Sådan klæber du sensorer til huden uden klæbemiddel

Forestil dig, hvis du kunne sætte noget på din hud uden at have brug for lim. En biosensor, et ur, en kommunikationsenhed, et modetilbehør – mulighederne er uendelige. Takket være en opdagelse på Binghamton University, State University of New York, den tid kunne være tættere på, end du tror.

Lektor Guy German og Zachary Lipsky, Ph.D. '21, nylig offentliggjort forskning i tidsskriftet Acta Biomaterialia der udforsker, hvordan menneskelig hud kan kontrollere den måde, hvorpå revner dannes, og hvorfor tensometre giver upræcise resultater, når de måler biologiske vævs mekaniske egenskaber.

Langs vejen, Lipsky udviklede en metode til at binde menneskelig hud til gummilignende polymermaterialer uden klæbemiddel. Oprindeligt en måde at gøre deres eksperimenter nemmere på, han og German forstod, at de havde gjort en betydelig opdagelse.

"Zach kom ind en dag og sagde:'Ja, Jeg gjorde det, " sagde German. "Jeg var ligesom, 'Hvordan i alverden gjorde du det? Brugte du lim?' Fordi vi også skal tage højde for limens mekaniske egenskaber. Og han sagde, 'Ingen, Jeg satte den bare fast.' Vi kiggede og sagde:Er dette nogensinde blevet gjort før? Aldrig blevet gjort. Så vi er rigtig glade på den front."

En beskrivelse af opfindelsen for teknikken er blevet indleveret, hvilket kunne føre til et patent på det, han kalder "en meget simpel teknik", der kan revolutionere bioteknologien.

"Jeg vidste ikke, at vi ville ende der, men det er nogle gange sådan videnskab fungerer, sagde German med et grin.

Studiet, der affødte opdagelsen, med titlen "Nøjagtigheden af ​​makroskala mekaniske målinger er begrænset af den iboende strukturelle heterogenitet af det menneskelige hornlag, " startede med Germans rødder i maskinteknik og hans interesse i at teste gyldigheden af ​​Hookes lov på menneskelig hud.

"Vi troede, hvis vi bruger disse standardtestteknikker til at måle vævs mekaniske egenskaber, især hudvæv, rapporterer det de rigtige værdier?" sagde han. "Ingen har virkelig nogensinde valideret det."

Udviklet af den britiske fysiker Robert Hooke fra det 17. århundrede, loven siger, at den kraft, der er nødvendig for at forlænge eller komprimere en fjeder med en afstand, er proportional med denne afstand. Mere generelt, forskere kan bruge denne lov til at måle stivheden af ​​forskellige materialer samt hvor meget energi det koster at bryde dem.

"Det fik mig til at tænke, i moderne tid, du kan måle, hvor stive metaller og keramik er. Men hvad med hud?" sagde German. "Metaller eller keramik har en sammensætning, der er ret ensartet, men hud og andre væv har en kompleks og heterogen struktur med celler i mikroskala forbundet med celle-celle-forbindelser. Det ydre hudlag udviser også et komplekst topografisk netværk af mikrokanaler, som er synlige, hvis du ser på bagsiden af ​​din hånd."

Han og Lipsky bundede hudprøver til et stykke polydimethylsiloxan (PDMS), et gummilignende materiale, der almindeligvis anvendes i bioteknik og biomedicinsk udstyr. Prøverne blev derefter strakt. En modificeret trækkraftmikroskopi-teknik blev derefter brugt til at kvantificere ændringer i de mekaniske belastninger, som huden påførte det klæbende substrat.

"Efterhånden som huden udvidede sig, en lille revne ville vokse, og vi kan måle, hvor meget energi det krævede at dyrke det med en vis længde, " sagde German. "For at måle energiomkostningerne ved brud i maskinteknik får du typisk to greb, du trækker og det deler sig. Du måler kraften og forskydningen og kvantificerer energien. Men dette forudsætter, at materialet er homogent - kompositionsmæssigt det samme overalt. Det, vi fandt ud af, var, at revner i hudens ydre lag forplanter sig i en meget, meget mærkelig måde."

Revnerne forplanter sig langs de topografiske mikrokanaler. Dette forlænger den overordnede vej af revnen, øger den energi, det koster at bryde vævet. Opdagelsen kan ekstrapoleres for at forklare andre menneskelige vævs adfærd.

"På grund af hudens heterogene struktur, det betyder også, at revnestien bliver meget mere tilfældig. Det er derfor, du får en sådan variation i makroskala tensometermålinger af hud, " sagde tysk, "For selvom du får huden fra nøjagtig samme kilde i nøjagtig samme alder, prøve-til-prøve-variabiliteten er så høj, fordi revnevejene afviger."