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Come qualcuno che ha studiato a fondo ciò che la natura ha prodotto, il Professore Associato Guy German ama dire ai suoi studenti:Pensi di essere un buon ingegnere, ma l'evoluzione è migliore.
A rafforzare questo punto c'è la ricerca pubblicata di recente dal laboratorio tedesco sulla struttura della pelle umana e la quantità di danni che può subire.
Il documento, "Meccanica della frattura biomeccanica dei materiali simili alla pelle a strati compositi", è stato pubblicato sulla rivista Soft Matter . Il tedesco è stato coautore dello studio con due ex studenti del suo laboratorio, Christopher Maiorana, Ph.D. '21 e Rajeshwari Jotawar, MS '21.
Il team ha creato membrane dal polidimetilsilossano (PDMS), un materiale inerte e non tossico utilizzato nella ricerca biomedica. Hanno imitato la struttura della pelle dei mammiferi ricoprendo uno strato morbido e aderente con uno esterno più sottile e rigido in seguito.
La "pelle artificiale" è stata quindi sottoposta a una serie di test per vedere quanto stress poteva richiedere per rompersi. Sotto la pressione di un'asta appuntita o smussata, i campioni si sono indentati per formare enormi cavità prima di rompersi. I ricercatori hanno anche fatto una scoperta interessante.
"C'è una certa formazione strutturale che è ottimale", ha affermato German, membro della facoltà del Dipartimento di ingegneria biomedica del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science della Binghamton University.
"Abbiamo scoperto che quando la pelle artificiale ha lo stesso spessore dello strato esterno (strato corneo) e interno (derma) della pelle dei mammiferi, le membrane di gomma massimizzano sia la loro resistenza alla perforazione che la deformabilità. Riteniamo che la pelle dei mammiferi si sia evoluta o adattata per offrire l'opzione più dura per le minacce meccaniche pur rimanendo il più deformabile possibile."
La maggior parte degli organismi ha uno strato esterno più resistente che può proteggere uno strato sottostante più conforme dalle minacce nei loro ambienti. Oltre agli animali, pensa a noci, frutta, insetti e persino microrganismi.
"La pelle dei mammiferi offre la massima locomozione e la massima tenacità meccanica", ha affermato German. "Se andasse in un modo, sarebbe meno flessibile, o nell'altro modo otterresti più flessibilità ma meno robustezza. Quindi è ottimizzato."
German e il team hanno anche scoperto un nuovo tipo di guasto, quello che chiamano carotaggio. Se fori un materiale, in genere la frattura inizierà sotto la punta del penetratore, proprio come perforare un pezzo di carta con una matita. Ma con materiali iperelastici a due strati come la pelle umana e queste membrane cutanee artificiali, la frattura si verifica lontano dalla punta del penetratore a grandi profondità di indentazione. Qui, la rottura si verifica dove la membrana è tesa maggiormente, ai lati della cavità, lasciando un nucleo cilindrico nella membrana. Non credono che questo fenomeno sia stato osservato in precedenza.
German sottolinea che una migliore comprensione della struttura della pelle e della pelle artificiale aiuterà con una serie di tecnologie diverse, dall'elettronica flessibile e dai dispositivi medici all'imballaggio dei prodotti, ai giubbotti antiproiettile e ai trattamenti per le vittime di ustioni. Tutti questi potenziali usi (e altro) significano che la ricerca sulla pelle umana e su come si è evoluta nella sua forma attuale è sempre più popolare negli ultimi anni.
"Scienziati e ingegneri sono attratti dallo studio della pelle perché è difficile da capire", ha detto. "La pelle è eterogenea e strutturalmente molto complessa."
Crede che l'aumento della potenza dei computer abbia aiutato a comprendere meglio la biomeccanica della pelle:"I materiali tradizionali come l'acciaio e il cemento hanno una composizione uniforme e sono facili da caratterizzare. Al giorno d'oggi, gli ingegneri utilizzano il loro know-how computazionale per studiare materiali davvero complessi come la pelle ." + Esplora ulteriormente
