Что делает биологические ткани мягкими и одновременно прочными

Инженеры ETH Zurich обнаружили, что мягкие биологические ткани деформируются при растяжении иначе, чем предполагалось ранее. Их выводы уже применяются в медицинских исследованиях.

Растянутая ткань теряет объем

Исследователи под руководством профессора Эдоардо Мацца изучали, как части амниотического мешка и другие мягкие ткани деформируются под нагрузкой. Ключевой и неожиданный вывод: ткань теряет массу при растяжении. Физиологическое растяжение на 10% приводит к средней потере около 50% объема.

Это противоречит преобладающей парадигме о неизменности объема при деформации. Измерения показали, что объем теряется из-за выхода жидкости, хранящейся между клетками и коллагеновыми волокнами, из растянутой области.

Взаимодействие механики и химии

Компьютерное моделирование прояснило механизм. Основа — ориентация коллагеновых волокон, образующих трехмерную сеть. При растяжении сети фибриллы, лежащие в направлении тяги, сближаются ножничным движением, выдавливая жидкость. Волокна не повреждаются, а в основном смещаются.

Потеря объема обратима. При расслаблении ткань снова поглощает воду из окружающей среды. Причина — отрицательно заряженные макромолекулы, прочно связанные с коллагеновыми волокнами. Они вызывают обратный поток воды по принципам осмоса. В экспериментах процесс можно повторять многократно.

Проверка ткани на прочность

Уплотнение коллагеновых волокон особенно полезно при травмах. Если разрезать натянутый кусок ткани, образуется трещина, но волокна сходятся у ее кончика. При дальнейшем растяжении этого армирования обычно достаточно, чтобы остановить рост разрыва.

Исследователи разработали устройства и протоколы для анализа механического поведения тканей. Они могут растягивать как крупные, так и микроскопически малые образцы в одном или нескольких направлениях (например, путем надувания), количественно оценивать реакцию ткани и описывать эффекты с помощью собственных компьютерных симуляций.

Прямые медицинские применения

Новые данные напрямую применяются для решения медицинских задач, таких как тканевая инженерия — искусственное создание биологической ткани для регенерации или замены поврежденной.

Исследователи хотят изучить субстраты, на которых растет ткань. Цель — создать максимально физиологически точные условия, имитирующие природу. Клетки в растущей ткани получают сигналы от субстрата, которые играют важную роль в определении свойств замещающей ткани. Ключевое значение имеет взаимодействие химии и механики, включая правильное соотношение заряженных макромолекул и коллагеновых волокон.

Новая кожа для пострадавших от ожогов

Исследователи планируют участвовать в проекте Детской университетской больницы Zurich, направленном на более быстрое и эффективное выращивание замещающей кожи для жертв ожогов, в рамках флагманского проекта Skintegrity (University Medicine Zurich).

Группа Мацца уже применяет свои знания в проекте Университетской больницы Zurich, посвященном разрывам амниотического мешка. Изначально проект определял свойства, необходимые для восстановления таких повреждений. Теперь фокус сместился на вопрос, почему эти разрывы происходят изначально.