大多数具有保护作用的生物组织，如哺乳动物的皮肤、鱼鳞、甲壳类动物的壳以及坚果和种子壳，在结构上都是由软底物上坚硬而薄的外层组成。虽然这些复合皮肤样组织无处不在，但它们的失效机制和复合结构提供的潜在机械优势尚不清楚。
在一项新的研究中，来自宾厄姆顿大学纽约州立大学(State University of New York)的研究人员研究了人类皮肤的结构和它所能承受的损伤程度。他们发现,人类皮肤已经发展到允许最大的耐用性和灵活性。
科学家们使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)来生产膜，PDMS是一种惰性的无毒材料，常用于生物医学研究。通过在柔软、灵活的外层覆盖一层更薄、更硬的外层，他们模仿了哺乳动物皮肤的结构。
之后，“人造皮肤经过测试，以评估它在断裂前能承受多大的力。样品被压痕形成大的凹痕，然后在锋利或钝棒的压力下破碎。此外，科学家们还有一个有趣的发现。
生物医学工程副教授Guy German说，“存在某种最佳结构形式。”
“我们发现，当人造皮肤的外层(角质层)和内层(真皮层)厚度与哺乳动物皮肤相同时，橡胶膜的穿刺韧性和变形能力都达到了最大化。我们相信，哺乳动物的皮肤已经进化或自我适应，能够在尽可能保持变形的同时，提供最严酷的机械威胁。”
“哺乳动物的皮肤能提供最大的运动能力和最大的机械韧性。如果它往一个方向走，它的灵活性就会降低，或者往另一个方向走，它的灵活性会增加，但韧性会降低。这是优化的。”
科学家们还发现了一种叫做岩心的新型失效。刺穿材料会在压头下方造成断裂，就像用铅笔刺穿一张纸一样。然而，在超弹性双层材料中，压裂发生在远离压头尖端的地方人类皮肤这些人造皮肤膜的凹陷深度很大。膜在最受拉伸的地方破裂，也就是在土坡的两侧，在膜中形成一个圆柱形核心。他们认为这是前所未有的。
德国说，“更好地理解皮肤和人造皮肤的结构将有助于各种技术的发展，从柔性电子产品和医疗设备到产品包装、防弹背心和烧伤患者的治疗。这些潜在的用途(以及更多的用途)意味着，研究人类皮肤以及它是如何进化成现在的样子的，在近年来越来越受欢迎。”
“科学家和工程师被皮肤研究所吸引，因为它很难理解。皮肤是异质的，结构非常复杂。”
German表示，先进的计算技术已经帮助该团队更好地理解皮肤生物力学。
期刊引用:
- Christopher H. Maiorana, Rajeshwari A. Jotawar, Guy K. German。复合材料层状皮状材料的生物力学断裂力学。软物质,2022;18 (10): 2104 doi:10.1039 / D1SM01187A
