 甚至1cm。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在1cm至约1μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在1mm至10μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在500μm至100μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在200μm至100μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在120μm至100μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在70μm至约50μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在50μm至10μm的范围内。在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以在以上任两个值的范围内。在某些实施方案中，可能需要根据装置的应用／用途来调整突起的至少一个尺寸。
[0057] 在一些实施方案中，单个突起的一个尺寸与另一尺寸(例如，长度／宽度)的长宽比可以约为、小于或大于50、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.5、0.2或甚至0.1。在一些实施方案中，一个尺寸与另一尺寸的长宽比可以在50至1的范围内。在一些实施方案中，一个尺寸与另一尺寸的长宽比可以在10至1的范围内。在一些实施方案中，一个尺寸与另一尺寸的长宽比可以在5至1的范围内。在一些实施方案中，一个尺寸与另一尺寸的长宽比可以在2至1的范围内。在一些实施方案中，一个尺寸与另一尺寸的长宽比可以在以上任两个值的范围内。在某些实施方案中，可能需要根据装置的应用／用途来调整突起的一个尺寸与另一尺寸的长宽比。
[0058] 在一些实施方案中，突起可以彼此重叠。在一些实施方案中，突起可以具有大约、小于或者大于突起大小的1％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或甚至90％的重叠。在一些实施方案中，重叠可以在突起大小的1％至50％的范围内。在一些实施方案中，重叠可以在突起大小的5％至30％的范围内。在一些实施方案中，重叠可以在突起大小的10％至20％的范围内。在一些实施方案中，重叠可以在突起大小的以上任两个值的范围内。在不受到任何具体理论束缚的情况下，提出在一些实施方案中，当突起具有重叠特征时，它们可以协作地影响装置功能。在某些实施方案中，可能需要根据装置应用／用途来调整重叠。
[0059] 如上所述，本文所述的尖端可以包括与装置本体连接的轴杆。典型的轴杆具有锥形区域。例如，轴杆可以是锥形的柱、圆锥、角锥、半球或三角。取决于根据本公开使用的装置的设计／用途，尖端的(通常在其轴杆上的)截面的尺寸可以不同。在一些实施方案中，截面的尺寸可以约为、小于或者大于10cm、5cm、4cm、3cm、2cm、1cm、5mm、1mm或甚至500μm。在一些实施方案中，截面尺寸可以在1cm至1mm的范围内。在一些实施方案中，截面尺寸可以在以上任两个值的范围内。
[0060] 根据本公开的突起可以被布置并且构造成从邻近每个尖端的区域中突出。在一些实施方案中，突起定位在邻近每个尖端的锥形区域中。取决于设计和应用，邻近区域可以相距尖端顶点有一定距离。例如，为了如下文实施例所说明来对豪猪刚毛进行模仿，距离可以是从豪猪刚毛所观察到的相对距离。在一些实施方案中，邻近区域与尖端顶点相距的距离可以约为、小于或者大于0.01mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、1cm、2cm、4cm、5cm或甚至10cm。在一些实施方案中，邻近区域与尖端顶点相距的范围可以在0至10mm、1至5mm、0至2mm、2至4mm或3至4mm。在一些实施方案中，邻近区域与尖端顶点相距的范围可以在以上任两个值内。取决于装置大小／用途，与尖端顶点相距的距离可以相对于定位有突起的尖端的轴杆的截面尺寸进行调整。例如，与尖端顶点相距的距离可以约为或者小于截面尺寸的0.1倍、0.5倍、1倍、2倍、5倍、10倍或甚至20倍。在不受任何具体理论束缚的情况下，定位在尖端顶点附近的突起可能会对装置的所要求的拉出力显示出很大影响，而次于并且远离尖端顶点定位的突起可能会对最小化所要求的穿透力显示出实质影响。
[0061] 除了上文关于突起尺寸的论述外，在一些实施方案中，单个突起的至少一个尺寸可以相对于定位有突起的尖端的轴杆的截面尺寸进行调整。例如，单个突起的至少一个尺寸可以约为或者小于截面尺寸的0.1倍、0.5倍、1倍、2倍、5倍、10倍或甚至20倍。
[0062] 材料
[0063] 如本文所述包括一个或多个尖端和一个或多个突起的装置可以由一种或多种材料制成或者包含一种或多种材料。不同部分可以由不同材料制成或者包含不同材料以用于不同特性。例如，装置可以具有本体，本体是由非溶胀性性材料制成或者包含非溶胀性性材料。装置本体可以是防粘合的或排斥性的。另外或者可选地，装置本体可以是不可蚀解的或不可降解的。
[0064] 示例性的材料包括但不限于：金属(例如，金、银、铂、钢或其它合金)；涂覆有金属的材料；金属氧化物；塑料；陶瓷；硅；玻璃；云母；石墨；水凝胶；以及聚合物，如不可降解的或生物可降解的聚合物；以及其组合。总体来说，材料能够以任何形式和／或可以出于不同目的和／或可以在不同区域(例如，一个或多个尖端和其邻近区域)中使用。
[0065] 在不受任何具体理论束缚的情况下，改变根据本公开使用的材料的组成(例如，组分、重量百分数、分子量等等)可以影响材料特性，以用于不同功能／应用。例如，装置所穿透的衬底可以是顺应性的，并且根据本公开的一个或多个尖端／突起可以制成并且特征在于：硬度大于衬底硬度。在某些实施方案中，尖端／突起的硬度可以约为或者可以是衬底硬度的2倍、5倍、10倍、20倍、30倍、40倍、50倍或100倍以上。
[0066] 在一些实施方案中，装置可由可变形的材料制成或者包含可变形的材料。例如，装置的一部分(例如，一个或多个突起)可由柔韧性聚合物制成或包含柔韧性聚合物，所述聚合物可以具有低的弯曲模量。可部署的突起可能能够部署或者弯曲，并且部署／弯曲可以影响装置的穿透和／或拉出。示例性的可部署的突起在图1和图3中示出。在某些实施方案中，可能需要调整(例如)聚合物的分子量或者合金中的金属的重量百分数，以便实现某种弯曲能力。
