香槟,病了。-薄而有弹性的皮肤——就像猪或人的皮肤一样——大大减少了被刺穿时发生的潜在损伤。一项新的研究发现，猪皮的性能甚至超过了模拟皮肤的合成材料。研究人员报告说，它的特殊性质，特别是它能消散刺穿物体的能量，大大减少了对深层组织的伤害。

他们的研究结果发表在《英国皇家学会界面杂志》上。

进化、生态学和行为学教授菲利普·安德森（Philip Anderson）与伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的博士后研究员张炳阳（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着迷。这种兴趣导致了对自然界中无处不在的刺穿物体的动力学的探索。

安德森说：“你会发现刺穿多种生物的东西——脊椎动物、无脊椎动物、植物和真菌——在各种规模和不同的动态机制下，比如毒牙、爪子、刺、刺和其他长而锋利的工具。”

他说，隔离所有涉及穿刺的变量——例如，穿刺物体的速度、形状和锐度，或者目标材料失效的机制——是一项艰巨的任务。他和他的同事们从测量刺穿的基本元素开始，使用3d打印的具有不同轮廓和锐度的锥体作为刺穿对象，使用不同密度的硅凝胶作为目标。在回答了关于穿刺物理的一些基本问题之后，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，Zhang测试了带有和不带有皮肤的猪肉块的“刺穿性”，并将这些生物材料的性能与合成模拟物进行了比较：一种具有近似脂肪硬度的硅凝胶和另一种代表皮肤的更薄、更高硬度的凝胶。由于材料的限制，硅胶皮的厚度约为4mm，而动物皮的厚度约为2.5 mm。尽管存在这种差异，但研究小组发现，在刺穿测试中，真正的猪皮比硅胶皮表现更好，该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：“通过动态穿刺实验和理论建模相结合，我们检测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，但与没有皮肤的猪组织相比，附着在底层组织上的猪皮在较慢的速度下减少了约60%的穿刺损伤，在较高的速度下减少了73%。”

研究人员发现，合成皮肤提供的保护较少，在较慢的速度下，对底层凝胶的损伤减少了不到40%，在较高的速度下，减少了不到30%。

“这些发现证明了天然皮肤优越的生物力学性能，”张说。

安德森说：“有一层皮肤可以很好地钝化穿刺。”“事实上，在低速下，该工具甚至无法刺穿皮肤。”

研究人员假设，皮肤更好的性能部分是由于它是由胶原纤维组成的事实，胶原纤维编织在一起，即使一些纤维断裂也能提供抵抗力。胶原纤维的断裂也会耗散抛射物的部分能量，使其速度变慢，并降低其深入组织的能力。硅胶缺乏这种特性。

张说：“我们已经展示了天然皮肤的独特能力，它可以重新分配力量和消耗能量，这是一种非凡的防御结构。”“我们也学到了很多关于合成材料的知识，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然不足。”

美国国家科学基金会支持这项工作。

张炳阳现为康奈尔大学博士后研究员。