Quando corri, respirando e muovendosi, il corpo si deforma continuamente. In che modo i tessuti del corpo affrontano tutte queste sollecitazioni meccaniche? Pubblicazione oggi in Fisica della natura , ricercatori della Wageningen University &Research (WUR) e dell'istituto AMOLF mostrano come i due componenti principali dei tessuti molli, collagene e acido ialuronico, lavorano insieme per mettere a punto la risposta meccanica dei nostri tessuti.

Questo studio fa progredire la comprensione di come la materia biologica regoli con precisione la sua funzione combinando diversi componenti. Sfruttando non solo le loro proprietà individuali, ma anche come interagiscono questi componenti, e aprendo così la strada alla sintesi di nuovi materiali polimerici.

Un lobo dell'orecchio è morbido quando viene tirato delicatamente. Però, con una trazione più insistente e più forza, diventerà molto rigido. La pelle e la maggior parte dei tessuti molli del corpo, compresi i lobi delle orecchie, muscoli e cartilagine delle ginocchia, hanno questa straordinaria capacità di passare drasticamente da morbide a rigide quando sono soggette a grandi deformazioni. Questa capacità è fondamentale per il funzionamento biologico:quando il tessuto è molle, le cellule possono muoversi. Allo stesso tempo, il tessuto deve proteggere le cellule e non deve rompersi, e quindi diventa più rigido quando la deformazione diventa troppo grande.

Reti di collagene nella pelle

L'origine fisica di questo speciale comportamento meccanico è la particolare struttura formata dalle proteine ​​del collagene, chiamata rete sparsa. Questo è stato rivelato in precedenti studi in vitro, in cui si formavano reti di collagene estratto dalla pelle degli animali direttamente all'interno di un reometro, uno strumento che consente ai ricercatori di misurare la risposta di un materiale mentre lo deforma.

"Però, i tessuti reali sono molto più complessi:sono composti da diverse molecole che hanno dimensioni diverse e interagiscono tra loro in modi ancora sconosciuti, "dice Simone Dussi, postdoc nel gruppo WUR Physical Chemistry and Soft Matter guidato dal prof. Jasper van der Gucht. "A causa di questa complessità, i tessuti reali sono molto più adattivi delle reti studiate finora, fatto di solo collagene. Siamo stati molto entusiasti di vedere i risultati sperimentali ottenuti all'AMOLF da Federica Burla nel gruppo del prof. Gijsje Koenderink. Hanno studiato sistematicamente le doppie reti in cui il secondo componente più abbondante dei tessuti, acido ialuronico, era presente. La sua presenza ha cambiato significativamente la risposta meccanica delle reti composite ed eravamo ansiosi di capire perché".

Più rigido con acido ialuronico

"In contrasto con le fibre rigide di collagene, l'acido ialuronico è un polimero molto più piccolo e flessibile che è caricato elettrostaticamente. A causa delle interazioni elettrostatiche, molto stress viene accumulato internamente durante la formazione della rete. Questa sollecitazione diventa rilevante quando si deforma il materiale, ad esempio, quando lo si tira. in primo luogo, le reti con una maggiore quantità di acido ialuronico sono già più rigide a piccole deformazioni e in secondo luogo, il passaggio alla risposta ancora più rigida avviene a una deformazione maggiore, " spiega Justin Tauber, dottorato di ricerca candidato nello stesso gruppo. "Siamo riusciti a costruire un modello teorico ed eseguito simulazioni al computer che corrispondevano ai risultati sperimentali. Sono stati identificati gli ingredienti chiave:oltre alla struttura della rete e alla rigidità alla flessione delle fibre di collagene, l'elasticità e lo stress interno generato dall'acido ialuronico sono fondamentali. Il modello ci permette di fare un ulteriore passo avanti nella comprensione di come i tessuti reali sfruttino l'equilibrio di tutti questi effetti. Inoltre, i nostri risultati possono essere tradotti in scienza dei materiali per creare nuovi materiali polimerici sintetici con proprietà più sintonizzabili".

I ricercatori stanno ora studiando quando e come queste reti si fratturano, in un altro studio ispirato alla biologia da cui potrebbero trarre ispirazione per materiali artificiali più resistenti.