La sensazione di una pelle che perfora l'ago è familiare alla maggior parte delle persone, soprattutto di recente, poiché le vaccinazioni COVID-19 stanno guadagnando slancio. Ma cosa succede esattamente quando un ago perfora la pelle? La risposta è rivelata in un nuovo articolo pubblicato di recente su Giornale di Meccanica e Fisica dei Solidi.

Mattia Bacca, professore assistente alla University of British Columbia, spesso cerca risposte nel mondo naturale quando deve affrontare un problema di ingegneria meccanica, come il modo in cui un geco può aggrapparsi a una superficie con i cuscinetti sulle dita dei piedi, o una formica può tagliare una foglia molte volte la sua dimensione.

L'ingegneria bioispirata ha aiutato il Dr. Bacca, insieme al dottorato candidato Stefano Fregonese, per rispondere alla domanda precedentemente irrisolta di come funziona la meccanica del piercing su materiali morbidi, come la pelle.

"Il taglio è onnipresente nella nostra sopravvivenza e nella vita quotidiana, " spiega Bacca. "Quando mastichiamo il cibo, tagliamo il tessuto per renderlo digeribile. Quasi tutte le specie del regno animale si sono evolute con la capacità di tagliare i tessuti per nutrirsi e difendersi, quindi hanno acquisito notevoli caratteristiche morfologiche e fisiche per consentire questo processo in modo efficiente."

Hanno creato una teoria meccanica per determinare la forza critica richiesta per l'inserimento dell'ago, il fenomeno fondamentale della puntura. Il loro lavoro fornisce un semplice, modello semi-analitico per descrivere il processo, dagli argomenti dimensionali all'analisi agli elementi finiti.

I meccanismi coinvolti nel taglio dei tessuti molli hanno guadagnato attenzione nell'ingegneria solo negli ultimi decenni, inizialmente con indagini sulle proprietà della gomma. Gli approcci precedenti hanno determinato la forza necessaria per inserire un ago nel tessuto dopo la sua puntura iniziale, utilizzando esperimenti fisici che non potevano misurare completamente le deformazioni e i complessi meccanismi di cedimento coinvolti nella rottura della superficie di un materiale morbido.

In contrasto, il nuovo modello creato da Fregonese e Bacca può finalmente prevedere la forza di perforazione e convalidarla con esperimenti precedenti. Hanno scoperto che la forza di inserimento dell'ago è proporzionale alla tenacità del tessuto e si ridimensiona inversamente al raggio dell'ago, il che significa che gli aghi più sottili richiedono meno forza. Sebbene entrambe queste osservazioni siano intuitive, fornivano previsioni quantitative. Che cosa è controintuitivo, però, è il ruolo della rigidità materiale in questo processo. La rigidità del tessuto si ridimensiona inversamente con la forza di perforazione, con tessuto più morbido che richiede una forza maggiore (a parità di tenacità). Il team dell'UBC sta attualmente eseguendo ulteriori esperimenti e perfezionamenti del modello per approfondire la fisica di questo problema.

Finora, i loro risultati provengono da varie indagini su soluzioni animali. All'inizio, Fregonese si è unito al Laboratorio di Micro &Nano Meccanica del Dr. Bacca per un progetto relativo alla meccanica dell'adesione in animali come i gechi. Esplorando le sovrapposizioni con quest'area e il problema del taglio, iniziarono a indagare i fondamenti del taglio e il legame con l'evoluzione morfologica degli animali, con una collaborazione internazionale> studiando le formiche tagliafoglie con l'esperto di biomeccanica animale Dr. David Labonte (Imperial College), ed esperta di fisiologia muscolare, la dott.ssa Natalie Holt (Università della California). Hanno anche collaborato con il Dr. Kevin Golovin di UBC Okanagan e il collega di ingegneria meccanica Dr. Gwynn Elfring per ricercare l'interazione tra balistica e gel.

Il loro nuovo modello teorico può aiutare gli ingegneri a sviluppare varie applicazioni come dispositivi di protezione, processi di automazione che coinvolgono il cibo e la tecnologia emergente della chirurgia robotica.

Può anche influire sul modo in cui le persone sperimentano le iniezioni in futuro, qualcosa in mente per le persone che si sono recentemente messe in fila per ricevere la loro vaccinazione COVID-19. Per esempio, la tecnologia futura potrebbe fornire opzioni come assorbenti monouso autosomministrati armati di microaghi, come quelli progettati dal dottor Boris Stoeber di UBC, progettati per perforare la pelle alla giusta profondità e con la giusta forza.