Collageen is de fundamentele bouwsteen van spieren, weefsels, pezen, en ligamenten bij zoogdieren. Het wordt ook veel gebruikt in reconstructieve en cosmetische chirurgie. Hoewel wetenschappers een goed begrip hebben van hoe het zich op weefselniveau gedraagt, enkele belangrijke mechanische eigenschappen van collageen op nanoschaal blijven nog steeds ongrijpbaar. Een recent experimenteel onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, Washington-universiteit, en Columbia University over collageenfibrillen op nanoschaal gerapporteerd over, voorheen onvoorzien, redenen waarom collageen zo'n veerkrachtig materiaal is.

Omdat één collageenvezel ongeveer een miljoenste groot is van de doorsnede van een mensenhaar, het bestuderen ervan vereist even kleine apparatuur. De groep van de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van U of I ontwierp kleine apparaten - micro-elektromechanische systemen - die kleiner waren dan één millimeter, om de collageenfibrillen te testen.

"Met behulp van MEMS-type apparaten om de collageenfibrillen vast te pakken onder een optische microscoop met hoge vergroting, we hebben individuele fibrillen uitgerekt om te leren hoe ze vervormen en het punt waarop ze breken, " zei Debashish Das, een postdoctoraal onderzoeker in Illinois die aan het project werkte. "We hebben de fibrillen ook herhaaldelijk uitgerekt en losgelaten om hun elastische en niet-elastische eigenschappen te meten en hoe ze reageren op herhaalde belasting."

Das uitgelegd, "In tegenstelling tot een rubberen band, als u menselijk of dierlijk weefsel uitrekt en vervolgens loslaat, het weefsel veert niet meteen terug naar zijn oorspronkelijke vorm. Een deel van de energie die wordt verbruikt om eraan te trekken, wordt afgevoerd en verloren. Onze weefsels zijn goed in het afvoeren van energie - wanneer getrokken en geduwd, ze verdrijven veel energie zonder te falen. Dit gedrag is bekend en begrepen op weefselniveau en wordt toegeschreven aan nanofibrillair glijden of aan de gelachtige hydrofiele substantie tussen collageenfibrillen. De individuele collageenfibrillen werden niet beschouwd als een belangrijke bijdrage aan het algehele visco-elastische gedrag. Maar nu hebben we aangetoond dat dissipatieve weefselmechanismen zelfs op de schaal van een enkele collageenvezel actief zijn."

Een zeer interessante en onverwachte bevinding van het onderzoek is dat collageenfibrillen sterker en taaier kunnen worden wanneer ze herhaaldelijk worden uitgerekt en ontspannen.

"Als we een gemeenschappelijke technische structuur herhaaldelijk uitrekken en ontspannen, het is waarschijnlijker dat het zwakker wordt door vermoeidheid, " zei U of I Professor Ioannis Chasiotis. "Hoewel onze lichaamsweefsels niet in de buurt komen van de hoeveelheid stress die we toepasten op individuele collageenfibrillen in onze laboratoriumexperimenten, we ontdekten dat na het overschrijden van een drempelspanning in onze cyclische belastingsexperimenten, er was een duidelijke toename van de fibrilsterkte, met maar liefst 70 procent."

Das zei dat de collageenfibrillen zelf aanzienlijk bijdragen aan de energiedissipatie en taaiheid die in weefsels wordt waargenomen.

"Wat we ontdekten, is dat individuele collageenfibrillen sterk dissipatieve biopolymeerstructuren zijn. Uit deze studie blijkt dat we weten nu dat ons lichaam energie dissipeert op alle niveaus, tot in de kleinste bouwstenen. En eigenschappen zoals sterkte en taaiheid zijn niet statisch, ze kunnen toenemen naarmate de collageenfibrillen worden uitgeoefend, ' zei Das.

Wat is de volgende stap? Das zei met dit nieuwe begrip van de eigenschappen van enkele collageenfibrillen, wetenschappers kunnen mogelijk betere dissipatieve synthetische biopolymeernetwerken ontwerpen voor wondgenezing en weefselgroei, bijvoorbeeld, die zowel biocompatibel als biologisch afbreekbaar zou zijn.

De studie "Energiedissipatie in collageenfibrillen van zoogdieren:door cyclische spanning geïnduceerde demping, verharding, en versterkend, " was co-auteur van Julia Liu, Debasish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, en Ioannis Chasiotis. Het is gepubliceerd in Acta Biomaterialia .