薄而柔韧的皮肤，例如猪和人类的皮肤，显著减少了在被刺穿时表面下发生的损伤。有趣的是，最近的研究表明，猪皮的性能优于专门设计用以模仿皮肤的人造材料。这主要归功于其独特特性，特别是其在消散刺穿物体能量方面的有效性，这有助于保护更深层的组织，研究人员表示。
该研究的结果已发表在《皇家学会接口杂志》上。
研究的负责人是专攻演化、生态学和行为学的教授Philip Anderson，以及来自伊利诺伊大学香槟分校的博士后研究员Bingyang Zhang。Anderson对物理原理如何塑造演化感兴趣，这激发了他对刺穿物体动态的兴趣，这在各种生物形式中普遍可见。
“刺穿可以在广泛的生物体中观察到—包括脊椎动物和无脊椎动物，以及植物和真菌，它们的大小和速度各异，从牙齿和爪子到刺和蜇针，”Anderson解释道。
识别影响刺穿的所有因素—例如物体的速度、形状和锋利度，以及目标的材料特性—是一项重大挑战。Anderson和他的团队开始研究刺穿的基本方面，使用具有不同轮廓和锋利度的3D打印锥体作为测试工具，同时使用不同密度的硅胶作为目标。在回答了一些关于刺穿物理学的初步问题后，Anderson的实验室计划深入研究生物材料相关的研究。
在他们最新的实验中，Zhang评估了猪肉块在皮肤上和皮肤去掉时被刺穿的难易程度，并将这些生物样本与合成替代品进行比较：一种模仿脂肪硬度的硅胶和一种设计用来代表皮肤的更薄的硅胶。硅胶皮肤约厚4毫米，而猪皮约为2.5毫米。尽管存在厚度差异，研究显示实际的猪皮在刺穿测试中的性能优于合成替代品，在测试中，投射物以不同速度发射以测量穿透深度。
“通过动态刺穿测试和理论建模的结合，我们评估了自然皮肤和合成模仿材料的刺穿抗性，”Zhang表示。“我们发现，尽管猪皮更薄，但当附着在底层组织上时，它在较低速度时减少了约60%的刺穿损伤，在较高速度时减少了约73%，与没有皮肤的相同猪组织相比。”
反之，合成皮肤提供的保护较少，在较低速度时仅将对底层胶的损伤减少不到40%，在较高速度时减少不到30%，根据该研究结果。
“这些结果突显了自然皮肤的优越生物机械特性，”Zhang指出。
Anderson评论道：“皮肤层在减轻刺穿方面非常有效。事实上，在较低速度下，刺穿物体甚至无法穿透皮肤。”
研究人员提出，皮肤的有效性能部分源于其结构，由复杂编织的胶原纤维组成。这种结构提供了阻力，即使一些纤维断裂。胶原纤维的断裂也有助于消散一些投射物的能量，减缓其速度并降低进一步穿透深层组织的潜力。这是硅胶所没有的特性。
“我们已经证明，自然皮肤具备独特的能力来重新分配力和消散能量，充当一种杰出的防护屏障，”Zhang评论道。“这项研究还揭示了人造材料在各种情况下虽然有益，但仍无法准确复制这些复杂的生物功能。”
这项研究得到了国家科学基金会的资助。
Bingyang Zhang现在已在康奈尔大学担任博士后职位。
