Коллагеновые фибриллы в тканях млекопитающих укрепляются при физической нагрузке
Коллаген является основным структурным материалом мышц, тканей, сухожилий и связок у млекопитающих. Он также широко используется в реконструктивной и косметической хирургии. Хотя ученые хорошо понимают его действие на тканевом уровне, некоторые ключевые механические свойства коллагена на наноуровне все еще остаются неясными.
Недавнее экспериментальное исследование на наноразмерных коллагеновых фибриллах выявило о ранее непредвиденных причинах, по которым коллаген является таким упругим материалом.
Поскольку одна коллагеновая фибрилла имеет поперечник человеческого волоса примерно в миллионном размере, ее изучение требует столь же небольшого оборудования. Группа в отделе аэрокосмического машиностроения разработала крошечные устройства - микроэлектромеханические системы - размером менее одного миллиметра для тестирования коллагеновых фибрилл.
Используя устройства типа MEMS для захвата коллагеновых фибрилл под оптическим микроскопом с большим увеличением, ученые растягивали отдельные фибриллы, чтобы узнать, как они деформируются и в какой точке они ломаются.
В отличие от резиновой ленты, если вы растягиваете ткани человека или животного, а затем отпускаете ее, ткань не сразу возвращается к своей первоначальной форме. Часть энергии, затраченной на ее натяжение, теряется. Это явление известно и понимается на уровне ткани и объясняется либо нанофибриллярным скольжением, либо гелеобразным гидрофильным веществом между коллагеновыми фибриллами. Отдельные коллагеновые фибриллы не рассматривались в качестве основных факторов, влияющих на общее вязкоупругое поведение. Но теперь мы показали, что диссипативные тканевые механизмы активны даже в масштабе одной коллагеновой фибриллы.
Очень интересным и неожиданным открытием исследования является то, что коллагеновые фибриллы могут становиться крепче и жестче, когда они многократно растягиваются и расслабляются.
Обнаружено, что после преодоления порогового напряжения в наших экспериментах с циклическим нагружением наблюдалось явное увеличение силы фибрилл на целых 70%.
Благодаря новым пониманием свойств отдельных коллагеновых фибрилл ученые могут разработать диссипативные синтетические биополимерные сети для заживления ран и роста тканей, которые были бы как биосовместимыми, так и биоразлагаемыми.
Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, Ioannis Chasiotis. Energy dissipation in mammalian collagen fibrils: Cyclic strain-induced damping, toughening, and strengthening. Acta Biomaterialia, 2018; 80: 217 DOI: 10.1016/j.actbio.2018.09.027
