Skin electrical properties and physical aspects of hydration of keratinized tissues

Abstract

I dette doktorgradsarbeidet har vi studert hudens evne til å binde vann og hvordan dette påvirker hudens elektriske egenskaper. Vi har også introdusert en helt ny byggestein – memristoren – i bioelektrisk modellering, noe som åpner for en helt ny måte å beskrive bioelektrisitet på. Mengden av vann i huden er den viktigste indikatoren på hvor bra den fungerer og denne mengden kan beregnes ut fra enkle elektriske målinger på huden. Resultatene i denne studien vil kunne bidra til bedre diagnostisering av hudsykdommer, utvikling av farmasøytiske produkter (fuktighetskremer), samt til økt forståelse av hudens mange funksjoner. Generelt vil endringer i vev også vise seg i endrede elektriske egenskaper. Ved å sende en svak strøm mellom to eller flere elektroder får man et nøytralt og sikkert mål på hudens innhold av vann. Hvor godt huden leder strøm vil bl.a. avhenge av hvor mye svette det er i huden, og dermed kan svetteaktiviteten måles på en objektiv måte. Spesielt er svette i håndflatene interessant, da dette er knyttet til stressrelaterte situasjoner og nervøsitet (bl.a. løgndetektorer) og objektive vurderinger av smerte. Vi har også vist at den elektriske motstanden i biologisk materiale kan ha ”minne” ved å modellere de elektriske egenskapene ved hjelp av en såkalt memristor. Memristoren er en elektrisk motstand med minne og er et fundamentalt kretselement som har vært oversett inntil nylig. Vi har studert hudens elektriske ledningsevne og vist at mengden elektrisk strøm som får passere avhenger av hva vevet husker. Det som avgjør hvor godt vevet husker er igjen bestemt av antallet ioner som har passert gjennom svettekanaler i huden. Dette er en helt ny måte å beskrive elektriske egenskaper i biologisk vev og baserer seg på en hittil svært lite brukt løsning av Maxwells likninger. Arbeidet er viktig da det forklarer transport av ioner i kapillærer og porer og muligens også nevrale nettverk og hukommelse. Slike systemer er helt avgjørende for levende celler samt andre viktige biologiske prosesser. En slik såkalt memristiv (memory resistor) modell er typisk for systemer på liten skala og vil også være gyldig for mange nanomaterialer. Arbeidet er utført ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

We have studied the electrical properties of human skin – the stratum corneum – and also its ability to absorb water. Also, we have introduced a new and fundamental building stone – the memristor – for bioelectrical modeling. The memristor opens a neglected field in bioelectricity. The amount of water in the skin is the most vital parameter for its overall function and this parameter can be estimated by means of simple electrical measurements. The results in this study are important in diagnosing skin diseases as well as increasing our knowledge of many of the functions of the skin. Generally, changes in tissues such as skin will induce also altered electrical properties. By applying a weak current between two or more electrodes, one obtains an objective measure of the hydration state of the skin. The electrical conductivity of the skin depends on the amount of sweat liquids within it, and hence sweat activity can be monitored objectively. In particular, sweat activity in the palm of the hand is interesting as this is related to stress and nervousness and opens for objective pain assessments. We have also shown that electrical conductivity in the human skin displays some electrical memory. This can only be understood by using a newly realized, however still fundamental, memory element in electrical circuit theory, namely the memristor. The memristor is a resistor with memory, complementing resistors, capacitors and coils. We show that the memristor is a good candidate for explaining many very important bioelectrical phenomena that are yet not fully understood. In particular, this holds for transport of ions in capillaries and pores, systems that are very common in living systems as well as in other solid state materials. Such flow of ions is important and a prerequisite for living cells as well as for many other biological processes. This kind of description of electrical properties of the human skin is pioneering work. Memristive models in general are typical in very small systems and hence memristors are relevant also for nanomaterials.