[0067] 再举例来说，可变形的材料(例如，水凝胶、热塑性塑料、形状记忆材料)可以取决于压力或者温度来改变形状／大小，并且可以用于装置的不同部分中。在某些实施方案中，装置的一个或多个尖端可由水溶胀性材料(例如，水凝胶)制成或者含有水溶胀性材料。在某些实施方案中，装置的一个或多个突起可由形状记忆材料制成或者含有形状记忆材料。形状记忆材料可响应于激活信号而改变成训练形状。示例性的形状记忆材料包括但不限于形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)，以及形状记忆陶瓷、电活性聚合物(EAP)、铁磁SMA、电流变(ER)组合物、磁流变(MR)组合物、介电弹性体、离子聚合物金属复合物(IPMC)、压电聚合物、压电陶瓷以及其不同组合。合适的形状记忆合金材料包括但不限于：基于镍-钛的合金、基于铟-钛的合金、基于镍-铝的合金、基于镍-镓的合金、基于铜的合金(例如，铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金以及铜-锡合金)、基于金-镉的合金、基于银-镉的合金、基于铟-镉的合金、基于锰-铜的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-钯的合金以及类似合金材料。合金可以是二阶、三阶或任何更高阶的，只要合金组成显示出形状记忆效应即可，例如，形状取向、阻尼容量以及类似效应的改变。关于形状记忆材料的更多论述可见美国专利申请US20090241537，所述申请的内容通过引用并入。在某些实施方案中，根据本公开使用的形状记忆材料是镍钛诺。在不受任何具体理论束缚的情况下，通过插入到衬底中而使温度增高时，利用形状记忆材料的可变形的突起可以通过回复成形状记忆退火形式而部署。
[0069] 在一些实施方案中，装置可由可蚀解的和／或可降解的材料制成或者可以包含可蚀解的和／或可降解的材料。举例来说，尖端可以含有能够降解以使非常尖的尖端部分从装置本体上释放的轴杆。另外或者可选地，在穿透之后，突起可与尖端脱离，并且突起可以保留在衬底中或者经过蚀解／降解，以使装置的所要求的穿透力能够在不增加拉出力的情况下实现。在某些实施方案中，尖端和／或突起可以是可蚀解的和／或可降解的，并且与尖端或突起相比，装置本体可以更慢地降解／蚀解。可蚀解的和／或可降解的材料可以用来涂布本文所述的装置或其任何部分。
[0070] 在一些实施方案中，装置可由一种或多种聚合物制成或者包含一种或多种聚合物。例如，如下所讨论的根据本公开使用的装置的一部分(例如，尖端和／或在邻近尖端的区域中的突起)可由一种或多种聚合物制成或者包含一种或多种聚合物。可使用本领域中已知的各种聚合物和方法。聚合物可以是天然聚合物或非天然(例如，合成)聚合物。在一些实施方案中，聚合物可以是线性或支化聚合物。在一些实施方案中，聚合物可以是树状聚合物。聚合物可以是均聚物或包含两种或更多种单体的共聚物。就序列而论，共聚物可以为嵌段共聚物、接枝共聚物、无规共聚物、共混物、混合物和／或上述任何聚合物和其它聚合物的加合物。
[0071] 根据本申请使用的聚合物可以具有广泛范围的分子量。在一些实施方案中，聚合物的分子量大于5kDa。在一些实施方案中，聚合物的分子量大于10kDa。在一些实施方案中，聚合物的分子量大于50kDa。在一些实施方案中，聚合物的分子量的范围是约5kDa至约100kDa。在一些实施方案中，聚合物的分子量的范围是约10kDa至约50kDa。
[0072] 在一些实施方案中，聚合物可以是合成聚合物，包括但不限于聚乙烯、聚碳酸酯(例如，聚(1，3-二噁烷-2-酮))、聚酐(例如，聚(癸二酸酐))、聚羟基酸(例如，聚(β-羟基烷酸酯))、聚反丁烯二酸丙基脂、聚己内酯、聚酰胺(例如，聚己内酰胺)、聚缩醛、聚醚、聚酯(例如，聚丙交酯、聚乙交酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚磷腈、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚脲、聚苯乙烯以及聚胺，以及其共聚物。在一些实施方案中，聚合物包括已由美国食品与药品管理局(FDA)依据21C.F.R.§177.2600批准用于人类的聚合物，包括但不限于：聚酯(例如，聚乳酸、聚(乳酸-共-乙醇酸)、聚己内酯、聚戊内酯、聚(1，3-二噁烷-2-酮))；聚酐(例如，聚(癸二酸酐))；聚醚(例如，聚乙二醇)；聚氨酯；聚甲基丙烯酸酯；聚丙烯酸酯；聚氰基丙烯酸酯；PEG与聚(环氧乙烷)(PEO)的共聚物。
[0073] 根据本申请，PEG在一些实施方案中可以是适用的，因为它们是无毒的、非免疫原性的、对于大多数生物分子(例如，蛋白质)呈惰性的，并且由FDA批准而可用于各种临床用途。PEG聚合物可以使用多种方法共价交联以形成水凝胶。在一些实施方案中，使用丙烯酸酯封端的PEG单体来通过光聚作用以使PEG链交联。除了化学改性外，可以使用PEG的嵌段聚合物(如PEO和聚(环氧丙烷)的三嵌段共聚物(以下称作PEO-b-PPO-b-PEO))、可降解的PEO、聚(乳酸)(PLA)以及其它类似材料来为PEG添加特定特性。
[0075] 本领域中已知的可降解的聚合物包括(例如)某些聚酯、聚酐、聚原酸酯、聚磷腈、聚磷酸酯、某些聚羟基酸、聚反丁烯二酸丙脂、聚己内酯、聚酰胺、聚(氨基酸)、聚缩醛、聚醚、生物可降解的聚氰基丙烯酸酯、生物可降解的聚氨酯以及多糖。例如，可以使用的具体生物可降解的聚合物包括但不限于聚赖氨酸、聚(乳酸)(PLA)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚(己内酯)(PCL)、聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLG)、聚(丙交酯-共-己内酯)(PLC)以及聚(乙交酯-共-己内酯)(PGC)。另一示例性的可降解的聚合物是聚(β-氨基酯)，根据本申请聚(β-氨基酸酯)可能适用。
[0076] 如以上所论述的合适的可降解的聚合物以及其衍生物或组合可以选择并且适配成具有所希望的降解速率。可选地或者另外，降解速率可以通过将如先前所述的其它材料(例如，不可降解的材料)与一种或多种可降解的聚合物相缔合或混合来进行微调。
