Hvordan vores væv håndterer mekanisk stress

Når du løber, trække vejret og bevæge sig, kroppen deformeres konstant. Hvordan håndterer vævene i kroppen alle disse mekaniske belastninger? Udgives i dag i Naturfysik , forskere fra Wageningen University &Research (WUR) og AMOLF-instituttet viser, hvordan de to hovedkomponenter i blødt væv, kollagen og hyaluronsyre, arbejde sammen for at finjustere vores vævs mekaniske respons.

Denne undersøgelse fremmer forståelsen af, hvordan biologisk stof præcist regulerer dets funktion ved at kombinere forskellige komponenter. Udnytter ikke kun deres individuelle ejendomme, men også hvordan disse komponenter interagerer, og dermed åbner vejen for syntetisering af nye polymere materialer.

En øreflip er blød, når den trækkes forsigtigt. Imidlertid, med mere insisterende træk og mere kraft, den bliver meget stiv. Huden og det meste af kroppens bløde væv, inklusive øreflipper, muskler og brusk i knæ, har denne ekstraordinære evne til drastisk at skifte fra blød til stiv, når de udsættes for store deformationer. Denne evne er afgørende for biologisk funktion:når vævet er blødt, celler kan bevæge sig rundt. På samme tid, vævet skal beskytte cellerne og bør ikke gå i stykker, og bliver derfor stivere, når deformationen bliver for stor.

Kollagenetværk i huden

Den fysiske oprindelse af denne specielle mekaniske adfærd er den særlige struktur dannet af kollagenproteinerne, kaldet et sparsomt netværk. Dette blev afsløret i tidligere in vitro undersøgelser, hvor netværk af kollagen ekstraheret fra huden på dyr blev dannet direkte inde i et rheometer, et instrument, der giver forskere mulighed for at måle responsen af ​​et materiale, mens det deformeres.

"Imidlertid, ægte væv er langt mere komplekse:de er sammensat af forskellige molekyler, der har forskellige størrelser og interagerer med hinanden på stadig ukendte måder, siger Simone Dussi, postdoc i WUR Physical Chemistry and Soft Matter-gruppen ledet af prof. Jasper van der Gucht. "På grund af denne kompleksitet, ægte væv er langt mere adaptive end de netværk, der er undersøgt hidtil, kun lavet af kollagen. Vi var meget spændte på at se de eksperimentelle resultater opnået på AMOLF af Federica Burla i gruppen af ​​prof. Gijsje Koenderink. De undersøgte systematisk dobbeltnetværk, hvor den næststørste bestanddel af væv, hyaluronsyre, var til stede. Dens tilstedeværelse ændrede markant den mekaniske reaktion af de sammensatte netværk, og vi var ivrige efter at forstå hvorfor."

Stivere med hyaluronsyre

"I modsætning til de stive kollagenfibre, hyaluronsyre er en meget mindre og mere fleksibel polymer, der er elektrostatisk opladet. På grund af elektrostatiske interaktioner, der opbygges meget stress internt under netværksdannelsen. Denne stress bliver relevant, når du deformerer materialet, for eksempel, når man trækker i den. For det første, netværkene med en større mængde hyaluronsyre er allerede stivere ved små deformationer og for det andet, skiftet til den endnu stivere respons sker ved en større deformation, " forklarer Justin Tauber, Ph.D. kandidat i samme gruppe. "Vi formåede at konstruere en teoretisk model og udførte computersimuleringer, der matchede de eksperimentelle resultater. Nøgleingredienserne blev identificeret:Ud over netværksstrukturen og bøjningsstivheden af ​​kollagenfibrene, elasticiteten og den indre stress, der genereres af hyaluronsyren, er afgørende. Modellen giver os mulighed for at komme et skridt videre i at forstå, hvordan ægte væv udnytter balancen mellem alle disse effekter. Ud over, vores resultater kan oversættes til materialevidenskab for at skabe nye syntetiske polymere materialer med mere justerbare egenskaber."

Forskere undersøger nu, hvornår og hvordan disse netværk går i stykker, i et andet biologi-inspireret studie, hvorfra de måske kan hente inspiration til hårdere menneskeskabte materialer.