Als iemand die uitgebreid heeft bestudeerd wat de natuur heeft voortgebracht, zegt universitair hoofddocent Guy German graag tegen zijn studenten:je denkt dat je een goede ingenieur bent, maar evolutie is een betere.

Dit punt wordt versterkt door nieuw gepubliceerd onderzoek van het Duitse laboratorium over de structuur van de menselijke huid en de hoeveelheid schade die het kan oplopen.

Het artikel "Biomechanische breukmechanica van composiet gelaagde huidachtige materialen", werd gepubliceerd in het tijdschrift Soft Matter . German was co-auteur van de studie met twee voormalige studenten van zijn laboratorium, Christopher Maiorana, Ph.D. '21, en Rajeshwari Jotawar, MS '21.

Het team creëerde membranen van polydimethylsiloxaan (PDMS), een inert en niet-toxisch materiaal dat wordt gebruikt in biomedisch onderzoek. Ze bootsten de structuur van de huid van zoogdieren na door een zachte, meegevende laag later te bedekken met een dunnere, stijvere buitenkant.

De "kunstmatige huid" onderging vervolgens een reeks tests om te zien hoeveel stress het zou kunnen kosten om te breken. Onder de druk van een scherpe of botte staaf, de monsters ingesprongen om enorme kuiltjes te vormen voordat ze breken. De onderzoekers deden ook een interessante ontdekking.

"Er is een bepaalde structurele formatie die optimaal is", zegt German, een faculteitslid van de afdeling Biomedical Engineering aan het Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science van de Binghamton University.

"We ontdekten dat wanneer de kunstmatige huid dezelfde buitenste (stratum corneum) en binnenste laagdikte (dermis) heeft als de huid van zoogdieren, de rubberen membranen zowel hun perforatietaaiheid als vervormbaarheid maximaliseerden. We geloven dat de zoogdierhuid is geëvolueerd of zichzelf heeft aangepast om te bieden de moeilijkste optie voor mechanische bedreigingen en tegelijkertijd zo vervormbaar mogelijk te blijven."

De meeste organismen hebben een hardere buitenlaag die een meer meegaande laag eronder kan beschermen tegen bedreigingen in hun omgeving. Denk naast dieren ook aan noten, fruit, insecten en zelfs micro-organismen.

"De huid van zoogdieren biedt maximale voortbeweging en maximale mechanische taaiheid," zei German. "Als het de ene kant op zou gaan, zou het minder flexibel zijn, of de andere kant op zou je meer flexibiliteit krijgen maar minder taaiheid. Dus het is geoptimaliseerd."

German en het team ontdekten ook een nieuw type storing, een die ze coring noemen. Als u een materiaal doorprikt, begint de breuk meestal onder de tip van het indenter, net als het doorboren van een stuk papier met een potlood. Maar met hyperelastische tweelaagse materialen zoals de menselijke huid en deze kunstmatige huidmembranen, treedt breuk op ver van de punt van de indenter op grote inkepingsdiepten op. Hier treedt breuk op waar het membraan het meest wordt uitgerekt, aan de zijkanten van de divot, waardoor een cilindrische kern in het membraan achterblijft. Ze geloven niet dat dit fenomeen eerder is waargenomen.

German wijst erop dat een beter begrip van de structuur van de huid - en kunstmatige huid - zal helpen met een scala aan verschillende technologieën, van flexibele elektronica en medische apparaten tot productverpakkingen, kogelvrije vesten en behandelingen voor slachtoffers van brandwonden. Al deze mogelijke toepassingen (en meer) betekenen dat het onderzoeken van de menselijke huid en hoe deze zich heeft ontwikkeld tot zijn huidige vorm, de laatste jaren steeds populairder wordt.

"Wetenschappers en ingenieurs voelen zich aangetrokken tot het bestuderen van huid omdat het moeilijk te begrijpen is," zei hij. "De huid is heterogeen en structureel zeer complex."

Hij gelooft dat de toename van de kracht van computers heeft geholpen om de biomechanica van de huid beter te begrijpen:"Traditionele materialen zoals staal en cement zijn uniform van samenstelling en gemakkelijk te karakteriseren. Tegenwoordig gebruiken ingenieurs hun computerkennis om echt complexe materialen zoals huid te bestuderen. ." + Verder verkennen

Hoe sensoren op de huid te plakken zonder lijm