[0077] 总体来说，如本文所用的降解速率可以用材料在某种条件下(例如，在生理条件下)降解某个百分数(例如，50％)的时间来指定。在一些实施方案中，如本文所述的装置或装置的一部分的降解时间可以具有广泛范围。在一些实施方案中，降解时间可以大于1分钟、5分钟、30分钟、1小时、2小时、5小时、12小时、24小时、1.5天、2天、5天、7天、15天、30天、2个月、6个月、1年、2年或甚至5年。在实施方案中，降解时间可以为约或者小于10年、5年、2年、1年、6个月、2个月、30天、15天、7天、5天、2天、1.5天、24小时、12小时、5小时、2小时、1小时、30分钟或甚至5分钟。降解时间可以在12至24小时、1至6个月或1至5年的范围内。在一些实施方案中，降解时间可以在以上任两个值的范围内。
[0078] 另外或者可选地，如以上提及的合适的形状记忆聚合物包括热塑性塑料、热固性塑料、互穿网状物、半互穿网状物或混合网状物。聚合物可以是线性或具有侧链或树状结构单元的支化热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物的合适的聚合物组分包括但不限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚烯烃、聚丙烯酰胺、聚烷二醇、聚环氧烷、聚对苯二甲酸烷二酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚卤乙烯、聚酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯以及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的实例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸异丁酯)以及聚(丙烯酸十八烷酯)。其它合适的聚合物的实例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚(环氧乙烷)-聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚乙烯／尼龙(接枝共聚物)、聚己内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面体低聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯／丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物以及类似聚合物。在一些实施方案中，一些多嵌段共聚物是由以下各项制成或者包含以下各项：(1)亚甲基双(4-苯基异氰酸酯)／1，4-丁二醇和聚(ε-己内酯)；(2)聚(对苯二甲酸乙二醇酯)和聚(环氧乙烷)；(3)聚(2-甲基-2-噁唑啉)和聚(四氢呋喃)；(4)亚甲基双(4-苯基异氰酸酯)／1，4-丁二醇和聚(四氢呋喃)；(5)亚甲基双(4-苯基异氰酸酯)／1，4-丁二醇和聚(己二酸乙二醇酯)；
(6)碳二亚胺改性的二异氰酸酯和聚(己二酸丁二醇酯)；(7)乙二醇和聚(四氢呋喃)；或其任何组合。
(6)碳二亚胺改性的二异氰酸酯和聚(己二酸丁二醇酯)；(7)乙二醇和聚(四氢呋喃)；或其任何组合。
[0079] 制造和使用
[0080] 根据本公开的装置可以使用如以上所论述的示例性材料并且通过合适的方法制造。例如，装置以及其任何部分(例如，突起)可以通过包括但不限于以下的技术来制作：激光切割、干式蚀刻、湿式蚀刻、压印涂布、模制、印花、压花、双光子光刻、三维印刷、电纺丝、压印、干涉光刻以及其任何组合。
[0081] 适于根据本公开使用的装置或装置的一部分(例如，尖端)的实例可以是或包括皮下注射针。尖端可以具有至少一个孔和至少一个腔。所述孔可以用来使得腔与外部之间连通。
[0082] 具有一个或多个倒钩状的突起的示例性的皮下注射针在图2中示出。改进的针允许如生物组织的软材料浸润到针轴杆中的空间，针轴杆随后会与单向突起进行机械互锁以增大拉出力。通过轴杆的改进所产生的空间可以填充有可降解的、水溶性的或环境提示材料，所述材料在插入过程中保持完整并且在拉出时消失，从而产生可部署的系统。在某些实施方案中，突起可以在与针的尖端相距一定距离处凹陷，所述距离模仿针对豪猪刚毛所观察到的相对距离(例如，3至4mm)。在一些实施方案中，突起可以定位在每个尖端的锥形部分上。在某些实施方案中，突起的弯曲硬度约为衬底的弯曲硬度或者更大，从而使得所述突起弯曲以便在拉出过程中部署。
[0083] 在一些实施方案中，皮下注射针经过激光切割、机械加工或蚀刻以便产生突起。例如，皮下注射针可以制备成将材料从轴杆上去除，以便产生钩形针。钩子可以覆盖有牺牲性聚合物层，所述牺牲性聚合物层在插入时存在并且在拉出过程中消失，以便增加机械互锁。
[0084] 在一些实施方案中，为了在装置表面上产生凸起特征，可将任何形状的孔激光切割、机械加工或蚀刻到皮下注射针中。随后，可以按受控方式将液体材料引入针的腔中，而同时堵塞尖端，以迫使材料穿过孔。然后，材料可以通过以下任一操作进行固化，包括但不限于冷却、通过加热或暴露于紫外线辐射来交联。在一些实施方案中，固化后，材料至少与其将要插入的材料一样顺应。在一些实施方案中，如在刚毛的与减小的穿透力最直接相关的有倒钩的区域中所观察，孔的宽度或直径为约100微米。在一些实施方案中，孔可以被制成与针的尖端相距一定距离，所述距离模仿针对豪猪刚毛所观察到的相对距离(例如，3至4mm)。在另一优选实施方案中，孔被制造在针的锥形部分中。
[0085] 在一些实施方案中，突起形态可以压印涂布、激光切割、机械加工或蚀刻到皮下注射针中。在一些实施方案中，所述形态可以通过对一个或多个现有豪猪刚毛进行模制以便产生阴模来实现。阴模随后可以用液体材料填充，所述液体材料固化后得到豪猪刚毛的阳铸件。
[0086] 本文所述的装置和方法可用于各种应用，所述应用包括但不限于：医疗装置、钻孔、打钉、捕鱼、紧固、缝合、衣服制造、织物、发夹、固持装置、组装分层系统、工业粘合剂，皮肤刺穿(包括穿耳)、制鞋或工业穿刺装置。
[0087] 在一些实施方案中，装置可以被设定尺寸并且构造用作针、微针阵列、补片、钩子、探针、套针、植入物等等。衬底可以是顺应性的或非顺应性的。在一些实施方案中，衬底可以是靶标部位处的组织。示例性的组织包括但不限于：皮肤、肌肉、心脏、脾、肝、脑、肠、胃、胆囊、血管、筋膜、脑膜、眼、唇、舌、粘膜、肺、肾、胰腺以及耳。
[0088] 在一些实施方案中，所提供的装置和方法可以用于接取身体中的部位。在一些实施方案中，此处所述的装置和方法可以用于插入含有体液的部位。所述装置和方法可以用来对体液进行采样，或者可以进一步用于处理以用于诊断目的；针刺；对膜或网状物进行粘结用以治疗疝气、溃疡、以及烧伤；封住内部或外部伤口(缝合／卡钉置换／增补)。
