Una nueva investigación proporciona una mejor comprensión de la durabilidad de la piel

Como alguien que ha estudiado extensamente lo que ha producido la naturaleza, al profesor asociado Guy German le gusta decirles a sus alumnos: Crees que eres un buen ingeniero, pero la evolución es mejor.

Reforzando este punto hay una investigación recientemente publicada del laboratorio de German sobre la estructura de la piel humana y la cantidad de daño que puede sufrir.

El artículo, «Mecánica de fractura biomecánica de materiales compuestos similares a la piel en capas», se publicó en la revista materia blanda. German fue coautor del estudio con dos ex alumnos de su laboratorio, Christopher Maiorana, Ph.D. ’21, y Rajeshwari Jotawar, MS ’21.

El equipo creó membranas a partir de polidimetilsiloxano (PDMS), un material inerte y no tóxico que se utiliza en la investigación biomédica. Imitaron la estructura de la piel de los mamíferos al cubrir una capa suave y dócil con un exterior más delgado y rígido más adelante.

La «piel artificial» luego se sometió a una serie de pruebas para ver cuánto estrés podría tomar para romperse. Bajo la presión de una varilla afilada o desafilada, las muestras se indentaron para formar grandes huecos antes de romperse. Los investigadores también hicieron un descubrimiento interesante.

«Hay una cierta formación estructural que es óptima», dijo German, miembro de la facultad en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson de la Universidad de Binghamton.

«Descubrimos que cuando la piel artificial tiene el mismo grosor de capa exterior (estrato córneo) e interior (dermis) que la piel de los mamíferos, las membranas de goma maximizan tanto su dureza como su deformabilidad. Creemos que la piel de los mamíferos ha evolucionado o se ha adaptado para ofrecer la opción más resistente a las amenazas mecánicas sin dejar de ser lo más deformable posible».

La mayoría de los organismos tienen una capa exterior más resistente que puede proteger una capa inferior más compatible de las amenazas en su entorno. Además de animales, piensa en nueces, frutas, insectos e incluso microorganismos.

«La piel de los mamíferos ofrece la máxima locomoción y la máxima dureza mecánica», dijo German. «Si fuera de una manera, sería menos flexible, o de la otra manera, obtendrías más flexibilidad pero menos dureza. Por lo tanto, está optimizado».

German y el equipo también descubrieron un nuevo tipo de falla, a la que llaman extracción de muestras. Si perfora un material, normalmente la fractura comenzará debajo de la punta del indentador, como si perforara una hoja de papel con un lápiz. Pero con materiales hiperelásticos de dos capas como la piel humana y estas membranas de piel artificial, la fractura se produce lejos de la punta del indentador a grandes profundidades de indentación. Aquí, la ruptura ocurre donde la membrana se estira más, en los lados de la chuleta, dejando un núcleo cilíndrico en la membrana. No creen que este fenómeno haya sido observado previamente.

German señala que una mejor comprensión de la estructura de la piel y la piel artificial ayudará con una variedad de tecnologías diferentes, desde dispositivos electrónicos y médicos flexibles hasta empaques de productos, chalecos antibalas y tratamientos para víctimas de quemaduras. Todos estos usos potenciales (y más) significan que la investigación de la piel humana y cómo evolucionó hasta su forma actual es cada vez más popular en los últimos años.

«Los científicos e ingenieros se sienten atraídos por el estudio de la piel porque es difícil de entender», dijo. “La piel es heterogénea y estructuralmente muy compleja”.

Él cree que el aumento en el poder de las computadoras ha ayudado a comprender mejor la biomecánica de la piel: «Los materiales tradicionales como el acero y el cemento tienen una composición uniforme y son fáciles de caracterizar. Hoy en día, los ingenieros están utilizando su conocimiento computacional para estudiar materiales realmente complejos como la piel». .»