哺乳動(dòng)物組織中的膠原納米纖維隨著運(yùn)動(dòng)而變得更強(qiáng)

膠原蛋白是哺乳動(dòng)物肌肉、組織、肌腱和韌帶的基本成分。它也被廣泛用于重建和整容手術(shù)。盡管科學(xué)家們對組織層面的行為有很好的理解，但納米膠原蛋白的一些關(guān)鍵機(jī)械特性仍然難以捉摸。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、華盛頓大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的研究人員最近對納米膠原纖維進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，該研究報(bào)告了膠原是一種彈性材料的先前意想不到的原因。

因?yàn)槟z原纖維的大小大約是人類頭發(fā)橫截面的百萬分之一，所以它需要同樣小的設(shè)備來研究它。我在航天工程I系U的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑小于1 mm的微機(jī)電系統(tǒng)來測試膠原纖維。

伊利諾伊州博士后研究員德巴什達(dá)斯(Debashish Das)說：“利用MEMS類型的設(shè)備，在高倍光學(xué)顯微鏡下抓取膠原纖維，我們拉伸單個(gè)纖維，以了解它們?nèi)绾巫冃我约皵嗔训某潭??！拔覀冞€反復(fù)拉伸和釋放原纖維，以測量它們的彈性和非彈性特性，以及它們對重復(fù)加載的響應(yīng)?！?

達(dá)斯解釋說：“與橡皮筋不同，如果你拉伸人體或動(dòng)物組織并釋放它，組織不會(huì)立即恢復(fù)到原來的形狀。拉動(dòng)它的一些能量會(huì)消散。我們的組織善于耗散能量——在拉和推的時(shí)候，他們會(huì)消耗大量的能量而不會(huì)失敗。這種行為在組織水平上是已知和理解的，并且歸因于納米纖維或凝膠狀親水物質(zhì)在膠原纖維之間的滑動(dòng)。單一膠原纖維不被認(rèn)為是整個(gè)粘彈性行為的主要貢獻(xiàn)者。但現(xiàn)在我們已經(jīng)證明，即使在單一膠原纖維的范圍內(nèi)，耗散組織機(jī)制也是活躍的。

這項(xiàng)研究的一個(gè)非常有趣和意想不到的發(fā)現(xiàn)是，膠原纖維在反復(fù)拉伸和放松時(shí)會(huì)變得更強(qiáng)更堅(jiān)韌。

“如果我們反復(fù)拉伸和放松一個(gè)普通的工程結(jié)構(gòu)，它更有可能由于疲勞而變?nèi)?，”I Ianannis Chasiotis的I教授說?！霸谖覀兊膶?shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，我們的身體組織沒有經(jīng)歷任何接近我們對單一膠原纖維施加的壓力的地方。我們發(fā)現(xiàn)，在我們的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)中，超過閾值應(yīng)變后，原纖維強(qiáng)度顯著增加，高達(dá)70%?！?

Das說，膠原纖維本身對組織中觀察到的能量耗散和韌性有很大貢獻(xiàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)，單一的膠原纖維是一種高度耗散的生物聚合物結(jié)構(gòu)。從這項(xiàng)研究中，我們現(xiàn)在知道我們的身體消耗所有層次的能量，直到最小的組成部分。強(qiáng)度和韌性等性能不是一成不變的，它們可以隨著膠原纖維的運(yùn)動(dòng)而增加，”Das說。

下一步是什么？Das表示，通過這種對單一膠原纖維性質(zhì)的新認(rèn)識(shí)，科學(xué)家可以設(shè)計(jì)出更好的耗散性合成生物聚合物網(wǎng)絡(luò)，用于傷口愈合和組織生長，如生物相容性和生物降解性。

“哺乳動(dòng)物膠原纖維中的能量耗散：循環(huán)應(yīng)變引起的阻尼、增韌和增強(qiáng)”的研究，作者：Julia Liu，Debashish Das，Andrea G. Schwartz，Guy M. Genin，Stavros Thomopoulos和Ioannis Chasiotis。它發(fā)表在《生物材料學(xué)報(bào)》上。

該研究得到了國家科學(xué)基金、國家健康研究所和國家科學(xué)基金工程機(jī)械生物學(xué)科學(xué)技術(shù)中心的支持。達(dá)斯的努力得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持。

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