[0089] 在一些实施方式中，所提供的装置和方法可以用于装置／管道／监测系统／药物递送装置在皮肤或肌肉或其它组织上的应用、肺部切除程序之后防止漏气、递送药物，通过腹腔镜来放置组织粘合剂或扶壁；实现血管止血；对眼科上皮产生粘合；和／或产生临时性手术缩回。
[0090] 在一些实施方案中，本文所述的装置和方法可以用于或者用作机械粘合剂。另外或者作为替代，本文所述的装置和方法可以用作或用于递送系统并且可以在穿透到衬底之后释放有效负荷。另外或者作为替代，本文中公开的装置和方法可以用于采样和／或诊断。实施例
[0091] 实施例1：
[0092] 材料和方法
[0093] 材料：北美(具体来说太平洋西北)豪猪刚毛和非洲豪猪刚毛购自美国Minute Bear Trading。荧光素(钠盐，染料含量约70％，Aldrich)；若丹明B(染料含量约90％，Sigma-Aldrich)；乙醇(ACS试剂，≥99.5％，无水乙醇(200proof)，Sigma-Aldrich)；184硅酮弹性体试剂盒(美国Dow Corning公司)；UV-可固化聚氨酯丙烯酸酯
(韩国Minuta Tech.)；Irgacure2959(Ciba Specialty Chemicals公司)；18号、19号以及
25号7／8针(Becton Dickinson公司)；人工人类皮肤(SynDaverTM Labs)；家禽肌肉组织(Shaw’s公司)；明胶粉末(DifcoTM，BD)；砂纸(3M wetordry砂纸413Q400和Norton MultiSandTM，60)；氰基丙烯酸脂胶水(Loctite495，Loctite公司)；工业刀片(手术碳钢，单刃9号，VWR)；聚醚醚酮(PEEK)六角螺母(小型零件)；具有背衬粘合剂的硅酮橡胶膜(McMaster-Carr)；销安装短柱(直径25.4mm，高度9.5mm，并且销径3.2mm，Ted Pella公司)；5分钟和60分钟型环氧树脂胶水(ITW Performance Polymer)按接收到的原样使用。
新鲜猪皮购自当地肉店。细的铜丝(直径约0.2mm)取自电线(AWM类型，RadioShack)。
(韩国Minuta Tech.)；Irgacure2959(Ciba Specialty Chemicals公司)；18号、19号以及
25号7／8针(Becton Dickinson公司)；人工人类皮肤(SynDaverTM Labs)；家禽肌肉组织(Shaw’s公司)；明胶粉末(DifcoTM，BD)；砂纸(3M wetordry砂纸413Q400和Norton MultiSandTM，60)；氰基丙烯酸脂胶水(Loctite495，Loctite公司)；工业刀片(手术碳钢，单刃9号，VWR)；聚醚醚酮(PEEK)六角螺母(小型零件)；具有背衬粘合剂的硅酮橡胶膜(McMaster-Carr)；销安装短柱(直径25.4mm，高度9.5mm，并且销径3.2mm，Ted Pella公司)；5分钟和60分钟型环氧树脂胶水(ITW Performance Polymer)按接收到的原样使用。
新鲜猪皮购自当地肉店。细的铜丝(直径约0.2mm)取自电线(AWM类型，RadioShack)。
[0094] 对肌肉组织和明胶凝胶的穿透-缩回测试：穿透-缩回测试用机械测试器(型号5540，Instron公司)执行。仅仅选择具有长度为4mm的有倒钩的区域的刚毛用于测试，如用毫米尺和解剖光学显微镜(SZ-6PLUS，Cambridge Instruments)测量。使用刀片来将肌肉组织切割成宽度为3至4em、长度为2至3cm并且厚度为4至5mm的试样。将组织试样安装在机械测试器的底座处的下部夹具内。在固定过程中，小心不要过渡压缩组织。在将试样固定在夹具之间之后，用刀片切割夹具上的暴露出的多余组织，从而产生平坦组织表面。
将刚毛固定在上部夹具之间，并且将尖端调整成接触组织表面。以1mm／秒的速率将刚毛穿透到肌肉组织中达到所需的深度、通常10mm，并且以0.033mm／秒的速率拉出，以便研究倒钩在从组织中去除过程中是如何起作用的。在所有实验的持续过程中，用磷酸盐缓冲盐水保持组织湿润。每一个刚毛用于单一测量。由于无法夹住明胶凝胶，因此用替代设置执行将明胶凝胶用作非纤维组织的对照物的实验。替代下部夹具，使用压缩台在测量过程中固定明胶凝胶。换句话说，明胶凝胶被固定在台上而不进行压缩。考虑到此实验设置，通过将组织中的厚的区段置于下部夹具之间而不进行压缩来对肌肉组织执行另一测试。为了使得肌肉组织的任何移动最小化，准备不进行压缩就能够配合下部夹具之间的可用空间的鸡胸组织。通过将明胶粉末溶解到40℃的蒸馏水中并且将其冷却至室温，明胶凝胶被制备成与肌肉组织具有相同的密度。对于组织和明胶，平均穿透力和平均拉出力由n=5个不同样本来测量。
将刚毛固定在上部夹具之间，并且将尖端调整成接触组织表面。以1mm／秒的速率将刚毛穿透到肌肉组织中达到所需的深度、通常10mm，并且以0.033mm／秒的速率拉出，以便研究倒钩在从组织中去除过程中是如何起作用的。在所有实验的持续过程中，用磷酸盐缓冲盐水保持组织湿润。每一个刚毛用于单一测量。由于无法夹住明胶凝胶，因此用替代设置执行将明胶凝胶用作非纤维组织的对照物的实验。替代下部夹具，使用压缩台在测量过程中固定明胶凝胶。换句话说，明胶凝胶被固定在台上而不进行压缩。考虑到此实验设置，通过将组织中的厚的区段置于下部夹具之间而不进行压缩来对肌肉组织执行另一测试。为了使得肌肉组织的任何移动最小化，准备不进行压缩就能够配合下部夹具之间的可用空间的鸡胸组织。通过将明胶粉末溶解到40℃的蒸馏水中并且将其冷却至室温，明胶凝胶被制备成与肌肉组织具有相同的密度。对于组织和明胶，平均穿透力和平均拉出力由n=5个不同样本来测量。
[0095] 肌肉组织密度测量：组织密度使用先前所述的方法进行测量：简单来说，组织密度使用25ml玻璃比重计通过以下等式(1)进行测定。
[0096] ds=sdw/(mpf-mt+s) (1)
[0097] 其中ds是组织密度(g／mL)，dw是水的密度(g／mL)，s是干燥组织的重量(g)，mpf是比重计和水的重量(g)，并且mt是比重计、水以及组织的重量。为了获得干燥组织的重量，将组织在烘箱中在60℃下进行干燥，直到7天之后重量达到稳定水平。
[0099] 对猪皮的穿透-缩回测试：使用刀片来将新鲜猪皮切割成宽度为3至4cm并且长度为3cm的试样。对于粘合剂测试，将豪猪刚毛插入在下部夹具内竖直对准的猪皮中，其中穿透深度为4mm。测试的其余部分遵循先前针对肌肉组织所描述的程序。
