El colágeno es el componente fundamental de los músculos, tejidos, tendones y ligamentos en los mamíferos. También se usa ampliamente en cirugía reconstructiva y cosmética. Aunque los científicos entienden bien cómo se comporta a nivel de los tejidos, algunos mecanismos mecánicos claveLas propiedades del colágeno a nanoescala siguen siendo difíciles de alcanzar. Un reciente estudio experimental realizado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Washington y la Universidad de Columbia sobre fibrillas de colágeno a nanoescala informó sobre razones previamente imprevistas de por qué el colágeno es un material tan resistente.
Debido a que una fibrilla de colágeno tiene aproximadamente una millonésima parte de la sección transversal de un cabello humano, estudiarla requiere un equipo igualmente pequeño. El grupo del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la U de I diseñó dispositivos pequeños - Micro-Electro-Sistemas mecánicos: más pequeños que un milímetro de tamaño, para analizar las fibrillas de colágeno.
"Usando dispositivos tipo MEMS para sujetar las fibrillas de colágeno bajo un microscopio óptico de gran aumento, estiramos las fibrillas individuales para aprender cómo se deforman y el punto en que se rompen", dijo Debashish Das, un investigador postdoctoral en Illinois que trabajó enEl proyecto "también estiramos y liberamos repetidamente las fibrillas para medir sus propiedades elásticas e inelásticas y cómo responden a la carga repetida".
Das explicó: "A diferencia de una banda de goma, si estira el tejido humano o animal y luego lo suelta, el tejido no vuelve a su forma original de inmediato. Parte de la energía gastada en tirar de ella se disipa y se pierde. Nuestrolos tejidos son buenos para disipar energía: cuando se tiran y empujan, disipan mucha energía sin fallar. Este comportamiento se conoce y comprende a nivel de tejido y se atribuye al deslizamiento nanofibrilar o a la sustancia hidrofílica similar a un gel entre las fibrillas de colágeno. Las fibrillas de colágeno individuales no se consideraron como contribuyentes principales al comportamiento viscoelástico general. Pero ahora hemos demostrado que los mecanismos de tejido disipativo están activos incluso a la escala de una sola fibrilla de colágeno ".
Un hallazgo muy interesante e inesperado del estudio es que las fibrillas de colágeno pueden volverse más fuertes y más duras cuando se estiran repetidamente y se dejan relajar.
"Si estiramos y relajamos repetidamente una estructura de ingeniería común, es más probable que se debilite debido a la fatiga", dijo el profesor U de I Ioannis Chasiotis. "Si bien los tejidos de nuestro cuerpo no experimentan la cantidad de estrés que tenemosaplicado a las fibrillas de colágeno individuales en nuestros experimentos de laboratorio, descubrimos que después de cruzar una tensión límite en nuestros experimentos de carga cíclica, hubo un claro aumento en la resistencia de las fibrillas, hasta en un 70 por ciento ".
Das dijo que las propias fibrillas de colágeno contribuyen significativamente a la disipación de energía y la resistencia observada en los tejidos.
"Lo que descubrimos es que las fibrillas de colágeno individuales son estructuras de biopolímeros altamente disipativas. De este estudio, ahora sabemos que nuestro cuerpo disipa energía en todos los niveles, hasta los bloques de construcción más pequeños. Y propiedades como la resistencia y la tenacidad no son estáticas, pueden aumentar a medida que se ejercitan las fibrillas de colágeno ", dijo Das.
¿Cuál es el siguiente paso? Das dijo que con esta nueva comprensión de las propiedades de las fibrillas de colágeno individuales, los científicos pueden diseñar mejores redes de biopolímeros sintéticos disipativos para la cicatrización de heridas y el crecimiento de tejidos, por ejemplo, que serían biocompatibles y biodegradables.
Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, fue coautora del estudio "Disipación de energía en fibrillas de colágeno de mamíferos: amortiguación, endurecimiento y fortalecimiento inducidos por la tensión cíclica".y Ioannis Chasiotis. Se publica en Acta Biomaterialia .
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation y los National Institutes of Health y por el National Science Foundation Science and Technology Center for Engineering MechanoBiology. El esfuerzo de Das fue apoyado por una subvención de la National Science Foundation.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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