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THE SCIENCE OF TATTOOING. Fredric M. Menger, Emory University, Atlanta, GA, USA

About one-third of adults in the U.S. are said to have at least one tattoo. Favorite tattoo body locations, in decreasing order of preference, are the lower back, wrist, foot, and ankle. "Tattoo" is a word brought back to Europe in 1743 by explorer Captain Cook from the South Pacific islands, where the natives marked themselves indelibly.

I should point out from the start that this author is not tattooed, and my purpose here is to neither promote or discourage the practice. Hard science has nothing to say about matters of aesthetics. But I must admit I was curious about several aspects of tattooing, and hence this essay. I wanted to know what the tattooing needle looks like; how deep the ink is injected; why the tattooing coloring is permanent; and how a tattoo might be removed. These and other topics are discussed herein, but it is necessary first to consider the structure of the human skin.

Human skin, diagrammed below, has two relevant layers: the epidermis and the dermis. The epidermis is the skin's outer layer, on the bottom of which living cells divide and move gradually to the surface where they die. As the these dead cells are worn away by friction, they are replaced by cells below them. The dermis layer beneath the epidermis is more complicated in that it contains blood-supplying capillaries, sweat glands, and hair follicles among other structures. Dye, deposited into the dermis, can be seen through the epidermis in the form of a tattoo.

Figure 1. A cross-section of the skin showing the epidermis and dermis layers. Dye is injected into the dermis just under the epidermis.

Tattoo pigments need not be approved by the U.S. Food and Drug Administration (FDA). Although the tattoo industry is secretive about its technology, many of the pigments seem to be metal-based: iron oxide (black); zinc (whits.e); cobalt (blue); chromium (green). Normally, white blood cells ("macrophages") consume and remove foreign invaders, but tattooing uses dye particles that are too big to be "eaten", explaining their permanent presence as a suspension within the dermis.

Some people have the incorrect notion that tattoo needles are similar to physicians' hypodermic needles used to inject penicillin. Thus, the hypodermic needle is a single, hollow needle through which a drug is injected. In contrast, the tattoo needle consists of a group (typically seven or more) of thin, sharp, and solid needles held together tightly within a plastic tube. The needle group may be held in a linear or round array while projecting beyond the tip of the tube by about 1mm. Punctures that are too deep can cause bleeding by hitting the capillaries, whereas punctures that are too shallow cause ragged lines. Ink, filling the spaces between the needles (via capillary action) is released upon injection. Meanwhile, the needle is going up and down like a sewing machine as the tattoo design is traced out (often with the aid of a stencil).

Figure 2. Pictures of tattoo needles. Ink fills the spaces between the thin solid needles. Both flat needle assemblies (as the one above) and round needle assemblies are used.

Safety is paramount to any reputable tattooist. Since puncture wounds have the potential for infection, most tattoo materials such as inks, gloves, and needles are sterile single-use items.

Skin is quite different from a sturdy canvas on which pictures are painted. Skin stretches, contracts, and wrinkles. A beautiful mermaid on the arm can seemingly "gain weight" as the years go by and the arm gets fatter.

Suppose in a fit of youthful exuberance a person tattoos the name of a boyfriend or girlfriend onto an arm. This is fine until the romance breaks up and a new friend is found. Or suppose a person, with a magnificent multi­ colored dragon tattooed onto the shoulder and neck, has an interview with a bank and is concerned that the tattoo might leave a bad impression. These prospects bring up the question of how a tattoo can be removed. Estimates are that about 50% of those who get tattoos later regret them.

Tattoo removal by laser is the method of choice, although it is a nuisance and requires repeated visits. Basically, the laser breaks down the ink particles to a smaller size that can be ingested by the macrophages. Different tattoo pigments require different laser colors in order to assure maximum absorption of the laser energy. Typically, the laser pulse duration must be very short (in the nanosecond range) but sufficient to raise the local surface temperature of the ink particle by thousands of degrees, causing the particle to shatter.

Tattooing "MOM" on your arm to honor your mother can be a thoughtful thing to do, but I suspect that your mother would likely prefer to receive chocolates.

A CIÊNCIA DA TATUAGEM por Fredric M. Menger, Universidade Emory, Atlanta, Geórgia, EUA
Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil

Acredita-se que um em cada três adultos nos EUA tem pelo menos uma tatuagem. As partes do corpo favoritas para se tatuarem, em ordem decrescente de preferência, são: a parte inferior das costas, o pulso, o pé e o tornozelo. A palavra “tattoo” foi trazida de volta para a Europa em 1743 pelo explorador Capitão Cook, das ilhas do Pacífico Sul, onde os nativos faziam marcas permanentes em seus corpos.

