Als jemand, der ausgiebig studiert hat, was die Natur hervorgebracht hat, sagt außerordentlicher Professor Guy German seinen Studenten gerne: Sie denken, Sie sind ein guter Ingenieur, aber die Evolution ist ein besserer.
Bekräftigt wird dieser Punkt durch neu veröffentlichte Forschungsergebnisse aus dem deutschen Labor über die Struktur der menschlichen Haut und das Ausmaß der Schäden, die sie ertragen kann.
Der Artikel „Biomechanical break mechanics of composite layered skin-like materials“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Weiche Materie. German hat die Studie zusammen mit zwei ehemaligen Studenten aus seinem Labor, Christopher Maiorana, Ph.D. ’21, und Rajeshwari Jotawar, MS ’21.
Das Team stellte Membranen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) her, einem inerten und ungiftigen Material, das in der biomedizinischen Forschung verwendet wird. Sie ahmten die Struktur der Säugetierhaut nach, indem sie eine weiche, nachgiebige Schicht später mit einer dünneren, steiferen Außenschicht bedeckten.
Die „künstliche Haut“ wurde dann einer Reihe von Tests unterzogen, um zu sehen, wie viel Stress es aushalten könnte, um zu brechen. Unter dem Druck eines scharfen oder stumpfen Stabs drückten sich die Proben ein und bildeten riesige Vertiefungen, bevor sie brachen. Die Forscher machten auch eine interessante Entdeckung.
„Es gibt eine bestimmte strukturelle Formation, die optimal ist“, sagte German, Fakultätsmitglied in der Abteilung für Biomedizinische Technik am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science der Binghamton University.
„Wir fanden heraus, dass, wenn die künstliche Haut die gleiche Dicke der äußeren (Stratum Corneum) und inneren Schicht (Dermis) wie die Haut von Säugetieren hat, die Gummimembranen sowohl ihre Durchstoßfestigkeit als auch ihre Verformbarkeit maximieren. Wir glauben, dass sich die Haut von Säugetieren weiterentwickelt oder angepasst hat, um sie anzubieten die härteste Option gegen mechanische Bedrohungen, während sie gleichzeitig so verformbar wie möglich bleibt.“
Die meisten Organismen haben eine härtere äußere Schicht, die eine nachgiebigere Schicht darunter vor Bedrohungen in ihrer Umgebung schützen kann. Denken Sie neben Tieren auch an Nüsse, Früchte, Insekten und sogar Mikroorganismen.
„Die Haut von Säugetieren bietet maximale Fortbewegung und maximale mechanische Widerstandsfähigkeit“, sagte German. „Wenn es in die eine Richtung gehen würde, wäre es weniger flexibel, oder in die andere Richtung würde man mehr Flexibilität, aber weniger Zähigkeit bekommen. Es ist also optimiert.“
German und das Team entdeckten auch eine neue Art von Fehlern, die sie Coring nennen. Wenn Sie ein Material durchstechen, beginnt der Bruch normalerweise unterhalb der Spitze des Eindringkörpers, genau wie ein Stück Papier mit einem Bleistift. Aber bei hyperelastischen zweischichtigen Materialien wie der menschlichen Haut und diesen künstlichen Hautmembranen tritt der Bruch bei großen Eindringtiefen weit von der Spitze des Eindringkörpers auf. Hier tritt ein Bruch auf, wo die Membran am stärksten gedehnt wird, an den Seiten des Divots, wobei ein zylindrischer Kern in der Membran verbleibt. Sie glauben nicht, dass dieses Phänomen zuvor beobachtet wurde.
German weist darauf hin, dass ein besseres Verständnis der Struktur von Haut – und künstlicher Haut – bei einer Reihe verschiedener Technologien helfen wird, von flexibler Elektronik und medizinischen Geräten bis hin zu Produktverpackungen, schusssicheren Westen und Behandlungen für Brandopfer. All diese potenziellen Anwendungen (und mehr) bedeuten, dass die Erforschung der menschlichen Haut und wie sie sich zu ihrer heutigen Form entwickelt hat, in den letzten Jahren immer beliebter wurde.
„Wissenschaftler und Ingenieure fühlen sich von der Untersuchung der Haut angezogen, weil sie schwer zu verstehen ist“, sagte er. „Haut ist heterogen und strukturell sehr komplex.“
Er glaubt, dass die zunehmende Leistungsfähigkeit von Computern dazu beigetragen hat, die Biomechanik der Haut besser zu verstehen: „Traditionelle Materialien wie Stahl und Zement haben eine einheitliche Zusammensetzung und sind leicht zu charakterisieren. Heutzutage nutzen Ingenieure ihr Computer-Know-how, um wirklich komplexe Materialien wie Haut zu untersuchen .“
Christopher H. Maiorana et al, Biomechanische Bruchmechanik von zusammengesetzten geschichteten hautähnlichen Materialien, Weiche Materie (2022). DOI: 10.1039/D1SM01187A