Eine Studie zeigt, dass dünne Haut Verletzungen durch Einstiche erheblich mildert

Dünne, dehnbare Haut – wie die eines Schweins oder eines Menschen – verringert die zugrunde liegenden Schäden, die bei einer Punktion entstehen, erheblich. Laut einer neuen Studie übertrifft Schweinehaut sogar synthetische Materialien, die der Haut nachempfunden sind. Seine besonderen Eigenschaften, insbesondere seine Fähigkeit, die Energie eines punktierenden Objekts abzuleiten, reduzieren die Schädigung tieferer Gewebe erheblich, berichten Forscher.

Ihre Erkenntnisse erscheinen im Zeitschrift der Royal Society Interface.

Philip Anderson, Professor für Evolution, Ökologie und Verhalten, der die Studie mit dem Postdoktoranden Bingyang Zhang an der University of Illinois Urbana-Champaign leitete, ist fasziniert davon, wie die Gesetze der Physik die Evolution beeinflussen. Dieses Interesse führte zu einer Untersuchung der Dynamik beim Durchstechen von Objekten, die in der Natur allgegenwärtig sind.

„Sie werden Dinge finden, die in verschiedenen Arten von Organismen – Wirbeltieren, Wirbellosen, Pflanzen und Pilzen – in allen Maßstäben und in unterschiedlichen dynamischen Regimen durchdringen, also Reißzähne, Klauen, Stacheln, Stacheln und andere lange, scharfe Werkzeuge“, sagte Anderson.

Es sei eine große Aufgabe, alle an der Punktion beteiligten Variablen zu isolieren – beispielsweise die Geschwindigkeit, Form und Schärfe eines punktierenden Objekts oder die Mechanik des Materialversagens im Ziel –, sei eine große Aufgabe, sagte er. Er und seine Kollegen begannen damit, die Grundelemente der Punktion zu messen, indem sie 3D-gedruckte Kegel mit unterschiedlichen Profilen und unterschiedlicher Schärfe als Punktionsobjekte und Silikongele unterschiedlicher Dichte als Ziele verwendeten. Nachdem Andersons Labor einige grundlegende Fragen zur Physik der Punktion beantwortet hat, führt es nun tiefergehende Untersuchungen biologischer Materialien durch.

Für die neuen Experimente testete Zhang die „Durchstichbarkeit“ von Schweinefleischstücken mit und ohne daran befestigter Haut und verglich die Leistung dieser biologischen Materialien mit einem synthetischen Nachahmer: einem Silikongel mit der ungefähren Steifigkeit von Speck und einem anderen dünneren und höheren Steifigkeitsgrad Gel, das die Haut darstellt.

Aufgrund der Materialbeschränkungen war die Silikonhaut etwa 4 mm dick, während die Tierhaut etwa 2,5 mm dick war. Trotz dieses Unterschieds stellte das Team fest, dass echte Schweinehaut bei Durchstichtests, bei denen ein Projektil mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf die Materialien geschossen und gemessen wurde, wie tief sie in das Gewebe eindrangen, die Silikonhaut übertraf.

„Mit einer Kombination aus dynamischen Punktionsexperimenten und theoretischer Modellierung haben wir die Durchstoßfestigkeit sowohl von natürlichem Hautgewebe als auch von synthetischen, zweischichtigen, gewebeähnlichen Materialien untersucht“, sagte Zhang.

„Wir haben herausgefunden, dass Schweinehaut, die am darunter liegenden Gewebe befestigt ist, trotz ihrer Dünnheit den Schaden durch Einstiche bei langsameren Geschwindigkeiten um etwa 60 % und bei höheren Geschwindigkeiten um etwa 73 % reduzierte, verglichen mit dem gleichen Schweinegewebe ohne Haut.“

Die Forscher fanden heraus, dass synthetische Haut weniger Schutz bot und den Schaden am darunter liegenden Gel bei langsameren Geschwindigkeiten um weniger als 40 % und bei höheren Geschwindigkeiten um weniger als 30 % reduzierte.

„Diese Ergebnisse belegen die überlegene biomechanische Leistung natürlicher Haut“, sagte Zhang.

„Die Hautschicht ist wirklich gut, um den Einstich abzuschwächen“, sagte Anderson. „Tatsächlich konnte das Werkzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht einmal die Haut durchstechen.“

Die Forscher vermuten, dass die bessere Leistung der Haut teilweise auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass sie aus Kollagenfasern besteht, die miteinander verwoben sind und selbst dann Widerstand leisten, wenn einige Fasern gebrochen sind. Durch den Bruch der Kollagenfasern geht auch ein Teil der Energie des Projektils verloren, wodurch es langsamer wird und seine Fähigkeit, tiefer in das Gewebe einzudringen, verringert wird. Diese Eigenschaft fehlt Silikongel.

„Wir haben die einzigartige Fähigkeit natürlicher Haut gezeigt, Kräfte umzuverteilen und Energie als bemerkenswerte Abwehrstruktur abzuleiten“, sagte Zhang. „Wir haben auch viel darüber gelernt, dass synthetische Materialien, obwohl sie in vielen Szenarien nützlich sind, diese komplexen biologischen Funktionen immer noch nicht reproduzieren können.“

Bingyang Zhang ist jetzt Postdoktorand an der Cornell University.