Primeiramente, gostaria de salientar que eu, o autor, não sou tatuado, e meu objetivo aqui não é incentivar nem desencorajar essa prática. A ciência exata não tem nada a dizer sobre questões de estética. Mas devo admitir que fiquei muito interessado sobre vários aspectos da tatuagem, por isso decidi escrever este ensaio. Fiquei curioso para saber como é a agulha de tatuagem, a profundidade em que a tinta é injetada, porque a tatuagem é permanente e como pode ser removida. Discutiremos esses e outros assuntos aqui, mas é necessário considerarmos primeiro a estrutura da pele humana.

A pele humana, como no diagrama abaixo, tem duas camadas principais: a epiderme e a derme. A epiderme é a camada exterior da pele, sob a qual as células vivas se dividem e se movem gradualmente para a superfície, onde morrem. Conforme as células mortas vão se desgastando pelo atrito, estas vão sendo substituídas por células localizadas logo abaixo delas. A camada da derme, abaixo da epiderme, é mais complicada, pois contém capilares sanguíneos, glândulas sudoríparas, folículos capilares, entre outras estruturas. A tinta, injetada na derme, pode ser vista através da epiderme, na forma de uma tatuagem.

Figura 1. Seção transversal da pele mostrando as camadas da derme e da epiderme. A tinta é injetada na derme logo abaixo da epiderme.

As tintas para tatuagem não precisam ser aprovadas pela Agência de Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA (FDA). Embora a indústria da tatuagem seja sigilosa sobre sua tecnologia, muitas das tintas parecem ser a base de metal: óxido de ferro (preta), zinco (branca), cobalto (azul), cromo (verde). Normalmente, os glóbulos brancos do sangue (“macrófagos”) consomem e removem os corpos estranhos, mas a tatuagem usa partículas de tinta que são grandes demais para serem “comidas”, então ficam suspensas permanentemente na derme.

Algumas pessoas erroneamente acreditam que as agulhas de tatuagem são semelhantes às agulhas hipodérmicas usadas por médicos para injetar penicilina. Assim, a agulha hipodérmica é uma agulha única com um canal em seu interior por onde medicamento é injetado. Por outro lado, a agulha de tatuagem, na verdade, é um grupo (geralmente sete ou mais) de agulhas finas, afiadas, e maciças, todas firmemente juntas dentro de um tubo plástico. As agulhas podem estar agrupadas linearmente ou formando um feixe cilíndrico, projetando-se cerca de 1 mm para fora da ponta do tubo. Punções muito profundas podem causar sangramento, pois atingem os capilares sanguíneos, enquanto que punções muito rasas deixam as linhas da tatuagem irregulares. A tinta, escorrendo pelos espaços entre as agulhas (pelo fenômeno da capilaridade), é liberada durante a injeção. Enquanto isso, a agulha sobe e desce como uma máquina de costura, e o desenho da tatuagem vai sendo traçado (muitas vezes com a ajuda de um estêncil).

Figura 2. Agulhas de tatuagem. A tinta preenche os espaços entre as minúsculas agulhas sólidas. Podem ser utilizadas agulhas agrupadas em linha reta (como no desenho acima) ou em feixe cilíndrico.

Segurança é primordial para qualquer tatuador de respeito. Considerando que as perfurações têm possibilidade de infecção, a maioria dos materiais de tatuagem, tais como tintas, luvas e agulhas são esterilizados e utilizados uma única vez (descartáveis).

A pele é muito diferente de uma tela de pintura. A pele estica, se contrai e enruga. Uma bela sereia tatuada no braço pode “ganhar peso” com o passar dos anos, conforme o braço vai ficando mais gordo.

Imagine que uma pessoa, na flor da juventude, tatue no braço o nome do(a) namorado(a). Isso é legal até o momento em que o romance acaba e a pessoa encontra outro(a) namorado(a). Ou suponha que uma pessoa, com um lindo dragão todo colorido tatuado no ombro e pescoço, tem uma entrevista de emprego em um banco e fique preocupado se a tatuagem vai causar má impressão. Essas suposições trazem à tona a questão de como uma tatuagem pode ser removida. Estima-se que cerca de 50% das pessoas que fazem tatuagens se arrependem mais tarde.

A remoção a laser é o método mais utilizado, embora seja incômodo e necessite de várias sessões. Basicamente, o laser rompe as partículas de tinta a um tamanho menor, que possam ser ingeridas pelos macrófagos. Diferentes tintas para tatuagem requerem diferentes cores de laser, a fim de garantir máxima absorção da energia do laser. Em geral, a duração do pulso de laser é bastante curta (na escala de nanosegundos), mas suficiente para elevar a milhares de graus a temperatura da superfície onde estão as partículas de tinta, fazendo com que elas se rompam.

Então, tatuar "MÃE" no braço para homenageá-la pode ser uma coisa afetuosa de se fazer, mas acredito que sua mãe provavelmente vá preferir uma caixa de chocolates.