實驗研究揭示了膠原蛋白納米纖維隨著運動而變得更強

膠原蛋白是哺乳動物肌肉，組織，肌腱和韌帶的基本組成部分。它還廣泛用於重建和整容手術。雖然科學家對組織水準如何表現有很好的了解，但納米級膠原蛋白的一些關鍵機械性質仍然難以捉摸。伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校，華盛頓大學和哥倫比亞大學的研究人員最近對納米級膠原原纖維進行的一項實驗研究報告了以前無法預料的原因，即膠原蛋白是一種彈性材料。

因為一個膠原纖維的大小約為人類頭髮橫截面的百萬分之一，所以研究它需要同樣小的設備。我在U of I航空航天工程系的小組設計了小於1毫米的微型電子機械系統，用於測試膠原原纖維。

「使用MEMS型設備在高倍放大光學顯微鏡下抓住膠原纖維，我們拉伸單個原纖維以了解它們如何變形以及它們破裂的程度，」伊利諾斯州博士後研究員Debashish Das說道。 。「我們還反覆拉伸和釋放原纖維，以測量它們的彈性和非彈性性質以及它們對重複載入的反應。」

Das解釋說，「與橡皮筋不同，如果你拉伸人體或動物組織然後釋放它，組織不會立即恢復到原來的形狀。拉動它的一些能量會消散掉。我們的組織是擅長消散能量 - 當拉動和推動時，它們會消耗大量能量而不會失敗。這種行為在組織層面已知並被理解，並歸因於納米原纖維滑動或膠原原纖維之間的凝膠狀親水物質。單個膠原纖維不被認為是整體粘彈性行為的主要貢獻者。但是現在我們已經證明，即使在單個膠原纖維的範圍內，耗散組織機制也是活躍的。

這項研究的一個非常有趣和意想不到的發現是膠原纖維在反覆拉伸並讓它們放鬆時會變得更強壯和更堅韌。

「如果我們反覆伸展和放鬆一個共同的工程結構，它更容易因疲勞而變弱，」I of I Ianannis Chasiotis教授說。「在我們的實驗室實驗中，我們的身體組織沒有經歷任何接近我們應用於單個膠原纖維的應力的任何地方，我們發現在我們的循環載入實驗中穿過閾值應變後，原纖維強度明顯增加，多達70％。「

達斯說，膠原纖維本身對組織中觀察到的能量消散和韌性有顯著貢獻。

「我們發現單個膠原纖維是高度耗散的生物聚合物結構。從這項研究中，我們現在知道我們的身體在各個層面消耗能量，直到最小的構建塊。強度和韌性等屬性不是靜態的，它們可以隨著膠原纖維的運動而增加，「達斯說。

下一步是什麼？Das說，通過對單一膠原纖維性質的這種新認識，科學家們可以設計出更好的耗散合成生物聚合物網路，用於傷口癒合和組織生長，例如生物相容性和生物降解性。