A sensação de uma agulha perfurando a pele é familiar para a maioria das pessoas, especialmente recentemente, à medida que as vacinações COVID-19 ganham impulso. Mas o que exatamente acontece quando uma agulha fura a pele? A resposta é revelada em um novo artigo publicado recentemente no Jornal da Mecânica e Física dos Sólidos.

Mattia Bacca, professor assistente da University of British Columbia, muitas vezes olha para o mundo natural em busca de respostas quando se depara com um problema de engenharia mecânica, como a maneira como uma lagartixa pode se agarrar a uma superfície com as pontas dos pés, ou uma formiga pode cortar uma folha muitas vezes seu tamanho.

A engenharia bioinspirada ajudou o Dr. Bacca, junto com Ph.D. candidato Stefano Fregonese, para responder à questão não resolvida anteriormente de como a mecânica de perfuração funciona em materiais macios, como pele.

"O corte é onipresente em nossa sobrevivência e vida diária, "Bacca explica." Quando mastigamos comida, cortamos o tecido para torná-lo digerível. Quase todas as espécies do reino animal evoluíram com a capacidade de cortar tecidos para alimentar e defender, portanto, adquiriram características morfológicas e físicas notáveis ​​para permitir este processo de forma eficiente. "

Eles criaram uma teoria mecânica para determinar a força crítica necessária para a inserção da agulha - o fenômeno central da punção. Seu trabalho fornece um simples, modelo semi-analítico para descrever o processo, de argumentos dimensionais à análise de elementos finitos.

Os mecanismos envolvidos no corte de tecidos moles só ganharam atenção na engenharia nas últimas décadas, inicialmente com investigações sobre as propriedades da borracha. Abordagens anteriores determinaram a força necessária para inserir uma agulha no tecido após sua punção inicial, usando experimentos físicos que não conseguiam medir totalmente as deformações e os complexos mecanismos de falha envolvidos na quebra da superfície de um material macio.

Em contraste, o novo modelo criado por Fregonese e Bacca pode finalmente prever a força de punção e validar isso com experimentos anteriores. Eles descobriram que a força de inserção da agulha é proporcional à dureza do tecido e escala inversamente ao raio da agulha - o que significa que agulhas mais finas requerem menos força. Embora ambas as observações sejam intuitivas, eles forneceram previsão quantitativa. O que é contra-intuitivo, Contudo, é o papel da rigidez do material neste processo. A rigidez do tecido escala inversamente com a força de punção, com tecido mais macio exigindo maior força (na mesma tenacidade). A equipe da UBC está atualmente realizando experimentos adicionais e refinamentos de modelo para se aprofundar na física desse problema.

Até aqui, seus resultados vêm de várias pesquisas sobre soluções para animais. Inicialmente, Fregonese se juntou ao Laboratório de Micro e Nano Mecânica do Dr. Bacca para um projeto relacionado à mecânica de adesão em animais como lagartixas. Explorar sobreposições com esta área e o problema de corte, eles começaram a investigar os fundamentos do corte e a ligação com a evolução morfológica dos animais, com uma colaboração internacional> estudando formigas cortadeiras com o especialista em biomecânica animal Dr. David Labonte (Imperial College), e a especialista em fisiologia muscular Dra. Natalie Holt (Universidade da Califórnia). Eles também colaboraram com o Dr. Kevin Golovin da UBC Okanagan e o colega de engenharia mecânica Dr. Gwynn Elfring para pesquisar a interação entre balística e géis.

Seu novo modelo teórico pode ajudar os engenheiros a desenvolver várias aplicações, como equipamentos de proteção, processos de automação envolvendo alimentos e a tecnologia emergente de cirurgia robótica.

Também pode afetar a forma como as pessoas receberão injeções no futuro, algo importante para as pessoas que recentemente fizeram fila para receber a vacinação COVID-19. Por exemplo, a tecnologia futura poderia fornecer opções como almofadas descartáveis ​​autoadministradas armadas com microagulhas - como as projetadas pelo Dr. Boris Stoeber da UBC - projetadas para perfurar a pele na profundidade certa e com a força certa.