Почему сухожилия прочны, как проволочные канаты
|
Команда из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка (MPICI) обнаружила новые свойства коллагена: во время интеркаляции минералов в волокна коллагена возникает напряжение сокращения, которое в сотни раз превышает силу мышц. «Этот универсальный механизм минерализации тканей из органического волокна можно было бы перенести на технические гибридные материалы, например, для достижения там высокой прочности на разрыв», — говорит профессор, доктор медицинских наук Питер Фрацль, директор института. Волокнообразующий структурный белок коллаген содержится, среди прочего, в сухожилиях, коже и костях. Прочность костей основана на структурном взаимодействии мягких органических волокон коллагена и твердых кристаллических минеральных частиц, встроенных в них, что представляет собой гибридный материал. Коллаген придает минеральным частицам активное предварительное напряжение. |
Инженеры-строители используют аналогичный механизм в предварительно напряженном бетоне с помощью высокопрочной стали и, таким образом, производят устойчивые к растрескиванию элементы конструкции. «С медицинской или биологической точки зрения также интересно понять, что происходит в процессе минерализации костей», — говорит доктор Вольфганг Вагермайер, руководитель группы MPICI. Он добавляет: «Многие заболевания костей связаны с изменениями содержания минералов в костях и, следовательно, с изменением их свойств». |
Доктор Ханг Пинг, первый автор статьи, и его команда обнаружили, что искусственное включение различных минералов в коллагеновые волокна приводит к укорочению этих волокон при нагрузке до ста килограммов на квадратный сантиметр. Это примерно в сто раз превышает силу мышцы. Связанные изменения в структуре коллагена наблюдались с помощью рентгеновской дифракции на синхротроне BESSY II в Берлин-Адлерсхоф во время минерализации. Это сжатие волокон, по-видимому, происходит во время включения минерала в коллаген, подвергая минерал колоссальному давлению, что увеличивает прочность композита на излом. |
В статье, опубликованной в журнале Science, не только показано, что именно это свойство коллагена способствует прочности минерализованных тканей, таких как кость, но также изложена концепция, которую можно применить к инженерным гибридным материалам с выдающимися механическими свойствами. В то же время результаты этой работы помогают лучше понять биологические процессы при минерализации тканей и влияние степени минерализации на макроскопические свойства материала. |
Источник |
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
|