Stel je voor dat je iets op je huid zou kunnen bevestigen zonder lijm. Een biosensor, een horloge, een communicatieapparaat, een modeaccessoire - de mogelijkheden zijn eindeloos. Dankzij een ontdekking aan de Binghamton University, Staatsuniversiteit van New York, die tijd kan dichterbij zijn dan je denkt.

Universitair hoofddocent Guy German en Zachary Lipsky, doctoraat '21, recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift Acta Biomaterialia dat onderzoekt hoe de menselijke huid de manier waarop scheuren ontstaan ​​kan controleren en waarom tensometers onnauwkeurige resultaten bieden bij het meten van de mechanische eigenschappen van biologische weefsels.

Onderweg, Lipsky ontwikkelde een methode om de menselijke huid te hechten aan rubberachtige polymere materialen zonder lijm. Oorspronkelijk een manier om hun experimenten gemakkelijker te maken, hij en German begrepen dat ze een belangrijke ontdekking hadden gedaan.

"Zach kwam op een dag binnen en zei:'Ja, Ik heb het gedaan, '" Duits zei. "Ik had zoiets van, 'Hoe heb je dat in hemelsnaam gedaan? Heb je lijm gebruikt?' Omdat we ook rekening moeten houden met de mechanische eigenschappen van de lijm. En hij zei, 'Nee, Ik heb het gewoon geplakt.' We keken en zeiden:Is dit ooit eerder gedaan? Nooit gedaan. Dus wat dat betreft zijn we heel blij."

Een uitvindingsonthulling voor de techniek is ingediend, wat zou kunnen leiden tot een patent op wat hij noemt "een zeer eenvoudige techniek" die een revolutie teweeg kan brengen in de biotech.

"Ik wist niet dat we daar zouden eindigen, maar zo werkt wetenschap soms, ’ zei Duits lachend.

De studie die tot de ontdekking leidde, getiteld "De precisie van mechanische metingen op macroschaal wordt beperkt door de inherente structurele heterogeniteit van het menselijk stratum corneum, " begon met Germans wortels in de werktuigbouwkunde en zijn interesse in het testen van de geldigheid van de wet van Hooke op de menselijke huid.

"Wij dachten, als we deze standaard testtechnieken gebruiken om de mechanische eigenschappen van weefsel te meten, vooral huidweefsel, rapporteert het de juiste waarden?" zei hij. "Niemand heeft het ooit echt gevalideerd."

Ontwikkeld door de 17e-eeuwse Britse natuurkundige Robert Hooke, de wet stelt dat de kracht die nodig is om een ​​veer over een afstand uit te rekken of samen te drukken, evenredig is met die afstand. Algemener, onderzoekers kunnen deze wet gebruiken om de stijfheid van verschillende materialen te meten en hoeveel energie het kost om ze te breken.

"Het zette me aan het denken, in de moderne tijd, je kunt meten hoe stijf metalen en keramiek zijn. Maar hoe zit het met de huid?", zei German. "Metalen of keramiek hebben een vrij uniforme samenstelling, maar huid en andere weefsels hebben een complexe en heterogene structuur met cellen op microschaal verbonden door cel-celverbindingen. De buitenste laag van de huid vertoont ook een complex topografisch netwerk van microkanalen, die zichtbaar zijn als je op de rug van je hand kijkt."

Hij en Lipsky bonden huidmonsters aan een stuk polydimethylsiloxaan (PDMS), een rubberachtig materiaal dat veel wordt gebruikt in bio-engineering en biomedische apparaten. De monsters werden vervolgens uitgerekt. Een aangepaste tractiekrachtmicroscopietechniek werd vervolgens gebruikt om veranderingen in de mechanische belastingen te kwantificeren die door de huid op het hechtende substraat worden uitgeoefend.

"Terwijl de huid zich uitbreidde, een klein barstje zou groeien, en we kunnen meten hoeveel energie het nodig had om het een bepaalde lengte te laten groeien, German zei. "Normaal gesproken krijg je twee grepen om de energiekosten van breuken in de machinebouw te meten, je trekt en het splijt. Je meet de kracht en verplaatsing en kwantificeert de energie. Maar dit veronderstelt dat het materiaal homogeen is - compositorisch overal hetzelfde. Wat we ontdekten was dat scheuren in de buitenste laag van de huid zich voortplanten in een zeer, heel vreemde manier."

De scheuren planten zich voort langs de topografische microkanalen. Dit verlengt het totale pad van de scheur, het verhogen van de energie die het kost om het weefsel te breken. De ontdekking kan worden geëxtrapoleerd om het gedrag van andere menselijke weefsels te verklaren.

"Vanwege de heterogene structuur van de huid, het betekent ook dat het scheurpad een stuk willekeuriger wordt. Dat is waarom je zo'n variabiliteit krijgt in macroschaal tensometermetingen van huid, " Duits zei, "want ook al krijg je de huid van exact dezelfde bron op exact dezelfde leeftijd, de variabiliteit van monster tot monster is zo hoog omdat de scheurpaden afwijken."