Tänk om du kunde fästa något på din hud utan att behöva lim. En biosensor, en klocka, en kommunikationsenhet, en modeaccessoar – möjligheterna är oändliga. Tack vare en upptäckt vid Binghamton University, State University of New York, den tiden kan vara närmare än du tror.

Docent Guy German och Zachary Lipsky, Ph.D. '21, nyligen publicerad forskning i tidskriften Acta Biomaterialia som utforskar hur mänsklig hud kan kontrollera hur sprickor bildas och varför tensometrar ger oprecisa resultat när man mäter biologiska vävnaders mekaniska egenskaper.

Längs vägen, Lipsky utvecklade en metod för att binda mänsklig hud till gummiliknande polymera material utan lim. Ursprungligen ett sätt att göra sina experiment enklare, han och German förstod att de hade gjort en betydande upptäckt.

"Zach kom in en dag och sa:'Ja, Jag gjorde det, "" sa German. "Jag var som, 'Hur i hela friden gjorde du det? Använde du ett lim? För vi skulle behöva ta hänsyn till limmets mekaniska egenskaper också. Och han sa, 'Nej, Jag fastnade bara.' Vi tittade och sa:Har detta någonsin gjorts förut? Aldrig gjort. Så vi är verkligen glada på den fronten."

En uppfinningsbeskrivning för tekniken har lämnats in, vilket kan leda till patent på vad han kallar "en mycket enkel teknik" som skulle kunna revolutionera bioteknik.

"Jag visste inte att vi skulle hamna där, men det är ibland så vetenskap fungerar, sa German med ett skratt.

Studien som gav upphov till upptäckten, med titeln "Precisionen för mekaniska mätningar i makroskala begränsas av den inneboende strukturella heterogeniteten hos mänskligt hornlag, " började med Germans rötter inom maskinteknik och hans intresse för att testa giltigheten av Hookes lag på mänsklig hud.

"Vi trodde, om vi använder dessa standardtesttekniker för att mäta vävnadens mekaniska egenskaper, speciellt hudvävnad, rapporterar det rätt värden?" sa han. "Ingen har verkligen validerat det."

Utvecklad av 1600-talets brittiska fysiker Robert Hooke, lagen säger att kraften som behövs för att förlänga eller komprimera en fjäder ett avstånd är proportionell mot det avståndet. Mer allmänt, forskare kan använda denna lag för att mäta styvheten hos olika material samt hur mycket energi det kostar att bryta dem.

"Det fick mig att tänka att i modern tid, du kan mäta hur styva metaller och keramik är. Men hur är det med huden?" sa German. "Metaller eller keramik har en sammansättning som är ganska enhetlig, men hud och andra vävnader har en komplex och heterogen struktur med celler i mikroskala sammankopplade genom cell-cell-övergångar. Det yttre lagret av huden uppvisar också ett komplext topografiskt nätverk av mikrokanaler, som är synliga om du tittar på baksidan av din hand."

Han och Lipsky band hudprover till en bit polydimetylsiloxan (PDMS), ett gummiliknande material som vanligtvis används inom bioteknik och biomedicinska apparater. Proverna sträcktes sedan. En modifierad dragkraftsmikroskopiteknik användes sedan för att kvantifiera förändringar i de mekaniska belastningar som huden påförde det vidhäftande substratet.

"När huden expanderade, en liten spricka skulle växa, och vi kan mäta hur mycket energi det krävdes för att odla den med en viss längd, ", sa German. "Du får vanligtvis två grepp för att mäta energikostnaden för brott i maskinteknik. du drar och det delar sig. Du mäter kraften och förskjutningen och kvantifierar energin. Men detta förutsätter att materialet är homogent – ​​kompositionsmässigt detsamma överallt. Det vi fick reda på var att sprickor i hudens yttre lager fortplantar sig i en mycket, väldigt konstigt sätt."

Sprickorna fortplantar sig längs de topografiska mikrokanalerna. Detta förlänger sprickans övergripande bana, öka energin det kostar att bryta vävnaden. Upptäckten kan extrapoleras för att förklara beteendet hos andra mänskliga vävnader.

"På grund av hudens heterogena struktur, det betyder också att sprickvägen blir mycket mer slumpmässig. Det är därför du får sådan variation i makroskala tensometermätningar av hud, " German sa, "för även om du får huden från exakt samma källa vid exakt samma ålder, variationen från prov till prov är så hög eftersom sprickvägarna avviker."