[0100] 猪皮机械特性的表征：将试样切割成狗骨形状(2cm×5cm)。用于测量的皮肤的长度(夹具之间的距离)为6mm。为了防止猪皮从夹具上滑落下来，除了测量区域之外，用砂纸(磨料粒度数为P60)覆盖猪皮。使用氰基丙烯酸脂胶水和卡钉来将砂纸紧紧贴在猪皮上。使用X pert760机械测试器(ADMET公司)执行单轴向拉伸测试以测量所准备的猪皮的机械特性。拉伸测试速率为1mm／分钟，并且使用有限弹性的郎之万反演模型来拟合所得到的数据。
[0101] 针对豪猪刚毛基部和尖端的杨氏模量和拉伸强度的测量：对于基部测量，执行拉伸测试。为了夹持基部结构而不压碎末端，将小型钢针(19号针的尖端部分)插入到两端中，以便维持圆柱形的几何形状。随后，将铜线和环氧树脂胶水用在外部，以便防止样本从夹具上滑落下来。为了准确测量尖端的杨氏模量，用底部夹具夹持靠近顶点1mm处的顶部，使得2mm被暴露以供测量。假设夹具之间暴露出的2mm长的区域的截面直径(约0.30mm)保持恒定。将所准备的基部和尖端样本安装在机械测试器的下部夹具与上部夹具之间。对于基部和尖端来说，下部夹具与上部夹具之间的距离分别是8mm和2mm。对于n=5个不同样本，测量以1mm／分钟的速率执行。
[0102] 氨基酸分析：将干净的豪猪刚毛切割并且划分成4mm长的尖端(即，仅仅有倒钩的区域)和基部，并且各采集3mg用于分析。用添加有0.1％苯酚的200μL6N盐酸(HCL)在110℃下对样本执行液相水解持续24小时。在用酸水解之后，将样本干燥1小时，并且随后将其溶解在正亮氨酸稀释缓冲液中，得到20或40ml的最终体积。用涡旋器来将最终溶液彻底混合，并且将50μL装载到分析器(Hitachi的L-8800Na氨基酸分析器)中。所注入的50μL含有2.0nmol的正亮氨酸作为内部标准。
[0103] 执行另外的分析以获得在用6N HCL水解期间可能会破坏的半胱氨酸的浓度。简单来说，通过在1.0mL的过甲酸中在4℃下将基部和尖端样本培养过夜，将半胱氨酸氧化成磺基丙氨酸。随后，干燥样本并且如上所述准备用于氨基酸含量分析。
[0104] 翘曲阻力测试：为了测量豪猪刚毛的轴杆的翘曲阻力，随机选择28个刚毛以供进行单轴向压缩测试。略微修剪尖端，以便提供具有近乎均匀的截面面积的轴杆，并且所得长度和直径用测径器来精确测量。将刚毛安装在机械测试器中，介于锯齿状的铝块之间，以在刚毛两端提供枢轴连接。以100mm／分钟的速率降低机械测试器，并且记录所得负荷。临界负荷通过记录翘曲失效时的负荷来确定并且相对于刚毛的细长比进行绘图。
[0105] 刚毛的表面表征：在溅射涂布30nm厚的金之后，用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM，JEOL5910)来检查穿透-缩回测试之前或之后的豪猪刚毛的微结构。光和荧光图像用Nikon Eclipse TE-2000-U显微镜(日本Nikon Digital Sight DS-QiMC相机)来获得。用解剖光学显微镜(SZ-6PLUS，Cambridge Instruments公司)来检查每个刚毛的有倒钩的区域的长度，并且获得光学数码图像(日本佳能IXY Digital)。
[0106] 聚氨酯(PU)刚毛和模仿刚毛的针的制作：聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)预聚合物通过以10：1的比率将基部材料与固化剂混合来制备。剧烈混合并且脱气之后，通过在70℃下进行热固化过夜来制备天然有倒钩和无倒钩的刚毛的PDMS模具。为了制造模仿刚毛的针，在此阶段中将25号针插入刚毛中。在固化PDMS后，去除刚毛和针以便产生PDMS模具。将与0.1％光引发剂混合的聚氨酯丙烯酸酯添加到PDMS模具中。为了制作模仿刚毛的针，在此阶段中将25号针再次插入模具中，从而允许聚氨酯粘附到针上。随后，将样本置于黑暗中的真空干燥器中，以将样本脱气1至2小时。样本随后在UV(254nm)下固化90分钟，并且然后将其从模具中去除。
[0107] PU刚毛和针对组织的穿透力的测量：准备肌肉组织的厚的区段以配合机械测试器的下部夹具之间的可用空间。将所准备的组织放置在夹具之间而不进行压缩。将PU刚毛固定在机械测试器的上部夹具之间，并且将尖端调整成接触组织表面。以1mm／秒的速率将刚毛穿透到肌肉组织中达到所需的深度4mm。在所有实验的持续过程中，用磷酸盐缓冲盐水保持组织湿润。每一个刚毛用于单一测量。平均穿透力是由n=5个不同样本进行测量。
[0108] 模仿刚毛的PU针的穿透力是用模仿人类皮肤特性的人造皮肤(SynDaver Labs)来进行检查。将所制作的PU针与测力计(日本Nidec-Shimpo公司，型号FGV-5XY)相连接，并且将所述PU针手动插入到皮肤组织中。测力计读出所要求的穿透力。每个针至少使用4次。平均穿透力由n=3个不同样本获得。
[0109] 具有PU刚毛六角形阵列的模仿刚毛的补片的制作：将天然刚毛的尖端(长度5mm)复制成具有六角螺母基部，并且使用60分钟型环氧树脂胶水布置成具有硅酮背衬层的六角形阵列。产生有倒钩的或无倒钩的刚毛的PDMS模具之后，按照与先前描述相同的工序生产复制模制的PU刚毛。随后将7个PU有倒钩的／无倒钩的样本被组与硅酮背衬层组装在一起。PU刚毛的六角基部允许六角形阵列的简单对齐。为了确保所述阵列是稳定的，使用5分钟型环氧胶水来将另一背衬层附接到所组装的样本上。补片内的所有PU刚毛垂直于背衬层。
[0110] 模仿刚毛的补片的组织粘合力的测量：使用改进的ASTMF2258-05测量模仿刚毛的补片的组织粘合力。使用氰基丙烯酸酯胶水来将肌肉组织的平坦区段贴到测试固定件(即，直径为25.4mm的销安装短柱)。将所准备的组织样本安装在机械测试器的底座处的下部夹具内。将模仿刚毛的补片胶粘到另一固定件上，并且将所准备的补片固定在机械测试器的上部夹具之间。将补片内的刚毛的尖端调整成接触组织表面。以1mm／秒的速率将补片穿透到肌肉组织中达到4mm的深度，并且以0.033mm／秒的速率拉出，以便研究倒钩在从组织去除过程中是如何起作用的。在所有实验的持续过程中，用磷酸盐缓冲盐水保持组织湿润。平均组织粘合力是由n=5个不同样本进行测量。
