Morfologisk och mekanisk karakterisering av hårstrån från däggdjur

Master Thesis project: Morphological and mechanical characterization of mammal hairs

Mål:

I det här projektet kommer studenten att få lära sig hur man utför experiment, med praktisk träning i den specifika teknik som krävs för projektet. Studenten kommer också att lära sig hur man analyserar data med hjälp av statistiska verktyg. Aktiviteterna kommer att utföras i en dynamisk, konkurrenskraftig, stimulerande och spännande forskargrupp.

Syftet med denna forskning är att karakterisera och jämföra de mekaniska och morfologiska egenskaperna hos hårstrån från så många däggdjursarter som möjligt.

Bakgrund:

Hårliknande strukturer har flera funktioner i olika levande organismer. Kaktusar använder t.ex. hår för att samla vatten och avleda värme[1], spindlar använder hår för att uppfatta omgivningen[2] och bläckfiskar har håriga sugkoppar som gör att de kan uppfatta omgivningen och fästa bättre på ytor[3]. Bland alla hårliknande strukturer är däggdjurens hår de mest karakteristiska[4]. Trots det stora intresset för hårstrån inom textil- och hårvårdsindustrin är kunskapen om deras mekaniska och morfologiska egenskaper begränsad. Det finns ett fåtal vetenskapliga artiklar som beskriver hårstråns morfologiska och mekaniska egenskaper, och vanligtvis är dessa begränsade till mänskliga hårstrån eller vanliga däggdjur som hästar, getter och får[5].

Vi tror att nya forskningsområden och möjligheter skulle öppnas om man genomförde en systematisk och jämförande studie av de morfologiska och mekaniska egenskaperna hos olika hårstrån från olika däggdjursarter. Ingen vet till exempel om hårstrån från däggdjur som lever i öken är starkare än hårstrån från däggdjur som lever i djungeln. Samtidigt vet man väldigt lite om hur hårets mekaniska och morfologiska egenskaper varierar mellan olika individer.

Projektbeskrivning:

• Insamling av hårstrån: Hårstråna måste samlas in och delas in efter art, individ, om de togs från under- eller överpälsen, datum då de togs, och om de har tappats av djuret eller klippts manuellt av operatören (cirka 15-20 hårstrån för varje typologi räcker för studien). För närvarande kan vi inte garantera att uppgiften att samla in hårstrån kommer att utföras av studenten.
• Morfologisk karakterisering: Hårstråna kommer först att karakteriseras med hjälp av ljusmikroskopi. Detta kommer att göras för att mäta hårstrånas diameter på olika ställen i hårstrået (Figur 1).
• Mekanisk karakterisering: Hårstråna kommer sedan att dragprovas, vilket innebär att en konstant och kontrollerad deformation kommer att appliceras på hårstrået tills det bryts. Under denna deformation registreras belastningen. Från dragprovningen kan man beräkna hårstrånas mekaniska egenskaper. Dessa är styrkan, den maximala deformationen, Youngs modul (dvs. kopplad till styvheten) och seghetsmodulen (energi per volymenhet som investeras för att bryta hårstrået). I slutet av denna mätning kommer data att plottas i specifika diagram (så kallade Ashby-plottar) och jämföras (figur 2).

Alla data som erhålls från denna studie kommer att jämföras och läggas till de preliminära data som redan erhållits av forskaren och ännu inte publicerats.

Följande experimentella tekniker kan användas, för vilka studenten kommer att utbildas: ljusmikroskopi, dragprovning och polariserat ljusmikroskopi för att mäta dubbelbrytning.

Figur 2: a) Representativa spännings-töjningskurvor för några av de däggdjursarter som analyserades i en preliminär studie. b-d) Ashby-plottar av de mekaniska egenskaperna för alla de hårtypologier som analyserades i en preliminär studie. Ritningarna av djuren i panel a) skapades med BioRender.com. * värden har erhållits från [1,2]. Dessa data är opublicerade.

Specifikationer:

Om handledaren: Gabriele Greco är postdoktoral forskare vid SLU (Uppsala) och arbetar med artificiellt spindelsilke i professor Anna Risings grupp. Hans expertområde är karakterisering av de fysikaliska egenskaperna hos biologiska material, i synnerhet silke. För att hjälpa Dr. Greco kommer SLU-forskarna Dr. Schmuck och Dr. Pessatti samt Prof. Rising också att vara en del av diskussionen och mentorskapet.

Projektet är flexibelt och kan vara lämpligt för både kandidatstudenter (15 CFU - 2 månaders arbete) och masterstudenter (30 CFU - 4 månaders arbete).

Platsen kommer att vara vid institutionen för anatomi, fysiologi och biokemi på Campus Ultuna (Uppsala, VH-byggnaden).

References:

1. Kundanati, L.; Novo, N.G. Di; Greco, G.; Greco, G.; Siboni, S.; Volpe, C. Della Multifunctional Roles of Hairs and Spines in Old Man of the Andes Cactus : Droplet Distant Coalescence and Mechanical Strength Multifunctional Roles of Hairs and Spines in Old Man of the Andes Cactus : Droplet Distant Coalescence and Mechanical Strength. Phys. Fluids 2022, 34, doi:10.1063/5.0066153.
2. Guarino, R.; Greco, G.; Mazzolai, B.; Pugno, N.M. Fluid-Structure Interaction Study of Spider ’ s Hair Flow-Sensing System. Mater. Today Proc. 2019, 7, 418–425, doi:10.1016/j.matpr.2018.11.104.
3. Greco, G.; Bosia, F.; Tramacere, F.; Mazzolai, B.; Pugno, N.M. The Role of Hairs in the Adhesion of Octopus Suckers : A Hierarchical Peeling Approach The Role of Hairs in the Adhesion of Octopus Suckers : A Hierarchical Peeling Approach. Bioinspir. Biomim. 2020, 15.
4. Popescu, C.; Höcker, H. Hair—the Most Sophisticated Biological Composite Material. Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 1282–1291, doi:10.1039/b604537p.
5. Yang, W.; Yu, Y.; Robert, O.; Meyers, M.A.; Yang, W.; Yu, Y.; Ritchie, R.O.; Meyers, M.A. On the Strength of Hair across Species On the Strength of Hair across Species. Matter 2019, 2, 136–149, doi:10.1016/j.matt.2019.09.019.