Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Som någon som ingående har studerat vad naturen har producerat, tycker docent Guy German om att säga till sina elever:Du tror att du är en bra ingenjör, men evolutionen är bättre.
Förstärker denna punkt är nyligen publicerad forskning från tyska labb angående strukturen av mänsklig hud och mängden skada den kan utsättas för.
Uppsatsen, "Biomechanical fraktur mechanics of composite layered skin-like materials," publicerades i tidskriften Soft Matter . German skrev studien tillsammans med två tidigare studenter från hans labb, Christopher Maiorana, Ph.D. '21, och Rajeshwari Jotawar, MS '21.
Teamet skapade membran från polydimetylsiloxan (PDMS), ett inert och ogiftigt material som används i biomedicinsk forskning. De efterliknade strukturen hos däggdjurshud genom att täcka ett mjukt, följsamt lager med ett tunnare, styvare yttre senare.
Den "konstgjorda huden" genomgick sedan en serie tester för att se hur mycket stress det kunde ta för att gå sönder. Under trycket från en vass eller trubbig stav, drogs proverna in för att bilda enorma hål innan de gick sönder. Forskarna gjorde också en intressant upptäckt.
"Det finns en viss strukturell formation som är optimal", säger German, en fakultetsmedlem vid Institutionen för biomedicinsk teknik vid Binghamton Universitys Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science.
"Vi fann att när den konstgjorda huden har samma yttre (stratum corneum) och inre lagertjocklek (dermis) som däggdjurshud, maximerade gummimembranen både sin punkteringsseghet och deformerbarhet. Vi tror att däggdjurshuden har utvecklats eller anpassat sig för att erbjuda det svåraste alternativet mot mekaniska hot samtidigt som det förblir så deformerbart som möjligt."
De flesta organismer har ett tuffare yttre lager som kan skydda ett mer följsamt lager under från hot i deras miljöer. Förutom djur, tänk på nötter, frukt, insekter och till och med mikroorganismer.
"Däggdjurshud erbjuder maximal rörelse och maximal mekanisk seghet," sa German. "Om det gick åt ena hållet skulle det vara mindre flexibelt, eller åt andra hållet skulle du få mer flexibilitet men mindre seghet. Så det är optimerat."
German och teamet upptäckte också en ny typ av misslyckande, en som de kallar urtagning. Om du punkterar ett material, kommer frakturen vanligtvis att börja under intryckningsspetsen, precis som att genomborra ett papper med en penna. Men med hyperelastiska tvåskiktiga material som människohud och dessa konstgjorda hudmembran, uppstår fraktur långt från indenterspetsen vid stora fördjupningsdjup. Här uppstår bristning där membranet sträcks som störst, på sidorna av divot, vilket lämnar en cylindrisk kärna i membranet. De tror inte att detta fenomen har observerats tidigare.
German påpekar att en bättre förståelse om hudens struktur – och konstgjord hud – kommer att hjälpa till med en rad olika teknologier, från flexibel elektronik och medicinsk utrustning till produktförpackningar, skottsäkra västar och behandlingar för brännskador. Alla dessa potentiella användningsområden (och mer) innebär att forskning om mänsklig hud och hur den utvecklats till sin nuvarande form har blivit allt populärare under de senaste åren.
"Forskare och ingenjörer attraheras av att studera hud eftersom det är svårt att förstå," sa han. "Hud är heterogen och strukturellt mycket komplex."
Han tror att den ökade kraften hos datorer har hjälpt till att bättre förstå hudens biomekanik:"Traditionella material som stål och cement är enhetliga i sammansättning och lätta att karakterisera. Nuförtiden använder ingenjörer sitt beräkningskunnande för att studera riktigt komplexa material som hud ." + Utforska vidare
