微针(通常制成阵列形式)因为尺寸微小,在使用过程中可以只刺入皮肤的浅层而不触及富含神经的皮肤深层组织,从而可实现无痛、微创及高效经皮给药和微量生化采样分析,具有极为广阔的应用前景。然而,微小的尺寸也使微针在强度和刚度上存在先天不足,刺入过程中容易发生断裂或屈曲等力学问题,并由此可能引发其它一些安全性问题,严重阻碍了该技术进入大规模临床使用。目前,国内外对微针与皮肤相互作用的机理研究较少,更缺乏对微针阵列力学行为的研究。本文采用数值模拟与实验相结合的手段,重点研究微针与皮肤的相互作用的力学机理。首先基于有限元软件ABAQUS对微针及微针阵列刺入皮肤过程进行数值仿真,利用编写的子程序,使计算模型可以模拟皮肤的超弹性本构和破坏失效过程,同时考虑了皮肤的多层结构特性,从而更准确地揭示微针及微针阵列在刺入皮肤过程中的相互作用机理。在刺入过程中,对皮肤的变形和破坏进行了分析,得到了微针刺破皮肤时的刺入力,分析了皮肤各层的力学性能和微针的几何参数(微针夹角、针尖曲率半径)对刺入力的影响。结果表明,微针夹角以及微针针尖曲率半径存在最佳设计区间,可以确保刺入力微小的同时尽可能提高微针的力学性能。进一步的数值和实验研究表明,微针阵列的排布间距对微针刺入力有重要影响,通过优化设计可以减小微针阵列的刺入力。上述研究结果可以为改进微针阵列的设计提供理论指导。