如何在没有粘合剂的情况下将传感器粘在皮肤上

想象一下，如果您可以在不需要胶水的情况下将某些东西贴在皮肤上。生物传感器、手表、通讯设备、时尚配饰——可能性是无限的。由于纽约州立大学宾汉姆顿大学的一项发现，那个时间可能比你想象的更近。

Guy German 副教授和 Zachary Lipsky 博士 '21，最近在Acta Biomaterialia杂志上发表的研究探索了人类皮肤如何控制裂缝形成的方式，以及为什么张力计在测量生物组织的机械特性时会提供不精确的结果。

在此过程中，利普斯基开发了一种无需粘合剂即可将人体皮肤粘合到橡胶状聚合物材料上的方法。最初是一种让他们的实验更容易的方法，但他和德国人明白他们取得了重大发现。

“有一天，扎克进来说，‘是的，我做到了，’”格曼说。“我当时想，'你到底是怎么做到的?你用过胶水吗?' 因为我们还需要考虑胶水的机械特性。他说，“不，我只是把它粘住了。” 我们看着说：以前做过吗?从来没有做过。所以我们在这方面真的很高兴。”

该技术的发明公开已经提交，这可能会导致他所谓的“一种非常简单的技术”的专利，可以彻底改变生物技术。

“我不知道我们会在那里结束，但有时科学就是这样运作的，”German 笑着说。

促成这一发现的研究题为“宏观机械测量的精度受到人体角质层固有结构异质性的限制”，始于德国人在机械工程领域的根源以及他对测试胡克定律对人体皮肤有效性的兴趣。

“我们想，如果我们使用这些标准测试技术来测量组织，尤其是皮肤组织的机械性能，它是否报告了正确的值?” 他说。“没有人真正验证过它。”

由 17 世纪英国物理学家罗伯特·胡克 (Robert Hooke) 提出的定律指出，将弹簧拉伸或压缩一段距离所需的力与该距离成正比。更一般地，研究人员可以使用该定律来测量不同材料的刚度以及破坏它们所需的能量。

“这让我想到，在现代，你可以测量金属和陶瓷的硬度。但皮肤呢?” 德国人说。“金属或陶瓷的成分相当均匀，但皮肤和其他组织具有复杂的异质结构，微尺度细胞通过细胞-细胞连接连接。皮肤的外层也表现出复杂的微通道拓扑网络，这是可见的如果你看看你的手背。”

他和利普斯基将皮肤样本粘合到一块聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 上，这是一种常用于生物工程和生物医学设备的橡胶状材料。然后拉伸样品。然后使用改进的牵引力显微镜技术来量化皮肤施加在粘附基底上的机械载荷的变化。

“随着皮肤的膨胀，会出现一点裂缝，我们可以测量将它生长到一定长度所需的能量，”German 说。“通常要测量机械工程中破裂的能量成本，你会得到两个把手，你拉它，它分裂。你测量力和位移并量化能量。但这假设材料是同质的——到处都是相同的成分。我们是什么?发现皮肤外层的裂缝以一种非常非常奇怪的方式传播。”

裂纹沿地形微通道传播。这延长了裂纹的整体路径，增加了破坏组织所需的能量。这一发现可以外推来解释其他人体组织的行为。

“由于皮肤的异质结构，这也意味着裂纹路径变得更加随机。这就是为什么你会在皮肤的宏观张力计测量中获得如此多的可，”German 说，“因为即使你得到的皮肤恰好来自完全相同年龄的相同来源，样本间的变异性如此之高，因为裂纹路径偏离了。”