[0111] 有限元分析(FEA)：对于穿透皮肤的有两个倒钩的刚毛的有限元模拟，采用用图7所示的初始网格进行的几何形状的二维近似。刚毛组分是由946Abaqus CPE3三角形单元组成，并且组织是由982Abaqus CPE4H混合四边形单元组成。将刚毛和倒钩建模成线性弹性材料，如由刚毛尖端的单轴向拉伸实验(图14)所测定，杨氏模量E=3.25GPa并且泊松比v=0.4。为了模拟刚毛穿透到猪皮中，分析猪皮的机械响应并且将拉伸数据拟合至有限弹性的郎之万反演模型，并且测定猪皮的橡胶模量和网络锁定张拉性(图12)。猪皮的橡胶模量为0.05至0.28Mpa并且其网络锁定张拉性为1.27至2.35。猪皮的失效强度为8.2至15.4MPa，这与之前所报告的值类似。对于有限单元模拟，使用郎之万反演模型将皮肤建模为非线性不可压缩材料，其初始剪切模量μ=0.165Mpa，并且锁定张拉性λL=1.81。模拟是由两个步骤组成。为了解释在此模拟中在所考虑的区段之前已经穿透的刚毛，首先将刚毛平移到右侧以便预压组织随后，在第二步骤中，向下平移刚毛，以便滑过组织。这使模型等效于考虑到在表面仅有两个倒钩的整个刚毛。刚毛与组织之间的接触建模为无摩擦的，以对自然地遇到的潮湿环境进行建模。
[0112] 对于穿透到猪皮中的整个无倒钩的刚毛的有限元模拟，采用用图8所示的初始网格进行的几何形状的二维近似，所述二维近似是基于天然刚毛。刚毛网格是由257Abaqus CPE4R四边形单元和201Abaqus CPE3三角形单元组成，同样组织是由17422Abaqus CPE4H混合四边形单元组成施加在刚毛上的移位边界条件包括沿着左边缘的对称性，而顶部边缘被给予10mm的向下移位，以使刚毛穿透到组织中。组织上的移位边界条件包括被钉住的沿着底部和右边缘的结点，而顶部边缘是无牵引的。为了对因刚毛穿透而造成的组织“撕裂”进行建模，界定沿着左边缘和刚性表面(未示出)的组织单元之间的内聚相互作用。内聚相互作用表现出弹性，具有与组织中的非线性弹性相同的初始硬度，并且随后在10MPa(与实验结果类似(图12))的最大正常应力下失效(失去承载能力)。当前，Abaqus／Standard并不支持轴对称的内聚相互作用和失效，因此将几何形状建模成平面应变，以便维持穿透的“撕裂”特性，从而使得材料参数能够变化，以便观察模拟之间的相对差异。刚毛与组织之间的接触建模为无摩擦的，以对自然地遇到的潮湿环境进行建模。
[0113] 在纤维组织与非纤维明胶凝胶之间进行比较以检查组织纤维的机械互锁，从而实现组织粘合：为了检查通过钩住组织纤维而机械互锁是否会对组织固持力有所贡献，使用明胶凝胶作为非纤维组织的模型来执行穿透-缩回测试。为了使得明胶凝胶的密度匹配肌肉组织的密度，首先如上所述通过获得干质量和湿体积(用比重计进行检查)确定肌肉组织的纤维的组分是0.237±0.006g／mL。使用明胶凝胶执行测试，其中穿透深度为4mm。为了防止明胶凝胶因夹持而损坏，将凝胶放置在机械测试器上而不进行压缩。相应地，用肌肉组织重复这种设置，以便允许对明胶与肌肉数据进行比较。如图10C所示，通过非纤维明胶凝胶和带倒钩的刚毛所产生的拉出力为0.009±0.003N，所述拉出力明显低于从纤维肌肉组织中去除穿透4mm的豪猪刚毛所要求的力0.052±0.021N。这个数据表明：组织纤维通过倒钩进行机械互锁是产生组织粘合的重要因素。
[0114] 结果与讨论
[0115] 仿生的第一步骤是要理解介导生物功能的机制。为此，已经阐明了北美豪猪刚毛如何与组织进行最佳相互作用以呈现最小穿透力与最大拉出力的机制。
[0116] 北美豪猪刚毛具有通过黑色(尖端)和白色(基部)区分的两个不同区域(图21A)。尽管圆锥形的黑色尖端在其表面上含有一层微观向后的倒钩，但圆柱形的白色基部含有相对平滑的鳞状结构(图21B(尖端)，图21C(基部))。如图21D所示，倒钩略微重叠，并且多数倒钩具有长度范围在100至120μm的尺寸，而最大宽度为35至45μm。每个倒钩的尖端与刚毛的轴杆之间存在1至5μm的空间。在尖端顶点处，倒钩短至50至70μm，如图21B和图21E所示，然而在与尖端相距超过1mm处，倒钩为170至220μm。有趣的是，如通过光学显微镜术所观察并且通过FE-SEM所证实(图4)，倒钩仅存在于黑色尖端的一部分上，并且有倒钩的区域的长度会变化(通常在3至5mm的范围内)。因此，通过仅仅使用具有4mm的有倒钩的区域的刚毛来对测试进行标准化。
[0117] 图21F示出穿透-缩回测试的结果，所述测试包括倒钩已经通过轻磨而小心地去除的无倒钩的对照刚毛。将穿透到肌肉组织中的深度设置为10mm(在1mm／s的穿透速度下)，并且所要求用于穿透的力被定义为穿透力。刚毛通常刺穿皮肤进入肌肉组织中，肌肉组织可能退缩并且收缩，从而将刚毛拉动进入更深位置。在实验中，除了在穿透期间压缩外植的肌肉组织、然后在去除插入力时弹性松弛时以外，所述外植的肌肉组织是静止的。相对于基线来说，去除刚毛所要求的最大力被定义为拉出力。令人惊讶的是，图21F示出有倒钩的刚毛所要求的穿透力与无倒钩的刚毛相比小54％。对于有倒钩的刚毛来说，穿透的功为1.08±0.37mJ，无倒钩的刚毛要求2.41±0.28mJ(图21G)。关于拉出力，具有倒钩的刚毛要求0.44±0.06N，无倒钩的刚毛的值为0.11±0.02N。用于去除有倒钩的刚毛和无倒钩的刚毛的功分别是1.73±0.41mJ和0.28±0.03mJ。因此，应清楚倒钩的存在明显使穿透力减少并且导致组织固持力增大。有趣的是，与医用皮下注射针相比，有倒钩的刚毛要求较少的力和功来穿透到组织中。假定平均刚毛直径为1.161±0.114mm，检查18号针(直径为
1.262±0.003mm)穿透到肌肉组织中所要求的力和功(图5)。针穿透到肌肉组织中的平均力为0.59±0.11N，并且穿透功为2.75±0.70mJ(图21G)。
1.262±0.003mm)穿透到肌肉组织中所要求的力和功(图5)。针穿透到肌肉组织中的平均力为0.59±0.11N，并且穿透功为2.75±0.70mJ(图21G)。
[0118] 作为对倒钩存在的另外对照，使用如图6A所述具有平滑表面的非洲豪猪刚毛执行穿透-缩回测试：穿透功和去除功分别为2.13±0.04mJ和0.22±0.06mJ(图6B和图6C)。这些值和力对延展性曲线图的轮廓示出与无倒钩的刚毛类似的趋势。考虑到非洲豪猪刚毛和无倒钩的北美刚毛示出明显不同于有倒钩的北美刚毛的类似穿透和拉出行为，倒钩对于减小穿透力与产生组织粘附来说显现出是必须的。
[0119] 为了理解有倒钩的刚毛所要求的穿透力与穿透功的减少，开发了简化的有限元模型(图7)。假定穿透功=刚毛应变能+组织应变能+耗散(包括组织撕裂，并且在实践中可以包括摩擦，但这并不包括在模型中)。通过在模拟中改变所简化的有两个倒钩的刚毛组分的硬度(其中包括倒钩的刚毛显示出均匀硬度)，观察到由刚毛与组织吸收掉的应变能。具体来说，由于倒钩的添加，因此天然刚毛中的应变能(处于3.25GPa)从9.09E-08pJ／
3 3 3
μm 增加到1.36E-04pJ／μm，而组织中的能量从0.01302pJ／μm 增加到0.01310pJ／
3
