Le nanofibrille di collagene nei tessuti dei mammiferi si rafforzano con l'esercizio

Le fibrille di collagene nei tessuti dei mammiferi possono diventare più forti e più dure quando vengono ripetutamente allungate e lasciate riposare

Il collagene è il componente fondamentale di muscoli, tessuti, tendini e legamenti nei mammiferi. È anche ampiamente usato nella chirurgia ricostruttiva e cosmetica.

Sebbene gli scienziati abbiano una buona conoscenza di come comportarsi nell'ambito tessutale, alcune proprietà meccaniche chiave del collagene su scala nanometrica rimangono ancora da scoprire. Un recente studio sperimentale condotto da ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, della Washington University di St. Louis e della Columbia University su fibre di collagene su nanoscala ha riportato le ragioni, in precedenza imprevedibili, per cui il collagene è un materiale così resistente.

Poiché una fibrilla di collagene è circa un milionesimo di dimensione della sezione trasversale di un capello umano, studiarla richiede attrezzature altrettanto piccole. Il gruppo del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università dell'Illinois ha progettato minuscoli dispositivi - Sistemi micro-elettro-meccanici - di dimensioni inferiori a un millimetro, per testare le fibrille di collagene.

Il dottor Debashish Das,(1) uno studioso post dottorato dell'Università dell'Illinois coinvolto nel progetto ha asserito: "Usando i dispositivi di tipo MEMS per afferrare le fibrille di collagene sotto un microscopio ottico ad alto ingrandimento, abbiamo allungato le singole fibre per imparare come si deformano e il punto in cui si rompono. Abbiamo anche ripetutamente allungato e rilasciato le fibrille per misurare le loro proprietà elastiche e non elastiche e come rispondono a ripetuti carichi."

Debashish Das ha inoltre spiegato: "A differenza di un elastico, se si stira il tessuto umano o animale e poi lo si rilascia, il tessuto non torna alla sua forma originale. Questo comportamento è stato conosciuto e compreso a livello del tessuto e attribuito allo scorrimento nanofibrillare o alla sostanza idrofila gelatinosa tra le fibrille di collagene. Le singole fibrille di collagene non sono state considerate come importanti contributori al comportamento viscoelastico complessivo, ma ora abbiamo dimostrato che i meccanismi del tessuto dissipativo sono attivi anche alla scala di una singola fibrina di collagene."

Una scoperta molto interessante e inaspettata dello studio è che le fibrille di collagene possono diventare più forti e più dure quando vengono ripetutamente allungate e lasciate riposare.

Il professore Ioannis Chasiotis spiega: "Se allunghiamo e rilassiamo ripetutamente una struttura ingegneristica comune è più probabile che diventi più debole a causa della fatica. Mentre i nostri tessuti corporei non sperimentano in alcun modo vicino alla quantità di stress che abbiamo applicato alle singole fibrille di collagene nei nostri esperimenti di laboratorio, abbiamo scoperto che dopo aver attraversato una soglia di ceppo nei nostri esperimenti di carico ciclico, c'era un evidente aumento della fibrillazione, fino al 70 percento."

Il dottor Debashish Das ha affermato che le stesse fibrille di collagene contribuiscono in modo significativo alla dissipazione di energia e alla durezza osservate nei tessuti.

"Quello che abbiamo scoperto è che le singole fibre di collagene sono strutture biopolimeriche altamente dissipative. Da questo studio, ora sappiamo che il nostro corpo dissipa energia a tutti i livelli, fino ai più piccoli elementi costitutivi. E le proprietà come la forza e la costituzione non sono statiche, possono aumentare con l'esercizio delle fibrille di collagene", ha detto il dottor Debashish Das.

Qual è il prossimo passo? Secondo Debashish Das con questa nuova comprensione delle proprietà delle singole fibrille di collagene, gli scienziati potrebbero essere in grado di progettare migliori reti sintetiche dissipative biopolimeriche, biocompatibile e biodegradabili, per la guarigione delle ferite e la crescita dei tessuti.

Lo studio,(3) "Dissipazione dell'energia nelle fibrille di collagene dei mammiferi: smorzamento, rafforzamento e rafforzamento del ceppo ciclico indotto" è stato co-scritto da Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, e Ioannis Chasiotis. È pubblicato in Acta Biomaterialia. La ricerca è stata sostenuta da: National Science Foundation and National Institutes of Health e dal National Science Foundation Science and Technology Center for Engineering MechanoBiology. Il lavoro scientifico del dottor Debashish Das è stato sostenuto da una sovvenzione della National Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Debashish Das

(2) Ioannis Chasiotis

(3) Energy dissipation in mammalian collagen fibrils: Cyclic strain-induced damping, toughening, and strengthening

Autore: Edoardo Capuano / Articolo originale: Collagen nanofibrils in mammalian tissues get stronger with exercise Foto: Washington University in St. Louis

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