La sensación de una aguja perforando la piel es familiar para la mayoría de las personas. especialmente recientemente a medida que las vacunas COVID-19 cobran impulso. Pero, ¿qué sucede exactamente cuando una aguja perfora la piel? La respuesta se revela en un nuevo artículo publicado recientemente en el Revista de Mecánica y Física de Sólidos.

Mattia Bacca, profesor asistente en la Universidad de Columbia Británica, a menudo busca respuestas en el mundo natural cuando se enfrenta a un problema de ingeniería mecánica, como la forma en que un gecko puede aferrarse a una superficie con las almohadillas en los dedos de los pies, o una hormiga puede cortar una hoja muchas veces su tamaño.

La ingeniería bioinspirada ayudó al Dr. Bacca, junto con Ph.D. el candidato Stefano Fregonese, para responder a la pregunta previamente no resuelta de cómo funciona la mecánica de la perforación en materiales blandos, como la piel.

"Cortarse es omnipresente en nuestra supervivencia y nuestra vida diaria, "Explica Bacca." Cuando masticamos la comida, cortamos tejido para hacerlo digerible. Casi todas las especies del reino animal evolucionaron con la capacidad de cortar tejido para alimentarse y defenderse, de ahí que hayan adquirido características morfológicas y físicas notables para permitir este proceso de manera eficiente ".

Crearon una teoría mecánica para determinar la fuerza crítica requerida para la inserción de la aguja, el fenómeno fundamental de la punción. Su trabajo proporciona una simple, modelo semi-analítico para describir el proceso, desde argumentos dimensionales hasta análisis de elementos finitos.

Los mecanismos involucrados en el corte de tejidos blandos solo han llamado la atención en la ingeniería durante las últimas décadas, inicialmente con investigaciones sobre las propiedades del caucho. Los enfoques anteriores determinaron la fuerza necesaria para insertar una aguja en el tejido después de su punción inicial, utilizando experimentos físicos que no pudieron medir completamente las deformaciones y los complejos mecanismos de falla involucrados en romper la superficie de un material blando.

A diferencia de, el nuevo modelo creado por Fregonese y Bacca finalmente puede predecir la fuerza de punción y validar esto con experimentos previos. Descubrieron que la fuerza de inserción de la aguja es proporcional a la dureza del tejido y escalas inversamente al radio de la aguja, lo que significa que las agujas más delgadas requieren menos fuerza. Aunque ambas observaciones son intuitivas, proporcionaron predicción cuantitativa. ¿Qué es contradictorio? sin embargo, es el papel de la rigidez del material en este proceso. La rigidez del tejido aumenta inversamente con la fuerza de punción, con tejido más blando que requiere mayor fuerza (con la misma tenacidad). El equipo de UBC está realizando actualmente experimentos adicionales y refinamientos de modelos para profundizar en la física de este problema.

Hasta aquí, sus resultados provienen de diversas investigaciones sobre soluciones animales. En primer lugar, Fregonese se unió al Laboratorio de Micro y Nano Mecánica del Dr. Bacca para un proyecto relacionado con la mecánica de la adhesión en animales como los geckos. Explorando las superposiciones con esta área y el problema del corte, comenzaron a investigar los fundamentos del corte y el vínculo con la evolución morfológica de los animales, con una colaboración internacional> estudiar hormigas cortadoras de hojas con el experto en biomecánica animal Dr. David Labonte (Imperial College), y la experta en fisiología muscular Dra. Natalie Holt (Universidad de California). También colaboraron con el Dr. Kevin Golovin de UBC Okanagan y el colega de ingeniería mecánica Dr. Gwynn Elfring para investigar la interacción entre balística y geles.

Su nuevo modelo teórico puede ayudar a los ingenieros a desarrollar diversas aplicaciones, como equipos de protección, procesos de automatización que involucran alimentos y la tecnología emergente de cirugía robótica.

También puede afectar la forma en que las personas experimentan las inyecciones en el futuro, algo importante para las personas que recientemente hicieron fila para recibir su vacuna COVID-19. Por ejemplo, la tecnología del futuro podría ofrecer opciones como almohadillas desechables autoadministradas armadas con microagujas, como las diseñadas por el Dr. Boris Stoeber de la UBC, diseñadas para perforar la piel con la profundidad y la fuerza adecuadas.