Kollagen nanofibriller i pattedyrs væv bliver stærkere med træning

Kollagen er den grundlæggende byggesten i muskler, væv, sener, og ledbånd hos pattedyr. Det er også meget brugt i rekonstruktiv og kosmetisk kirurgi. Selvom forskerne har en god forståelse af, hvordan det opfører sig på vævsniveau, nogle vigtige mekaniske egenskaber ved kollagen på nanoskala er stadig uhåndgribelige. En nylig eksperimentel undersøgelse udført af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign, Washington University, og Columbia University om kollagenfibriller i nanoskala rapporteret om, tidligere uforudsete, grunde til, at kollagen er et så modstandsdygtigt materiale.

Fordi en kollagenfibril er omkring en milliontedel af størrelsen af ​​tværsnittet af et menneskehår, at studere det kræver lige så lille udstyr. Gruppen i Department of Aerospace Engineering ved U of I designede bittesmå enheder—Micro-Electro-Mechanical Systems—mindre end en millimeter i størrelse, at teste kollagenfibrillerne.

"Brug af MEMS-type enheder til at gribe kollagenfibrillerne under et optisk mikroskop med høj forstørrelse, vi strakte individuelle fibriller for at lære, hvordan de deformeres og det punkt, hvor de knækker, " sagde Debashish Das, en postdoc ved Illinois, der arbejdede på projektet. "Vi har også gentagne gange strakt og frigjort fibrillerne for at måle deres elastiske og uelastiske egenskaber, og hvordan de reagerer på gentagne belastninger."

Das forklarede, "I modsætning til en elastik, hvis du strækker menneske- eller dyrevæv og derefter frigiver det, vævet springer ikke tilbage til sin oprindelige form med det samme. Noget af den energi, der bruges på at trække det, forsvinder og går tabt. Vores væv er gode til at sprede energi - når de trækkes og skubbes, de spreder en masse energi uden at fejle. Denne adfærd har været kendt og forstået på vævsniveau og tilskrives enten nanofibrillær glidning eller til det gel-lignende hydrofile stof mellem kollagenfibriller. De individuelle kollagenfibriller blev ikke betragtet som væsentlige bidragydere til den samlede viskoelastiske adfærd. Men nu har vi vist, at dissipative vævsmekanismer er aktive selv på størrelse med en enkelt kollagenfibril."

Et meget interessant og uventet fund af undersøgelsen er, at kollagenfibriller kan blive stærkere og sejere, når de gentagne gange strækkes og lades slappe af.

"Hvis vi gentagne gange strækker og slapper af en fælles ingeniørstruktur, det er mere tilbøjeligt til at blive svagere på grund af træthed, " sagde U fra I Professor Ioannis Chasiotis. "Mens vores kropsvæv ikke oplever i nærheden af ​​den mængde stress, vi påførte individuelle kollagenfibriller i vores laboratorieeksperimenter, vi fandt ud af, at efter at have krydset en tærskelstamme i vores cykliske belastningseksperimenter, der var en klar stigning i fibrilstyrke, med så meget som 70 procent."

Das sagde, at kollagenfibrillerne selv bidrager væsentligt til energispredningen og sejheden observeret i væv.

"Det, vi fandt, er, at individuelle kollagenfibriller er stærkt dissipative biopolymerstrukturer. Fra denne undersøgelse, vi ved nu, at vores krop spreder energi på alle niveauer, ned til de mindste byggeklodser. Og egenskaber som styrke og sejhed er ikke statiske, de kan øges efterhånden som kollagenfibrillerne trænes, " sagde Das.

Hvad er næste skridt? Das sagde med denne nye forståelse af egenskaberne af enkelte kollagenfibriller, forskere kan være i stand til at designe bedre dissipative syntetiske biopolymer-netværk til sårheling og vævsvækst, for eksempel, som ville være både biokompatibelt og bionedbrydeligt.

Undersøgelsen "Energiafledning i pattedyrs kollagenfibriller:Cyklisk belastningsinduceret dæmpning, hærde, og styrkelse, " var medforfatter af Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, og Ioannis Chasiotis. Den er udgivet i Acta Biomaterialia .