研究发现皮肤较薄可显著减轻穿刺造成的伤害

薄而有弹性的皮肤(如猪或人的皮肤)可显著减轻穿刺时的潜在损伤。一项新研究发现，猪皮甚至比模仿皮肤的合成材料表现更好。研究人员报告称，猪皮的特殊性质，尤其是其消散穿刺物体能量的能力，大大减少了对深层组织的损伤。

菲利普·安德森 (Philip Anderson) 是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校进化、生态和行为学教授，他与博士后研究员张兵洋 (Bingyang Zhang) 共同领导了这项研究，他对物理定律如何影响进化非常感兴趣。这种兴趣促使他探索自然界中无处不在的穿刺物体的动力学。

安德森说：“你会发现各种东西能够刺穿多种生物——脊椎动物、无脊椎动物、植物和真菌——所有规模和不同的动态状态，所以有尖牙、爪子、刺、毒刺和其他长而锋利的工具。”

他说，隔离穿刺过程中涉及的所有变量(例如穿刺物体的速度、形状和锋利度，或目标材料失效的力学原理)是一项艰巨的任务。他和同事首先测量了穿刺的基本要素，使用具有不同轮廓和锋利度的 3D 打印锥体作为穿刺物体，使用不同密度的硅胶作为目标。在解答了一些有关穿刺物理学的基本问题后，安德森的实验室现在正在对生物材料进行更深入的研究。

在新的实验中，张测试了带皮和不带皮的猪肉块的“可穿刺性”，并将这些生物材料与一种合成模拟物的性能进行了比较：一种硬度与鲸脂相近的硅胶和另一种更薄、硬度更高的凝胶(代表皮肤)。

由于材料限制，硅胶皮肤厚度约为 4 毫米，而动物皮肤厚度约为 2.5 毫米。尽管存在这种差异，但研究小组发现，在穿刺测试中，真猪皮的表现优于硅胶皮肤。穿刺测试包括以不同的速度向材料发射弹丸，并测量它们刺穿组织的深度。

张说：“通过结合动态穿刺实验和理论建模，我们研究了天然皮肤组织和合成双层组织模拟材料的抗穿刺性。”

“我们发现，尽管猪皮很薄，但与没有皮的相同猪组织相比，附着在下面的组织上的猪皮可以在较低速度下减少约 60% 的穿刺损伤，在较高速度下减少约 73% 的穿刺损伤。”

研究人员发现，合成皮肤提供的保护较少，在较低速度下对底层凝胶的损害减少不到 40%，在较高速度下对底层凝胶的损害减少不到 30%。

张说：“这些发现证明了天然皮肤的优越生物力学性能。”

安德森说：“有了表皮层，就很容易避免穿刺。事实上，在低速时，该工具甚至无法刺破皮肤。”

研究人员推测，皮肤表现更佳的部分原因是它是由胶原纤维构成的，这些纤维相互交织，即使部分纤维断裂也能提供阻力。胶原纤维断裂也会耗散部分弹丸能量，使其速度减慢，并削弱其更深入组织的能力。硅胶缺乏这种特性。

张教授表示：“我们展示了天然皮肤作为一种非凡的防御结构所具有的独特能力，即重新分配力量和耗散能量。我们还了解到，合成材料虽然在许多情况下很有用，但在复制这些复杂的生物功能方面仍存在不足。”

张冰洋现为康奈尔大学博士后研究员。