μm(图22A)。考虑到刚毛和组织中的应变能的组合增长可忽略不计，假定减小的穿透功是由如组织撕裂的耗散能减小来促成。
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μm 增加到1.36E-04pJ／μm，而组织中的能量从0.01302pJ／μm 增加到0.01310pJ／
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μm(图22A)。考虑到刚毛和组织中的应变能的组合增长可忽略不计，假定减小的穿透功是由如组织撕裂的耗散能减小来促成。
[0120] 为了穿透到组织中，刚毛必须在尖端处撕裂组织并且通过张拉并且撕裂组织纤维来使孔在周向膨胀。为了分析倒钩对此过程的作用，针对无倒钩的刚毛与有两个倒钩的刚毛使用有限元分析(FEA)查看组织中的应变分布(图22B和图22C)。分析揭示，组织主要通过倒钩附近的应力集中来张拉并且变形。不管倒钩硬度，这种情况都会发生(图22D和图22E)。假定应力集中起作用以便局部张拉并且撕裂组织，从而减少使围绕刚毛的组织的整个圆周变形的需要，并且因此使穿透力减小。因此，天然豪猪刚毛的有倒钩的特征产生最佳表面，从而通过产生策略性安排的应力集中来减小穿透力。为了证实这种假设，通过复制模制来制作有倒钩的(不可部署的)和无倒钩的聚氨酯(PU)刚毛(图22F和图22G)。两种所制作的刚毛的穿透力通过将它们插入肌肉组织中4mm来检查。无倒钩的PU刚毛的穿透力是0.046±0.010N，而有倒钩的PU刚毛要求减少了35％的穿透力，即0.030±0.006N(图22H)。另外，天然有倒钩的刚毛对同一肌肉组织的穿透力为0.043±0.013N，这与有倒钩的PU刚毛的穿透力并无明显不同。尽管PU刚毛的倒钩无法弯曲，但刚毛具有许多尖锐点(即，倒钩)，其中应力可以在刚毛穿透到组织中期间集中。因此，所制作的PU刚毛的实验结果支持：在倒钩处的应力集中有助于减小天然豪猪刚毛的穿透力。由于倒钩具有的数量级与肌肉组织纤维相同，均在50至100μm内，因此在倒钩处集中的应力可能有助于局部切割组织。这种概念潜在地可以用于开发具有减小的穿透力的新型医用针。为此，经由复制模制制作一种原型皮下注射针，所述原型皮下注射针拥有豪猪刚毛的微观倒钩。通过对人类皮肤模型的测试，有倒钩的PU针与无倒钩的PU针相比，示出减少80％的穿透力(图22I至图
22J)。
22J)。
[0121] 利用应力集中来易化穿透的另一自然系统是蚊子喙。与豪猪刚毛相比，蚊子喙具有复杂的机制，所述机制利用共同易化穿透到组织中的三个不同的针。这个过程涉及首先张拉具有平滑下唇的物体的表面，并且随后将两个锯齿状颚插入到组织中，从而导致两个颚之间的应力集中。最后，将下唇、即吸血的针插入到两个颚之间的物体中。张拉和穿透的此操作一秒重复30,000次，从而将喙进一步地逐渐推进到组织中。与利用5个结构的协调移动来穿透到组织中的蚊子相反，豪猪刚毛非常简单，仅仅要求其倒钩状的几何形状来减小穿透力。另外，豪猪刚毛特别之处在于，为了容易穿透与高组织粘合，它在几何学上进行优化。
[0122] 使用FEA来对刚毛穿透进行的进一步简化的建模揭示：刚毛尖端的几何形状针对以下两者进行优化：易于穿过组织与高去除阻力(图23A)。具体来说，在将刚毛或针插入组织中后，在周围组织中出现拉伸和压缩‘区’。刚毛具有如图8所示的三个几何过渡区。组织压缩是从第一过渡区切向于刚毛发生，所述第一过渡区与尖端顶点相距约3mm，在第二过渡区处组织压缩最大。这表明，最接近第一过渡区的倒钩可能会经历与组织的最大相互作用。为了验证这种情况，使用磨光技术来产生在特定区域拥有倒钩的刚毛(图9)。
[0123] 图23B示出，刚毛1要求0.71±0.09N来穿透到组织中10mm，而刚毛2要求0.33±0.08N(Δ12=-0.38)。与无倒钩的刚毛相比，如果仅仅包括刚毛尖端处的有倒钩的区域的前1或2mm(刚毛3和4)，那么力并不会减小。然而，当包括2至3mm区域中的倒钩时，穿透力大大减少。仅在2至4mm区域中具有倒钩的刚毛7导致穿透力的大大减小，减小约
0.26N。另外，与无倒钩的刚毛(刚毛1)相比，2至3mm(刚毛8)或3至4mm(刚毛6)有倒钩的区域独立使穿透力减小。这些结果表明，靠近刚毛的第一过渡区的2至4mm有倒钩的区域对于减小穿透力来说是最为重要的。由于刚毛干的宽度在第一过渡区处比尖端顶点要大，因此在过渡区内的倒钩处集中的应力可能有利于在穿透到组织中过程中进行切割。
0.26N。另外，与无倒钩的刚毛(刚毛1)相比，2至3mm(刚毛8)或3至4mm(刚毛6)有倒钩的区域独立使穿透力减小。这些结果表明，靠近刚毛的第一过渡区的2至4mm有倒钩的区域对于减小穿透力来说是最为重要的。由于刚毛干的宽度在第一过渡区处比尖端顶点要大，因此在过渡区内的倒钩处集中的应力可能有利于在穿透到组织中过程中进行切割。
[0124] 倒钩的存在贡献了0.33N的拉出力(将具有4mm有倒钩的区域的刚毛、即刚毛2与无倒钩的刚毛、即刚毛1进行比较；Δ12=0.33)，0.11N归因于尖端处的前1mm有倒钩的区域(刚毛3)(图23C)。将刚毛3与5进行比较(Δ35=0.08)，表明与尖端处的1mm区域相比，1至3mm有倒钩的区域对拉出力具有较小影响。在刚毛2与5之间对拉出力进行比较(Δ25=0.14)，表明在过渡区附近的1mm区域(在基部)可能是重要的。然而，与无倒钩的刚毛相比，倒钩仅存在于3至4mm区域中(刚毛6)或仅存在于2至4mm区域中(刚毛7)不会使拉出力实质性增加。此外，在2至3mm区域中的倒钩单独不会使拉出力增加。这些数据表明，不同区域中的倒钩可能协作地工作。协作性进一步由缺少加和作用(Δ14+Δ17≠Δ12并且Δ15+Δ16≠Δ12)来支持。总之，结果表明从尖端开始的前1mm区域是增加拉出力的最重要的“单个”有倒钩的区域。然而，2至4mm区域通过与其它有倒钩的区域协作地作用而对增加拉出力有明显贡献。协作性可以是倒钩重叠的函数，其中在过渡区附近的来自组织的对倒钩的增加的压缩力将倒钩挤压成更为接近尖端。或者，在尖端附近的倒钩由于更近端的倒钩所切割的组织而可能会经历不同应力。(对于所有刚毛准备物的去除功的概括，参见下表1)。此数据一起表明刚毛通过比简单钩住组织纤维更复杂的机制实现粘合。
[0125] 表1.通过对肌肉组织的穿透-缩回测试获得的概括的穿透功和去除功(来自图23)(n=5)。所有准备好的刚毛都被插入到组织中达到10mm的深度。
[0126]
[0127]
