Ny forskning giver bedre forståelse af hudens holdbarhed

Som en, der grundigt har studeret, hvad naturen har frembragt, kan lektor Guy German godt lide at fortælle sine elever:Du tror, ​​du er en god ingeniør, men evolution er en bedre.

For at forstærke dette punkt er nyudgivet forskning fra Germans laboratorium vedrørende strukturen af ​​menneskelig hud og mængden af ​​skade, den kan lide.

Artiklen, "Biomechanical fraktur mechanics of composite layered skin-like materials," blev offentliggjort i tidsskriftet Soft Matter . German var medforfatter af undersøgelsen sammen med to tidligere studerende fra hans laboratorium, Christopher Maiorana, Ph.D. '21, og Rajeshwari Jotawar, MS '21.

Holdet skabte membraner fra polydimethylsiloxan (PDMS), et inert og ikke-toksisk materiale, der bruges i biomedicinsk forskning. De efterlignede strukturen af ​​pattedyrs hud ved at dække et blødt, eftergivende lag med et tyndere, stivere ydre senere.

Den "kunstige hud" gennemgik derefter en række tests for at se, hvor meget stress det kunne tage at bryde. Under trykket fra en skarp eller stump stang blev prøverne fordybet for at danne enorme fordybninger, før de knækkede. Forskerne gjorde også en interessant opdagelse.

"Der er en vis strukturel dannelse, som er optimal," sagde German, et fakultetsmedlem i Institut for Biomedicinsk Teknik ved Binghamton Universitys Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science.

"Vi fandt ud af, at når den kunstige hud har samme ydre (stratum corneum) og indre lagtykkelse (dermis) som pattedyrshud, maksimerede gummimembranerne både deres punkteringssejhed og deformerbarhed. Vi mener, at pattedyrs hud har udviklet sig eller tilpasset sig til at tilbyde den sværeste mulighed for mekaniske trusler, samtidig med at den forbliver så deformerbar som muligt."

De fleste organismer har et hårdere ydre lag, der kan beskytte et mere kompatibelt lag under mod trusler i deres miljøer. Ud over dyr skal du tænke på nødder, frugter, insekter og endda mikroorganismer.

"Pattedyrs hud tilbyder maksimal bevægelse og maksimal mekanisk sejhed," sagde German. "Hvis det gik den ene vej, ville det være mindre fleksibelt, eller på den anden måde ville du få mere fleksibilitet, men mindre sejhed. Så det er optimeret."

German og holdet opdagede også en ny type fiasko, en som de kalder kerne. Hvis du punkterer et materiale, vil bruddet typisk begynde under indenter-spidsen, ligesom at gennembore et stykke papir med en blyant. Men med hyperelastiske tolagsmaterialer som menneskehud og disse kunstige hudmembraner opstår brud langt fra indenterspidsen ved store fordybningsdybder. Her opstår brud, hvor membranen strækkes størst, på siderne af divoten, hvorved der efterlades en cylindrisk kerne i membranen. De tror ikke, at dette fænomen er blevet observeret tidligere.

German påpeger, at en bedre forståelse af hudens struktur - og kunstig hud - vil hjælpe med en række forskellige teknologier, fra fleksibel elektronik og medicinsk udstyr til produktemballage, skudsikre veste og behandlinger til forbrændingsofre. Alle disse potentielle anvendelser (og mere) betyder, at forskning i menneskelig hud, og hvordan den udviklede sig til sin nuværende form, er blevet mere og mere populær i de senere år.

"Forskere og ingeniører er tiltrukket af at studere hud, fordi det er svært at forstå," sagde han. "Huden er heterogen og strukturelt meget kompleks."

Han mener, at stigningen i computernes kraft har hjulpet med at forstå hudens biomekanik bedre:"Traditionelle materialer som stål og cement er ensartede i sammensætning og lette at karakterisere. I dag bruger ingeniører deres beregningsmæssige knowhow til at studere virkelig komplekse materialer såsom hud ." + Udforsk yderligere

Sådan klæber du sensorer til huden uden klæbemiddel