Учёные выяснили, почему сухожилия прочны как стальные тросы
Исследователи из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка (MPICI) обнаружили новые свойства коллагена. В процессе интеркаляции минералов в коллагеновые волокна возникает контракционное напряжение, которое в сотни раз сильнее мышечной силы.
Ключевые открытия:
- Коллаген — структурный белок, формирующий волокна в сухожилиях, коже и костях.
- Прочность костей основана на взаимодействии мягких органических коллагеновых волокон и твёрдых кристаллических минеральных частиц, встроенных в них (гибридный материал).
- Коллаген создаёт активное предварительное напряжение в минеральных частицах.
Механизм и аналогия:
- Искусственное внедрение различных минералов в коллагеновые волокна приводит к их сокращению с напряжением до 100 кг/см² (примерно в 100 раз больше силы мышцы).
- Это сокращение, наблюдаемое с помощью рентгеновской дифракции на синхротроне BESSY II, создаёт огромное давление на минерал, увеличивая прочность композита на разрыв.
- Аналогичный принцип используется в строительстве при создании предварительно напряжённого бетона с помощью высокопрочной стали для получения трещиностойких конструкций.
Значение работы:
- Объясняет вклад этого свойства коллагена в прочность минерализованных тканей (например, кости).
- Предлагает концепцию для создания инженерных гибридных материалов с выдающимися механическими свойствами.
- Помогает лучше понять биологические процессы минерализации тканей и влияние степени минерализации на макроскопические свойства материала, что важно для изучения заболеваний костей.
Исследование опубликовано в журнале Science.