Tijdens het hardlopen, ademen en bewegen, het lichaam vervormt voortdurend. Hoe gaan de weefsels in het lichaam om met al deze mechanische spanningen? Vandaag publiceren in Natuurfysica , onderzoekers van Wageningen University &Research (WUR) en AMOLF-instituut laten zien hoe de twee belangrijkste componenten van zachte weefsels, collageen en hyaluronzuur, werken samen om de mechanische respons van onze weefsels fijn af te stemmen.

Deze studie bevordert het begrip van hoe biologische materie zijn functie precies reguleert door verschillende componenten te combineren. Niet alleen gebruik makend van hun individuele eigenschappen, maar ook hoe deze componenten op elkaar inwerken, en zo de weg openen voor het synthetiseren van nieuwe polymere materialen.

Een oorlel is zacht als er zachtjes aan wordt getrokken. Echter, met meer aanhoudend trekken en meer kracht, het zal erg stijf worden. De huid en de meeste zachte weefsels in het lichaam, inclusief oorlellen, spieren en het kraakbeen in de knieën, hebben dit buitengewone vermogen om drastisch over te schakelen van zacht naar stijf wanneer ze worden blootgesteld aan grote vervorming. Dit vermogen is cruciaal voor het biologisch functioneren:als het weefsel zacht is, cellen kunnen bewegen. Tegelijkertijd, het weefsel moet de cellen beschermen en mag niet breken, en wordt daardoor stijver als de vervorming te groot wordt.

Collageennetwerken in de huid

De fysieke oorsprong van dit speciale mechanische gedrag is de specifieke structuur die wordt gevormd door de collageeneiwitten, een schaars netwerk genoemd. Dit bleek uit eerdere in-vitro-onderzoeken, waarin netwerken van collageen geëxtraheerd uit de huid van dieren direct in een reometer werden gevormd, een instrument waarmee onderzoekers de respons van een materiaal kunnen meten terwijl het wordt vervormd.

"Echter, echte weefsels zijn veel complexer:ze zijn samengesteld uit verschillende moleculen die verschillende groottes hebben en op nog onbekende manieren met elkaar interageren, " zegt Simone Dussi, postdoc in de WUR-groep Physical Chemistry and Soft Matter onder leiding van prof. Jasper van der Gucht. “Vanwege deze complexiteit, echte weefsels zijn veel adaptiever dan de tot nu toe bestudeerde netwerken, gemaakt van alleen collageen. We waren erg enthousiast om de experimentele resultaten te zien die Federica Burla in de groep van prof. Gijsje Koenderink. Ze bestudeerden systematisch dubbele netwerken waarbij de op één na meest voorkomende component van weefsels, hyaluronzuur, was aanwezig. Zijn aanwezigheid veranderde de mechanische respons van de composietnetwerken aanzienlijk en we wilden graag begrijpen waarom."

Stijver met hyaluronzuur

"In tegenstelling tot de stijve collageenvezels, hyaluronzuur is een veel kleiner en flexibeler polymeer dat elektrostatisch geladen is. Door elektrostatische interacties, Tijdens de netwerkvorming wordt intern veel stress opgebouwd. Deze spanning wordt relevant wanneer je het materiaal vervormt, bijvoorbeeld, als je eraan trekt. Ten eerste, de netwerken met een grotere hoeveelheid hyaluronzuur zijn al stijver bij kleine vervormingen en ten tweede, de omschakeling naar de nog stijvere respons vindt plaats bij een grotere vervorming, " legt Justin Tauber uit, doctoraat kandidaat in dezelfde groep. "We zijn erin geslaagd een theoretisch model te construeren en computersimulaties uit te voeren die overeenkwamen met de experimentele resultaten. De belangrijkste ingrediënten werden geïdentificeerd:naast de netwerkstructuur en de buigstijfheid van de collageenvezels, de elasticiteit en de interne stress gegenereerd door het hyaluronzuur zijn cruciaal. Het model stelt ons in staat om een ​​stap verder te gaan in het begrijpen hoe echte weefsels de balans van al deze effecten benutten. In aanvulling, onze bevindingen kunnen worden vertaald in materiaalwetenschap om nieuwe synthetische polymere materialen te creëren met meer afstembare eigenschappen."

Onderzoekers onderzoeken nu wanneer en hoe deze netwerken breken, in een andere biologie-geïnspireerde studie waaruit ze inspiratie zouden kunnen halen voor hardere, door de mens gemaakte materialen.