膠原蛋白是哺乳動物肌肉、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)鍵機械特性仍然難以捉摸。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膠原纖維進行了一項實驗研究，該研究報告了膠原是一種彈性材料的先前意想不到的原因。
因為膠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的團隊設(shè)計了一個直徑小于1 mm的微機電系統(tǒng)來測試膠原纖維。
伊利諾伊州博士后研究員德巴什達斯(Debashish Das)說：“利用MEMS類型的設(shè)備，在高倍光學顯微鏡下抓取膠原纖維，我們拉伸單個纖維，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)。”
達斯解釋說：“與橡皮筋不同，如果你拉伸人體或動物組織并釋放它，組織不會立即恢復(fù)到原來的形狀。拉動它的一些能量會消散。我們的組織善于耗散能量——在拉和推的時候，他們會消耗大量的能量而不會失敗。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。單一膠原纖維不被認為是整個粘彈性行為的主要貢獻者。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)，耗散組織機制也是活躍的。
這項研究的一個非常有趣和意想不到的發(fā)現(xiàn)是，膠原纖維在反復(fù)拉伸和放松時會變得更強更堅韌。
“如果我們反復(fù)拉伸和放松一個普通的工程結(jié)構(gòu)，它更有可能由于疲勞而變?nèi)?，”I Ianannis Chasiotis的I教授說。“在我們的實驗室實驗中，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)加載實驗中，超過閾值應(yīng)變后，原纖維強度顯著增加，高達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。
“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動而增加，”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)的新認識，科學家可以設(shè)計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”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《生物材料學報》上。
該研究得到了國家科學基金、國家健康研究所和國家科學基金工程機械生物學科學技術(shù)中心的支持。達斯的努力得到了美國國家科學基金會的支持。
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