Het gevoel van een huid die door een naald wordt doorboord, is bij de meeste mensen bekend, vooral recent omdat COVID-19-vaccinaties in een stroomversnelling komen. Maar wat gebeurt er precies als een naald de huid doorboort? Het antwoord wordt onthuld in een nieuw artikel dat onlangs is gepubliceerd in de Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Mattia Bacca, assistent-professor aan de Universiteit van British Columbia, kijkt vaak naar de natuurlijke wereld voor antwoorden wanneer hij wordt geconfronteerd met een mechanisch technisch probleem - zoals de manier waarop een gekko zich aan een oppervlak kan vastklampen met de kussentjes op zijn tenen, of een mier kan een blad doorsnijden dat vele malen groter is.

Bio-geïnspireerde engineering hielp Dr. Bacca, samen met Ph.D. kandidaat Stefano Fregonese, om de eerder onopgeloste vraag te beantwoorden hoe de mechanica van piercing werkt op zachte materialen, als huid.

"Snijden is alomtegenwoordig in onze overleving en in ons dagelijks leven, Bacca legt uit. "Als we op voedsel kauwen, we snijden weefsel om het verteerbaar te maken. Bijna elke soort in het dierenrijk is geëvolueerd met het vermogen om weefsel te snijden om zich te voeden en te verdedigen, hebben daarom opmerkelijke morfologische en fysieke kenmerken gekregen om dit proces efficiënt mogelijk te maken."

Ze creëerden een mechanische theorie om de kritische kracht te bepalen die nodig is voor het inbrengen van de naald - het cruciale fenomeen van punctie. Hun werk biedt een eenvoudige, semi-analytisch model om het proces te beschrijven, van dimensionale argumenten tot eindige elementenanalyse.

Mechanismen die betrokken zijn bij het snijden van zacht weefsel hebben de afgelopen decennia alleen maar aandacht gekregen in de techniek, aanvankelijk met onderzoek naar de eigenschappen van rubber. Eerdere benaderingen bepaalden de kracht die nodig was om een ​​naald in weefsel te steken na de eerste punctie, met behulp van fysieke experimenten die de vervormingen en complexe faalmechanismen die betrokken zijn bij het doorbreken van het oppervlak van een zacht materiaal niet volledig konden meten.

In tegenstelling tot, het nieuwe model van Fregonese en Bacca kan eindelijk de punctiekracht voorspellen en valideren met eerdere experimenten. Ze ontdekten dat de naaldinbrengkracht evenredig is met de taaiheid van het weefsel en omgekeerd evenredig is met de straal van de naald, wat betekent dat dunnere naalden minder kracht nodig hebben. Hoewel beide observaties intuïtief zijn, ze leverden kwantitatieve voorspelling. Wat is contra-intuïtief, echter, is de rol van materiaalstijfheid in dit proces. Weefselstijfheid schaalt omgekeerd met punctiekracht, met zachter weefsel dat een hogere kracht vereist (bij dezelfde taaiheid). Het UBC-team voert momenteel aanvullende experimenten en modelverfijningen uit om "dieper" in de fysica van dit probleem te komen.

Tot dusver, hun resultaten zijn afkomstig van verschillende onderzoeken naar dierlijke oplossingen. Aanvankelijk, Fregonese sloot zich aan bij Dr. Bacca's Micro &Nano Mechanics Lab voor een project met betrekking tot de mechanica van adhesie bij dieren zoals gekko's. Onderzoek naar overlappingen met dit gebied en het probleem van snijden, ze begonnen de fundamenten van snijden en het verband met de morfologische evolutie van dieren te onderzoeken, met een internationale samenwerking> het bestuderen van bladsnijdersmieren met dierbiomechanica-expert Dr. David Labonte (Imperial College), en spierfysiologie-expert Dr. Natalie Holt (Universiteit van Californië). Ze werkten ook samen met Dr. Kevin Golovin van UBC Okanagan en collega werktuigbouwkunde Dr. Gwynn Elfring om de interactie tussen ballistiek en gels te onderzoeken.

Hun nieuwe theoretische model kan ingenieurs helpen bij het ontwikkelen van verschillende toepassingen, zoals beschermingsmiddelen, automatiseringsprocessen met voedsel en de opkomende technologie van robotchirurgie.

Het kan ook van invloed zijn op hoe mensen injecties in de toekomst ervaren, iets wat belangrijk is voor mensen die onlangs in de rij hebben gestaan ​​om hun COVID-19-vaccinatie te krijgen. Bijvoorbeeld, toekomstige technologie zou opties kunnen bieden zoals zelf-toegediende wegwerpkompressen gewapend met micronaalden - zoals die ontworpen door Dr. Boris Stoeber van UBC - ontworpen om de huid op de juiste diepte en met de juiste kracht te doorboren.