Kollagen är den grundläggande byggstenen i muskler, vävnader, senor, och ligament hos däggdjur. Det används också i stor utsträckning vid rekonstruktiv och kosmetisk kirurgi. Även om forskare har en god förståelse för hur det beter sig på vävnadsnivå, några viktiga mekaniska egenskaper hos kollagen på nanoskala förblir fortfarande svårfångade. En ny experimentell studie genomförd av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign, Washington University, och Columbia University om nanoskala kollagenfibriller rapporterade om, tidigare oförutsedda, anledningar till att kollagen är ett sådant fjädrande material.

Eftersom en kollagenfibril är ungefär en miljonedel i storlek på tvärsnittet av ett människohår, att studera det kräver lika liten utrustning. Gruppen vid Institutionen för rymdteknik vid U of I designade små enheter-mikroelektromekaniska system-mindre än en millimeter i storlek, för att testa kollagenfibrillerna.

"Använda MEMS-enheter för att greppa kollagenfibrillerna under ett optiskt mikroskop med hög förstoring, vi sträckte individuella fibriller för att lära oss hur de deformeras och vid vilken punkt de bryts, "sade Debashish Das, en postdoktor i Illinois som arbetade med projektet. "Vi har också upprepade gånger sträckt ut och släppt fibrillerna för att mäta deras elastiska och oelastiska egenskaper och hur de reagerar på upprepad belastning."

Das förklarade, "Till skillnad från ett gummiband, om du sträcker vävnad från människor eller djur och sedan släpper den, vävnaden återgår inte till sin ursprungliga form direkt. En del av den energi som används för att dra den försvinner och går förlorad. Våra vävnader är bra på att sprida energi-när de dras och trycks, de släpper ut mycket energi utan att misslyckas. Detta beteende har varit känt och förstått på vävnadsnivå och tillskrivs antingen nanofibrillär glidning eller den geliknande hydrofila substansen mellan kollagenfibriller. De enskilda kollagenfibrillerna betraktades inte som de största bidragsgivarna till det totala viskoelastiska beteendet. Men nu har vi visat att dissipativa vävnadsmekanismer är aktiva även i skala med en enda kollagenfibril. "

En mycket intressant och oväntad upptäckt av studien är att kollagenfibriller kan bli starkare och tuffare när de upprepade gånger sträcks och får slappna av.

"Om vi ​​upprepade gånger sträcker och slappnar av en gemensam teknikstruktur, det är mer sannolikt att det blir svagare på grund av trötthet, "sa U om I Professor Ioannis Chasiotis." Medan våra kroppsvävnader inte upplever någonstans nära den mängd stress vi applicerade på enskilda kollagenfibriller i våra laboratorieexperiment, fann vi att efter att ha korsat en tröskelbelastning i våra cykliska laddningsexperiment, det var en klar ökning av fibrilstyrkan, med så mycket som 70 procent. "

Das sa att kollagenfibrillerna själva bidrar avsevärt till energiförlusten och segheten som observeras i vävnader.

"Vad vi fann är att enskilda kollagenfibriller är starkt avledande biopolymerstrukturer. Från denna studie, vi vet nu att vår kropp sprider energi på alla nivåer, ner till de minsta byggstenarna. Och egenskaper som styrka och seghet är inte statiska, de kan öka när kollagenfibrillerna tränas, "Sa Das.

Vad är nästa steg? Das sa med denna nya förståelse för egenskaperna hos enstaka kollagenfibriller, forskare kanske kan designa bättre dissipativa syntetiska biopolymernätverk för sårläkning och vävnadstillväxt, till exempel, som skulle vara både biokompatibel och biologiskt nedbrytbar.

Studien "Energispridning i däggdjurskollagenfibriller:Cyklisk staminducerad dämpning, härdning, och stärker, "var medförfattare av Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, och Ioannis Chasiotis. Det publiceras i Acta Biomaterialia .