Influence of indentation test factors on the mechanical response of the skin

Influencia de los factores de la prueba de indentación en la respuesta mecánica de la piel.

Este estudio propone ensayos in vivo y diseño de experimentos para determinar la influencia de factores experimentales en la respuesta mecánica de los tejidos blandos. Los factores experimentales considerados son: temperatura ambiente (A), velocidad de indentación (B), temperatura de penetración (C), presión de bombeo (D) y activación muscular (E). Se desarrolló un método inverso para obtener las constantes de las ecuaciones constitutivas de un modelo biológico multicapa (piel, hipodermis y músculo) mediante el uso de pruebas de indentación en combinación con un método de elementos finitos. Para cada combinación de los factores experimentales, se establecieron dos grupos de constantes a partir del método inverso. Se obtuvieron dieciséis combinaciones de condiciones experimentales y sus correspondientes constantes para las ecuaciones constitutivas de Mooney-Rivlin para ser utilizadas en modelos numéricos adicionales. El factor D y las interacciones del factor ADE, CDE y ACDE fueron estadísticamente significativas con respecto a la respuesta mecánica de la piel. Por tanto, se puede concluir que no existe una ecuación actual capaz de representar las propiedades mecánicas de la piel bajo todas las condiciones experimentales consideradas en este estudio.

INTRODUCCIÓN

La piel es un material biológico y multicapa con propiedades biomecánicas intrínsecas adecuadas a su función de regular el intercambio térmico, mantener el equilibrio hídrico y proteger de la radiación ultravioleta [1]. El estudio de las propiedades mecánicas de los tejidos blandos es valioso para evaluar el progreso de enfermedades como los tumores [2] y los efectos del tratamiento [3], para simular cirugías médicas [4], para comprender el proceso de envejecimiento [5, 6] y para evaluar la eficacia de los productos cosméticos [7]. Los cambios en la elasticidad de los tejidos son un indicador de la aparición y la progresión de enfermedades en órganos específicos [3]. Por ello, la técnica de palpación es una práctica médica utilizada en la exploración del pene, las hernias, los ganglios linfáticos, la mama, la piel y las regiones abdominales, entre otros. Por ejemplo, la evolución del cáncer de mama [2, 8, 9] se asocia a un aumento de la rigidez del tejido patológico. Sin embargo, la falta de pruebas cuantitativas impide identificar la evolución de una enfermedad en función de propiedades mecánicas específicas.

En la literatura se han estudiado los efectos de los siguientes factores experimentales sobre el comportamiento mecánico de los tejidos: (a) diferentes técnicas no invasivas [10]. Los métodos más utilizados presentan una amplia variabilidad de un estudio a otro. Por ejemplo, el módulo de Young de la piel varía entre 0,42 MPa y 0,85 MPa en ensayos de torsión [11], entre 4,6 MPa y 20 MPa en ensayos de tracción [12], entre 0,05 MPa y 0,15 MPa en ensayos de succión [13], [14] y entre 1,1 kPa [15] y 8 kPa [16] en ensayos de indentación.