La sensation d'une peau percée d'aiguille est familière à la plupart des gens, surtout récemment, alors que les vaccinations contre le COVID-19 prennent de l'ampleur. Mais que se passe-t-il exactement lorsqu'une aiguille perce la peau ? La réponse est révélée dans un nouvel article publié récemment dans le Journal de la mécanique et de la physique des solides.

Mattia Bacca, professeur adjoint à l'Université de la Colombie-Britannique, se tourne souvent vers le monde naturel pour trouver des réponses lorsqu'il est confronté à un problème d'ingénierie mécanique, comme la façon dont un gecko peut s'accrocher à une surface avec les coussinets sur ses orteils, ou une fourmi peut couper une feuille plusieurs fois sa taille.

L'ingénierie bioinspirée a aidé le Dr Bacca, avec Ph.D. candidat Stefano Fregonese, répondre à la question jusqu'alors non résolue du fonctionnement de la mécanique du perçage sur les matériaux mous, comme la peau.

"La coupe est omniprésente dans notre survie et notre vie quotidienne, " explique Bacca. " Quand nous mâchons de la nourriture, nous coupons les tissus pour les rendre digestes. Presque toutes les espèces du règne animal ont évolué avec la capacité de couper les tissus pour se nourrir et se défendre, ont donc acquis des caractéristiques morphologiques et physiques remarquables pour permettre ce processus efficacement."

Ils ont créé une théorie mécanique pour déterminer la force critique requise pour l'insertion de l'aiguille, le phénomène pivot de la perforation. Leur travail offre un moyen simple, modèle semi-analytique pour décrire le processus, des arguments dimensionnels à l'analyse par éléments finis.

Les mécanismes impliqués dans la coupe des tissus mous n'ont attiré l'attention en ingénierie qu'au cours des dernières décennies, d'abord avec des recherches sur les propriétés du caoutchouc. Les approches précédentes déterminaient la force nécessaire pour insérer une aiguille dans le tissu après sa perforation initiale, en utilisant des expériences physiques qui ne pouvaient pas mesurer complètement les déformations et les mécanismes de défaillance complexes impliqués dans la rupture de la surface d'un matériau mou.

En revanche, le nouveau modèle créé par Fregonese et Bacca peut enfin prédire la force de perforation et la valider avec des expériences précédentes. Ils ont découvert que la force d'insertion de l'aiguille est proportionnelle à la ténacité du tissu et s'échelonne en sens inverse du rayon de l'aiguille, ce qui signifie que les aiguilles plus fines nécessitent moins de force. Bien que ces deux observations soient intuitives, ils ont fourni une prédiction quantitative. Ce qui est contre-intuitif, cependant, est le rôle de la rigidité du matériau dans ce processus. La rigidité des tissus varie en fonction inverse de la force de perforation, avec des tissus plus mous nécessitant une force plus élevée (à même ténacité). L'équipe de l'UBC effectue actuellement des expériences supplémentaires et des améliorations du modèle pour approfondir la physique de ce problème.

Jusque là, leurs résultats proviennent de diverses enquêtes sur les solutions animales. En premier, Fregonese a rejoint le laboratoire de micro et nano mécanique du Dr Bacca pour un projet lié à la mécanique de l'adhérence chez les animaux comme les geckos. Explorer les chevauchements avec ce domaine et le problème de la coupe, ils ont commencé à enquêter sur les fondamentaux de la coupe et le lien avec l'évolution morphologique des animaux, avec une collaboration internationale> étudier les fourmis coupeuses de feuilles avec le Dr David Labonte, expert en biomécanique animale (Imperial College), et experte en physiologie musculaire, le Dr Natalie Holt (Université de Californie). Ils ont également collaboré avec le Dr Kevin Golovin de l'UBC Okanagan et la Dre Gwynn Elfring, collègue en génie mécanique, pour effectuer des recherches sur l'interaction entre la balistique et les gels.

Leur nouveau modèle théorique peut aider les ingénieurs à développer diverses applications telles que les équipements de protection, processus d'automatisation impliquant l'alimentation et la technologie émergente de la chirurgie robotique.

Cela peut également avoir un impact sur la façon dont les personnes subissent les injections à l'avenir, quelque chose de prioritaire pour les personnes qui ont récemment fait la queue pour recevoir leur vaccination COVID-19. Par exemple, la technologie future pourrait offrir des options telles que des serviettes jetables auto-administrées armées de micro-aiguilles, comme celles conçues par le Dr Boris Stoeber de l'UBC, conçues pour percer la peau à la bonne profondeur et avec la bonne force.