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胶原蛋白的强度受纤维交叉影响

胶原蛋白是将身体粘合在一起的胶。简而言之,几乎在每个组织中,它都可以在皮肤,骨骼,肌肉,软骨,韧带,头发,指甲中找到。在诸如皮肤的某些组织中,胶原蛋白形成非常有弹性的纤维网络。但是,到目前为止,为什么这些网络如此富有弹性还不清楚。代尔夫特理工大学,AMOLF和瓦赫宁根大学及研究机构的研究人员现已发现,纤维“交叉点”的数量起着重要作用。每个交叉点之间的三到四个光纤连接是理想的。实际上,更多的连接会使胶原网络的弹性降低。新的见解可用于修复受损或老化的组织,例如软骨或皮肤,并为烧伤患者生长新的皮肤组织。

胶原蛋白网络的断裂听起来像是一个抽象的概念。但是,任何曾经摔断骨头,撕裂肌肉或割伤手指的人都有使用它的经验。胶原蛋白在人体中无处不在,尽管它自然具有很高的弹性,但这种弹性存在一定的局限性。“一段时间以来,我们一直在进行胶原蛋白的基础研究,并问自己:是什么使胶原蛋白网络如此强大,并且是什么决定了该强度的极限?” TU Delft的细胞生物物理学专家Gijsje Koenderink说。

网络混乱

胶原蛋白以多种方式组织起来。例如,在肌腱中,所有纤维都像绳索一样沿同一方向排列。Koenderink解释说:“这是非常合乎逻辑的,因为腱吸收了拉力,因此只在一个方向上拉紧。” “其他织物,例如皮肤,会在许多不同的方向上拉紧。在这种情况下,如果纤维在一个方向上对齐将是灾难性的。” 取而代之的是,与许多其他地方一样,皮肤中的胶原蛋白会形成无序的网络,这些网络非常灵活,可以随着受到的力而移动。

除了胶原蛋白网络比胶原蛋白纤维更柔韧的事实外,该网络还有另一个优势:它们可以承受更大的力,然后再分解。胶原蛋白纤维(例如肌腱中的胶原蛋白纤维)在撕裂前只能拉伸约20%,而胶原蛋白网络则在施加力的作用下变形并移动。在断裂之前,您可以将它们拉伸多达85%。”

为了找出使胶原蛋白网络如此强大的原因,研究人员订购了现成的胶原蛋白分子,这些分子可商购获得。在适当的条件下,即低温和低(酸性)pH值,胶原分子可以溶解。Koenderink解释说:“通过将溶解的分子重新加热到37摄氏度并增加pH值,这些分子自发形成纤维,而纤维又形成网络。”

研究人员将由此产生的胶原蛋白限制在两块板之间,来回移动上一块,在组织上施加力。通过使用电子显微镜对胶原蛋白内部进行成像,并使用Wageningen的研究人员对纤维网络进行的计算机模拟,研究小组发现了使某些网络强于其他网络的原因:网络交叉点的平均连接数。Koenderink说:“令我们惊讶的是,更多的联系并不一定更好。” “相反,理想的连接数量是三到四之间。”

组织工程

回想起来,研究人员的发现很容易解释:如果连接过多,胶原网络就会变得僵硬。“例如,您可以在疤痕组织中看到这种情况,” Koenderink说。“连接越少,在胶原蛋白 网络破裂之前就越容易变形,就可以使它变形。这就是为什么连接数相对较少的胶原蛋白网络最坚固的原因。”

了解活组织的力学原理可以带来更好的组织工程效果,例如,为烧伤患者开发出更好培养的皮肤。这对于设计和创建新的生物材料也很重要。这些是具有生物组织特性的自然灵感材料。Koenderink:“想像可生物降解的塑料材料,当施加太大压力时包装会变色,或者损坏时会自我修复的材料。我认为在未来几年中,我们将会看到越来越多的这类产品特殊材料。”

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