[0128] 为了检查倒钩如何对组织产生机械粘合，在图10和图11检查了刚毛从纤维组织和非纤维对照物中的去除。有趣的是，组织纤维在倒钩下方机械互锁(图10B)，这表明倒钩可以在从组织中去除过程中部署或弯曲。假定倒钩的这种部署可以通过使倒钩径向伸出以远离刚毛来增加组织粘合(由此增加刚毛表观直径)，从而使得摩擦阻力显著增加并且促成与组织的进一步地互锁。由于在自然界中，豪猪刚毛首先刺穿攻击者的皮肤，因此使用猪皮测试倒钩的促进组织粘合的部署或弯曲能力，所述猪皮与人类皮肤具有类似的机械特性(图12)。在穿透-缩回测试之后，通过亮场显微镜术和通过合并在不同焦平面所取的若干图像后的荧光成像清楚地观察到弯曲倒钩(图24A和图24B)。通过FE-SEM，观察到倒钩的部署或弯曲伴随有大量残余组织粘合到刚毛上(图24C至图24F)。来自猪皮测试的拉出力为2.36±0.83N(图24G)，而去除功为2.34±0.68mJ。有趣的是，观察到拉出力与在将刚毛从皮肤中去除之后所观察到的弯曲倒钩数量之间有直接相关性(图24H至图24K)。再现豪猪刚毛的强组织粘合特性对机械互锁式组织粘合剂的开发将是有用的。作为概念性证据，制作一种原型模仿刚毛的补片，所述模仿刚毛的补片具有包括7个复制模制的PU刚毛的六角形阵列(图24L)。尽管无倒钩的PU刚毛补片示出最小拉出阻力(0.063±0.033N)，但有倒钩的PU刚毛补片实现明显更大的组织粘附(0.219±0.059N，图24M)。有倒钩的刚毛补片的去除功比无倒钩的刚毛补片的去除功大30倍(图24M)。如在图24N中所观察，有倒钩的刚毛阵列实现与组织的明显互锁，而无倒钩的刚毛阵列实现与组织的最小相互作用并且因此可易于去除。
[0129] 刚毛模量可以如通过刚毛中扩大的应变能所示针对穿透和粘附来进行优化(图22A)。当刚毛为软性时，易于使得刚毛滑过组织，但难以穿刺组织。类似地，在拉出期间，倒钩可易于相对干平坦地向后弯曲，从而导致低拉出力。如果刚毛过硬，则会通过要求更大组织移位来清除突出的倒钩而使得组织更为紧张，并且倒钩无法径向弯曲远离刚毛。在将天然刚毛(3.25GPa)穿透到组织中时，倒钩可能略微向内弯曲以便促进穿透。此外，在将天然刚毛从组织中拉出时，由组织施加的力足以导致倒钩径向向外伸出。
[0130] 重要的是考虑倒钩的部署如何影响穿透力和组织粘合。数据表明倒钩的部署对于减少穿透力并非是非常重要的，因为天然刚毛与PU有倒钩的刚毛的穿透力是类似的(图13)。然而，倒钩的实现最大粘合的部署是重要的，如与PU有倒钩的刚毛相比，将天然刚毛从组织中去除所要求的功明显更大所示出(图13)。尽管峰值拉出力对于PU和天然刚毛来说是类似的，但在拉出轮廓和去除功方面存在明显差异。具体来说，具有可部署的倒钩的天然刚毛要求0.144±0.048mJ用于去除，相比之下，不可部署的PU有倒钩的刚毛则要求
0.053±0.023mJ。PU有倒钩的刚毛在拉出2mm之后产生最大力，并且随后在拉出4mm时完全与组织分开。然而，天然刚毛拖动组织持续相对长的移位，从而在已将它拉出超过4mm之后产生峰值粘合。天然刚毛与PU有倒钩的刚毛之间的差异可能是由倒钩的部署所引起。
在拉出天然刚毛时，倒钩向后弯曲，钩住弯曲倒钩下方的组织，并且刚毛因此保持与组织结合，从而张拉纤维，即使是在刚毛被拉出超过零延展时。然而，PU刚毛的倒钩无法弯曲，相反，它们在刚毛被拉出时以更高的张力切割组织。换句话说，天然刚毛能够通过使用倒钩弯曲来最大程度地张拉组织，从而可以在拉出期间减少组织切割并且可能夹持更多组织纤维。
0.053±0.023mJ。PU有倒钩的刚毛在拉出2mm之后产生最大力，并且随后在拉出4mm时完全与组织分开。然而，天然刚毛拖动组织持续相对长的移位，从而在已将它拉出超过4mm之后产生峰值粘合。天然刚毛与PU有倒钩的刚毛之间的差异可能是由倒钩的部署所引起。
在拉出天然刚毛时，倒钩向后弯曲，钩住弯曲倒钩下方的组织，并且刚毛因此保持与组织结合，从而张拉纤维，即使是在刚毛被拉出超过零延展时。然而，PU刚毛的倒钩无法弯曲，相反，它们在刚毛被拉出时以更高的张力切割组织。换句话说，天然刚毛能够通过使用倒钩弯曲来最大程度地张拉组织，从而可以在拉出期间减少组织切割并且可能夹持更多组织纤维。
[0131] 豪猪刚毛有效穿透到组织中是由刚毛的机械特性促成的。除了在图14中描述的杨氏模量之外，还在单轴向压缩下调查刚毛的翘曲阻力。假定尖端与组织在穿透期间接合，那么在去除尖端的情况下考虑刚毛基部的翘曲阻力。如所预期，翘曲阻力是刚毛细长比(长度除以半径)的函数(图15)。为了检查豪猪刚毛抵抗翘曲的能力，比较翘曲对细长比数据与刚毛细长比的累积分布(图15)。理论上，大多数刚毛(60.5％)可以在不翘曲的情况下穿刺皮肤：穿刺力对于北美豪猪刚毛来说测定为0.42±0.15N(如图24G中的箭头所示)并且被定义为在深入穿透之前穿过组织所要求的力(对于穿刺力与穿透力之间的差异，参见图16，)。高的翘曲阻力是由豪猪刚毛的内部结构来支持。FE-SEM示出，尖端的顶点是密集堆积的而不具有孔隙，但会快速过渡到基部内的填充有泡沫的管状结构，这与之前的观察一致(图17)。有趣的是，在切割从尖端到基底的纵向区段时，观察到尖端的顶点具有纤维单轴形态(沿着尖端长度对齐)(图18)。在填充泡沫的管(基部)内，单元大小从中心到边缘径向减小(图19)，由此使得材料集中在刚毛截面的外部区域处并且使得其截面惯性距增加。如先前针对具有填充泡沫的核芯的圆柱所述，在刚毛穿透到捕食者的肉体中时，泡沫结构可能使翘曲阻力增加。在单轴负荷下，泡沫结构充当弹性基础，其中应力在外边缘处最高并且径向向内衰减以便抵抗翘曲。
[0132] 除了豪猪刚毛的尖锐尖端和具有泡沫内芯的宽基部之外，坚硬尖端可能通过抵抗翘曲而有助于插入到捕食者的肉体中：豪猪刚毛的氨基酸组成主要是由半胱氨酸、甘氨酸、丝氨酸以及谷氨酰胺／谷氨酸。有趣的是，豪猪刚毛尖端含有比刚毛基部明显更高的半胱氨酸，从而可能导致增加数量的二硫桥，所述二硫桥可以通过永久并且热稳定的交联来赋予增加的强度(图20)。
[0133] 在本文中，报告了北美豪猪刚毛如何优化用于完全相反的功能，包括在通过向后可部署的倒钩的存在而保持显著的组织粘合力的之时，穿透到组织中的简易性。通过经由倒钩处的应力集中而促进易于组织断裂简易性，位于第一过渡区附近的倒钩对最小化穿透所要求的力显示出最大实质影响，而刚毛尖端处的倒钩独立地对组织固持力显示出最大影响。已经示出0至2mm与2至4mm区域中的倒钩之间的协作，这种协作对增大拉出力显现出重要性。豪猪刚毛尖端针对最大硬度在结构上和化学上进行优化，以便促进穿透到组织中的简易性，而基部的泡沫结构被认为是轻量型的，但仍能够在穿透到组织过程中抵抗翘曲。
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