哺乳动物组织中的胶原纳米纤维随着运动而变得更强

胶原蛋白是哺乳动物肌肉、组织、肌腱和韧带的基本成分。它也被广泛用于重建和整容手术。尽管科学家们对组织层面的行为有很好的理解，但纳米胶原蛋白的一些关键机械特性仍然难以捉摸。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、华盛顿大学和哥伦比亚大学的研究人员最近对纳米胶原纤维进行了一项实验研究，该研究报告了胶原是一种弹性材料的先前意想不到的原因。

因为胶原纤维的大小大约是人类头发横截面的百万分之一，所以它需要同样小的设备来研究它。我在航天工程I系U的团队设计了一个直径小于1 mm的微机电系统来测试胶原纤维。

伊利诺伊州博士后研究员德巴什达斯(Debashish Das)说：“利用MEMS类型的设备，在高倍光学显微镜下抓取胶原纤维，我们拉伸单个纤维，以了解它们如何变形以及断裂的程度。“我们还反复拉伸和释放原纤维，以测量它们的弹性和非弹性特性，以及它们对重复加载的响应。”

达斯解释说：“与橡皮筋不同，如果你拉伸人体或动物组织并释放它，组织不会立即恢复到原来的形状。拉动它的一些能量会消散。我们的组织善于耗散能量——在拉和推的时候，他们会消耗大量的能量而不会失败。这种行为在组织水平上是已知和理解的，并且归因于纳米纤维或凝胶状亲水物质在胶原纤维之间的滑动。单一胶原纤维不被认为是整个粘弹性行为的主要贡献者。但现在我们已经证明，即使在单一胶原纤维的范围内，耗散组织机制也是活跃的。

这项研究的一个非常有趣和意想不到的发现是，胶原纤维在反复拉伸和放松时会变得更强更坚韧。

“如果我们反复拉伸和放松一个普通的工程结构，它更有可能由于疲劳而变弱，”I Ianannis Chasiotis的I教授说。“在我们的实验室实验中，我们的身体组织没有经历任何接近我们对单一胶原纤维施加的压力的地方。我们发现，在我们的循环加载实验中，超过阈值应变后，原纤维强度显著增加，高达70%。”

Das说，胶原纤维本身对组织中观察到的能量耗散和韧性有很大贡献。

“我们发现，单一的胶原纤维是一种高度耗散的生物聚合物结构。从这项研究中，我们现在知道我们的身体消耗所有层次的能量，直到最小的组成部分。强度和韧性等性能不是一成不变的，它们可以随着胶原纤维的运动而增加，”Das说。

下一步是什么？Das表示，通过这种对单一胶原纤维性质的新认识，科学家可以设计出更好的耗散性合成生物聚合物网络，用于伤口愈合和组织生长，如生物相容性和生物降解性。

“哺乳动物胶原纤维中的能量耗散：循环应变引起的阻尼、增韧和增强”的研究，作者：Julia Liu，Debashish Das，Andrea G. Schwartz，Guy M. Genin，Stavros Thomopoulos和Ioannis Chasiotis。它发表在《生物材料学报》上。

该研究得到了国家科学基金、国家健康研究所和国家科学基金工程机械生物学科学技术中心的支持。达斯的努力得到了美国国家科学基金会的支持。