Ученые из университета Бингемтона исследовали структуру человеческой кожи и количество повреждений, которые она может выдержать. Статья опубликована в журнале Soft Matter.
Команда создала мембраны из полидиметилсилоксана (PDMS), инертного и нетоксичного материала, используемого в биомедицинских исследованиях. Они имитировали структуру кожи млекопитающих, покрывая мягкий, податливый слой более тонким и жестким внешним слоем.
Затем “искусственная кожа” подверглась ряду испытаний, чтобы выяснить, насколько сильную нагрузку она может выдержать, чтобы разрушиться. Под давлением острого или тупого стержня образцы отступали, образуя огромные впадины, а затем ломались. Исследователи также сделали интересное открытие.
“Существует определенная структурная форма, которая является оптимальной. Мы обнаружили, что, когда искусственная кожа имеет такую же толщину внешнего (роговой слой) и внутреннего слоя (дерма), как и кожа млекопитающих, резиновые мембраны максимально увеличивают прочность на прокол и деформируемость. Мы считаем, что кожа млекопитающих эволюционировала или адаптировалась, чтобы предложить наиболее жесткий вариант защиты от механических угроз, оставаясь при этом максимально деформируемой”, – рассказывает Герман, преподаватель кафедры биомедицинской инженерии в Колледже инженерных и прикладных наук.
Большинство организмов имеют более жесткий внешний слой, который может защитить более податливый слой под ним от угроз окружающей среды, отмечают ученые.
Специалисты также открыли новый тип разрушения, который они назвали сердцевиной. Если вы прокалываете материал, то разрушение обычно начинается ниже кончика индентора, как при прокалывании карандашом листа бумаги. Но в случае гиперэластичных биэластичных материалов, таких как человеческая кожа и искусственные мембраны, разрушение происходит вдали от кончика индентора при большей глубине вдавливания. Здесь разрыв происходит там, где мембрана растягивается сильнее всего, по бокам от углубления, оставляя в мембране цилиндрическую сердцевину. Они считают, что это явление не наблюдалось ранее.
По мнению исследователей, лучшее понимание структуры кожи – и искусственной кожи – поможет во многих различных технологиях, от гибкой электроники и медицинских приборов до упаковки продуктов, пуленепробиваемых жилетов и лечения жертв ожогов. Все эти потенциальные применения (и не только) означают, что исследования человеческой кожи и того, как она эволюционировала до своей нынешней формы, становятся все более популярными в последние годы.
“Ученых и инженеров привлекает изучение кожи, потому что ее трудно понять. Кожа неоднородна и структурно очень сложна”, – делятся ученые.
Они считают, что увеличение мощности компьютеров поможет лучше понять биомеханику кожи.
“Традиционные материалы, такие как сталь и цемент, однородны по составу и легко поддаются описанию. Сейчас инженеры используют свои компьютерные ноу-хау для изучения действительно сложных материалов, таких как кожа”, – подчеркнули исследователи.
