När du kör, andas och rör sig, kroppen deformeras kontinuerligt. Hur hanterar vävnaderna i kroppen alla dessa mekaniska påfrestningar? Publicerar idag i Naturfysik , forskare från Wageningen University &Research (WUR) och AMOLF institut visar hur de två huvudkomponenterna i mjukvävnader, kollagen och hyaluronsyra, arbeta tillsammans för att finjustera det mekaniska svaret hos våra vävnader.

Denna studie främjar förståelsen för hur biologisk materia exakt reglerar dess funktion genom att kombinera olika komponenter. Utnyttjar inte bara deras individuella egenskaper, men också hur dessa komponenter interagerar, och därmed öppna vägen för syntetisering av nya polymera material.

En örsnibbe är mjuk när den försiktigt dras. Dock, med mer insisterande dragning och mer kraft, det blir väldigt stelt. Huden och de flesta mjuka vävnaderna i kroppen, inklusive örsnibbar, muskler och brosk i knän, har denna extraordinära förmåga att drastiskt byta från mjuk till stel när de utsätts för stor deformation. Denna förmåga är avgörande för biologisk funktion:när vävnaden är mjuk, celler kan röra sig. På samma gång, vävnaden måste skydda cellerna och ska inte gå sönder, och blir därför styvare när deformationen blir för stor.

Kollagennätverk i huden

Det fysiska ursprunget för detta speciella mekaniska beteende är den speciella struktur som bildas av kollagenproteinerna, kallas ett gles nätverk. Detta avslöjades i tidigare in vitro-studier, där nätverk av kollagen extraherat från djurens hud bildades direkt inuti en reometer, ett instrument som gör det möjligt för forskare att mäta ett materials respons medan deformeras.

"Dock, verkliga vävnader är mycket mer komplexa:de består av olika molekyler som har olika storlekar och interagerar med varandra på ännu okända sätt, "säger Simone Dussi, postdoc i gruppen WUR Physical Chemistry and Soft Matter under ledning av prof. Jasper van der Gucht. "På grund av denna komplexitet, verkliga vävnader är mycket mer adaptiva än de nätverk som studerats hittills, endast gjord av kollagen. Vi var mycket glada över att se de experimentella resultaten som erhållits vid AMOLF av Federica Burla i gruppen av prof. Gijsje Koenderink. De studerade systematiskt dubbla nätverk där den näst vanligaste komponenten av vävnader, hyaluronsyra, var närvarande. Dess närvaro förändrade signifikant det mekaniska svaret hos de sammansatta nätverken och vi var ivriga att förstå varför. "

Styvare med hyaluronsyra

"I motsats till de styva kollagenfibrerna, hyaluronsyra är en mycket mindre och mer flexibel polymer som är elektrostatiskt laddad. På grund av elektrostatiska interaktioner, mycket stress byggs upp internt under nätverksbildningen. Denna stress blir relevant när du deformerar materialet, till exempel, när man drar i den. För det första, nätverken med en större mängd hyaluronsyra är redan styvare vid liten deformation och för det andra, växeln till det ännu styvare svaret sker vid en större deformation, "förklarar Justin Tauber, Ph.D. kandidat i samma grupp. "Vi lyckades konstruera en teoretisk modell och utförde datorsimuleringar som matchade experimentella resultat. De viktigaste ingredienserna identifierades:Förutom nätverksstrukturen och kollagenfibrernas böjstyvhet, elasticiteten och den inre spänningen som genereras av hyaluronsyran är avgörande. Modellen låter oss ta ett steg längre i att förstå hur verkliga vävnader utnyttjar balansen mellan alla dessa effekter. Dessutom, våra fynd kan översättas till materialvetenskap för att skapa nya syntetiska polymermaterial med mer avstämbara egenskaper. "

Forskare undersöker nu när och hur dessa nätverk bryts, i en annan biologiinspirerad studie från vilken de kan få inspiration till tuffare konstgjorda material.