Il collagene è l'elemento costitutivo fondamentale dei muscoli, tessuti, tendini, e legamenti nei mammiferi. Trova largo impiego anche in chirurgia ricostruttiva ed estetica. Sebbene gli scienziati abbiano una buona comprensione di come si comporta a livello tissutale, alcune proprietà meccaniche chiave del collagene su scala nanometrica rimangono ancora sfuggenti. Un recente studio sperimentale condotto da ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, Università di Washington, e la Columbia University sulle fibrille di collagene su nanoscala riportate, precedentemente imprevisto, ragioni per cui il collagene è un materiale così resistente.

Poiché una fibrilla di collagene è grande circa un milionesimo della sezione trasversale di un capello umano, studiarlo richiede un'attrezzatura altrettanto piccola. Il gruppo del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale della U of I ha progettato piccoli dispositivi - Sistemi Micro-Elettro-Meccanici - di dimensioni inferiori a un millimetro, per testare le fibrille di collagene.

"Utilizzando dispositivi di tipo MEMS per afferrare le fibrille di collagene sotto un microscopio ottico ad alto ingrandimento, abbiamo allungato le singole fibrille per imparare come si deformano e il punto in cui si rompono, " disse Debashish Das, uno studioso post-dottorato dell'Illinois che ha lavorato al progetto. "Abbiamo anche allungato e rilasciato ripetutamente le fibrille per misurare le loro proprietà elastiche e anelastiche e come rispondono a carichi ripetuti".

Das ha spiegato, "A differenza di un elastico, se allunghi un tessuto umano o animale e poi lo rilasci, il tessuto non torna immediatamente alla sua forma originale. Parte dell'energia spesa per tirarla viene dissipata e persa. I nostri tessuti sono bravi a dissipare energia:quando vengono tirati e spinti, dissipano molta energia senza fallire. Questo comportamento è stato conosciuto e compreso a livello tissutale 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 i principali contributori al comportamento viscoelastico complessivo. Ma ora abbiamo dimostrato che i meccanismi tissutali dissipativi sono attivi anche a livello di una singola fibrilla di collagene".

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

"Se allunghiamo e rilassiamo ripetutamente una struttura ingegneristica comune, è più probabile che si indebolisca a causa della fatica, " ha detto U di I Professor Ioannis Chasiotis. "Mentre i nostri tessuti corporei non sperimentano nemmeno lontanamente la quantità di stress che abbiamo applicato alle singole fibrille di collagene nei nostri esperimenti di laboratorio, abbiamo scoperto che dopo aver attraversato un ceppo soglia nei nostri esperimenti di carico ciclico, c'è stato un chiaro aumento della forza delle fibrille, fino al 70 per cento".

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

"Quello che abbiamo scoperto è che le singole fibrille 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 proprietà come resistenza e tenacità non sono statiche, possono aumentare con l'esercizio delle fibrille di collagene, " disse Das.

Qual è il prossimo passo? Das ha detto con questa nuova comprensione delle proprietà delle singole fibrille di collagene, gli scienziati potrebbero essere in grado di progettare reti di biopolimeri sintetici dissipativi migliori per la guarigione delle ferite e la crescita dei tessuti, Per esempio, che sarebbe sia biocompatibile che biodegradabile.

Lo studio "La dissipazione dell'energia nelle fibrille di collagene dei mammiferi:smorzamento indotto da deformazione ciclica, indurimento, e rafforzando, " è stato co-autore di Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, e Ioannis Chasiotis. È pubblicato in Acta Biomaterialia .