En tant que quelqu’un qui a étudié en profondeur ce que la nature a produit, le professeur agrégé Guy German aime dire à ses étudiants : Vous pensez que vous êtes un bon ingénieur, mais l’évolution est meilleure.
Ce point est renforcé par des recherches récemment publiées par le laboratoire allemand concernant la structure de la peau humaine et la quantité de dommages qu’elle peut subir.
L’article, « Mécanique biomécanique de la fracture des matériaux stratifiés composites ressemblant à la peau », a été publié dans la revue Matière molle. German a co-écrit l’étude avec deux anciens étudiants de son laboratoire, Christopher Maiorana, Ph.D. ’21, et Rajeshwari Jotawar, MS ’21.
L’équipe a créé des membranes en polydiméthylsiloxane (PDMS), un matériau inerte et non toxique utilisé dans la recherche biomédicale. Ils imitaient la structure de la peau des mammifères en recouvrant une couche douce et souple avec un extérieur plus fin et plus rigide plus tard.
La « peau artificielle » a ensuite subi une série de tests pour voir combien de stress elle pouvait prendre pour se casser. Sous la pression d’une tige pointue ou émoussée, les échantillons s’indentaient pour former d’énormes divots avant de se casser. Les chercheurs ont également fait une découverte intéressante.
« Il existe une certaine formation structurelle qui est optimale », a déclaré German, membre du corps professoral du département de génie biomédical du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de l’Université de Binghamton.
« Nous avons constaté que lorsque la peau artificielle a la même épaisseur de couche externe (couche cornée) et interne (derme) que la peau des mammifères, les membranes en caoutchouc maximisent à la fois leur résistance à la perforation et leur déformabilité. Nous pensons que la peau des mammifères a évolué ou s’est adaptée pour offrir l’option la plus résistante aux menaces mécaniques tout en restant aussi déformable que possible. »
La plupart des organismes ont une couche externe plus résistante qui peut protéger une couche inférieure plus conforme contre les menaces dans leur environnement. En plus des animaux, pensez aux noix, aux fruits, aux insectes et même aux micro-organismes.
« La peau de mammifère offre une locomotion maximale et une ténacité mécanique maximale », a déclaré German. « Si cela allait dans un sens, ce serait moins flexible, ou dans l’autre sens, vous obtiendriez plus de flexibilité mais moins de ténacité. C’est donc optimisé. »
German et l’équipe ont également découvert un nouveau type d’échec, celui qu’ils appellent le carottage. Si vous perforez un matériau, la fracture commencera généralement sous la pointe du pénétrateur, tout comme si vous perciez un morceau de papier avec un crayon. Mais avec des matériaux hyperélastiques à deux couches tels que la peau humaine et ces membranes cutanées artificielles, la fracture se produit loin de la pointe du pénétrateur à de grandes profondeurs d’indentation. Ici, la rupture se produit là où la membrane est le plus étirée, sur les côtés du divot, laissant un noyau cylindrique dans la membrane. Ils ne croient pas que ce phénomène ait été observé auparavant.
German souligne qu’une meilleure compréhension de la structure de la peau – et de la peau artificielle – aidera avec un éventail de technologies différentes, allant de l’électronique flexible et des dispositifs médicaux à l’emballage des produits, aux gilets pare-balles et aux traitements pour les brûlés. Toutes ces utilisations potentielles (et plus) signifient que la recherche sur la peau humaine et son évolution vers sa forme actuelle est de plus en plus populaire ces dernières années.
« Les scientifiques et les ingénieurs sont attirés par l’étude de la peau parce que c’est difficile à comprendre », a-t-il déclaré. « La peau est hétérogène et structurellement très complexe. »
Il estime que l’augmentation de la puissance des ordinateurs a permis de mieux comprendre la biomécanique de la peau : « Les matériaux traditionnels comme l’acier et le ciment sont de composition uniforme et faciles à caractériser. De nos jours, les ingénieurs utilisent leur savoir-faire informatique pour étudier des matériaux vraiment complexes comme la peau. . »
Christopher H. Maiorana et al, Mécanique biomécanique de la fracture des matériaux composites en couches ressemblant à de la peau, Matière molle (2022). DOI : 10.1039/D1SM01187A