Исследование: Прочность коллагена зависит от числа соединений волокон в узлах сети

Коллаген — это «клей», который скрепляет тело. Он присутствует в коже, костях, мышцах, хрящах, связках, волосах, ногтях — почти во всех тканях. В таких тканях, как кожа, белки коллагена образуют волокнистые сети, обладающие высокой эластичностью. Однако причина такой эластичности долгое время оставалась неясной. Исследователи из Делфтского технического университета, AMOLF и Вагенингенского университета обнаружили, что ключевую роль играет количество «пересечений» (узлов) волокон. Идеальное число соединений в одном узле — от трёх до четырёх. Большее количество соединений делает коллагеновые сети менее эластичными. Новые знания можно использовать для восстановления повреждённых или стареющих тканей (например, хрящей или кожи) и для выращивания новой кожи для пациентов с ожогами.

Неупорядоченные сети

Коллаген организуется по-разному. Например, в сухожилиях волокна выстроены в одном направлении, как пучок верёвок. В коже же коллаген образует неупорядоченные сети, которые чрезвычайно гибки и могут подстраиваться под прилагаемые силы.

Коллагеновые сети не только более гибкие, чем отдельные волокна, но и прочнее. Отдельные коллагеновые волокна (как в сухожилиях) можно растянуть лишь примерно на 20% до разрыва. Коллагеновые сети же деформируются вместе с прилагаемой силой. Их можно растянуть до 85%, прежде чем они разорвутся.

Приложение сил и открытие

Чтобы выяснить причину прочности сетей, исследователи использовали готовые коммерческие молекулы коллагена. При низкой температуре и низком (кислом) значении pH молекулы растворяются. При последующем нагревании до 37 °C и повышении pH молекулы спонтанно формируют волокна, которые, в свою очередь, образуют сети.

Учёные помещали полученный коллаген между двумя пластинами, двигая верхнюю, чтобы приложить силу к ткани. С помощью электронной микроскопии и компьютерного моделирования сетей волокон команда обнаружила, что прочность сети определяется средним числом соединений в её узлах.

Ключевой вывод: «К нашему удивлению, больше соединений не обязательно лучше. Напротив, идеальное число соединений — от трёх до четырёх».

Объяснение и перспективы

Объяснение простое: если соединений слишком много, коллагеновые сети становятся жёсткими (как, например, в рубцовой ткани). Чем меньше соединений в узле, тем легче и сильнее можно деформировать сеть до её разрушения. Поэтому сети с относительно небольшим числом соединений в узлах — самые прочные.

Понимание механики живых тканей ведёт к улучшению тканевой инженерии (например, для создания культивируемой кожи для ожоговых пациентов) и к разработке новых биоматериалов. Это вдохновлённые природой материалы, обладающие свойствами живых тканей: биоразлагаемые пластикоподобные материалы, упаковка, меняющая цвет при избыточном давлении, или материалы, способные к самовосстановлению.