Японский коллаген - книга - структура и механические свойства

КОЛЛАГЕН

Японский коллаген и гиалуроновая кислота

ГИАЛУРОН

Наука про коллаген

Коллаген: Структура и механические свойства

Автор: Петер Флатц

Институт коллоидов и внутренних тканей им.Макса Планка

Отдел Биоматериалов

14424 Потсдам

Германия, 2008г.

Глава 1

Коллаген: Структура и механизмы действия,

Введение

Абстрактный коллаген 1 типа самый распространенный белок у млекопитающих. Он обуславливает механическую стабильность, крепкость и упругость ряда тканей, начиная с сухожилий и связок до кожи, роговицы глаз, костей и дентина. Эти ткани имеют абсолютно разные требования к механическим свойствам, некоторым нужно быть эластичными или снабжаться механической энергией, а другим нужно быть жесткими и упругими. Это показывает многогранность коллагена в качестве строительного материала. В том время как в некоторых случаях (кости и дентин) жесткость увеличивается включением в их состав минералов, механические свойства, обычно, больше формируются модификацией иерархической структуры, чем различными химическими соединениями. Основной строительный блок коллагено-насыщенных тканей это коллагеновое волоконце, волокно толщиной от 50 до нескольких сотен нанометров. Эти волоконца затем формируются в множество более сложных структур с очень разнообразными механическими свойствами. Вот основное введения к книге - иерархическая структура и механические свойства некоторых коллагено-насыщенных тканей. В добавок, эта глава дает элементарные определения некоторых базовых механических величин, которые необходимы при чтении книги, такие как давление, растяжение, крепкость и упругость.

1.1. Ткани, в основе которых коллаген.

Коллаген входит в ряд самых распространенных волокнистых белков и выполняет множество механических функций, в частности у млекопитающих. Он составляет основную часть сухожилий и связок, основных органических веществ в костях и дентине; он присутствует в коже, артериях, хрящах и в большей части внеклеточного матрикса. Коллаген также используется у беспозвоночных, например в нитях биссус, с помощью которых двустворчатый моллюск прикрепляется к камням.

Чаще полимеры волокнистого строения это основной строительный блок во всех типах тканей, испытывающих нагрузку, от одноклеточных организмов в воде до растений и животных. Эти волокна содержат гликаны, такие как клетчатка и хитин, очень много его содержится в растениях и в серозной оболочке насекомых, соответственно, и во множестве белков. В добавок к коллагену, структурные белки включают кератин, преобладающий в волосах и ногтях, шелке, который используется пауками, например, актин, присутствует в мускулах и клеточном скелете каждой клетки. Очень много белков с более специфическими функциями используются разными организмами.

С точки зрения механики, белковые ткани очень особенные. Такие материалы обычно намного сильнее по направлению волокон, чем перпендикулярно им. Как следствие, имеет анизотропические свойства, которые могут быть уменьшены с помощью специальных принципов конструирования, таких как слоистые скопления для формирования ламинатов. Фактически большое разнообразие всех свойств может быть легко достигнуто умным соединением волокон. Из нашей повседневной жизни мы знаем как, основываясь на волокнах, возможно сделать крепкие канаты или ткани с высокой или низкой эластичностью, зависящей от плетения. В самом простом виде, ткани и все органы сконструированы из белков иерархическим скоплением приводящим к большому разнообразию механических свойств. Понимание иерархической структуры биологических материалов, соответственно, это ключ к пониманию их механических свойств. Коллаген не исключение из этого утверждения, и мы находим его в очень сложных иерархических структурах с абсолютно разными свойствами, такими как эластичная кожа, мягкий хрящ, и крепкий кости и сухожилия.

Иерархическое структурирование имеет преимущество для того, чтобы позволить для оптимизации и механической адаптации на всех структурных уровнях. Для большинства биологических материалов, включая растения, внутренняя архитектура определяет механическое поведение больше, чем это делает химический состав.

Возьмем например кости, структурная оптимизация для них означает, что каждая кость в нашем теле, в соответствии с ее механической функцией, имеет слегка отличающуюся аранжировку базовых строительных блоков, коллагеновых волокон с минералами. Вывод – изгибающаяся крепкость, устойчивость к ломкости и другие механические свойства будут отличаться от участка к участку как результат различных локальных построений. Следовательно, очень сложно говорить о (механических) свойствах тканей, таких как кости или сухожилия, в обычном смысле, так как эти свойства зависят от локальных структур и от фактических механических потребностей продиктованных окружающей средой тела. Вот почему (иерархическая) структура и механические свойства рассматриваются в этой книге параллельно. На самом деле о них не возможно рассуждать по отдельности.

Продолжение следует...