Коллаген представляет собой строительный блок, который может быть иерархически собран в разнообразные морфологические структуры, которые динамически адаптируются в ответ на внешние сигналы. Ученые-материаловеды имеют ограниченные возможности управлять появлением иерархической организации коллагена, чтобы восстановить богатство его биологической структуры и функции в лаборатории. В новом отчете, опубликованном в Science Advances, Мяо Лэй и исследовательская группа в области материаловедения, медицины, науки и техники в Китае и США описали путь электросборки для создания промежуточного расплавленного состояния фибрилл для коллагена. Промежуточное состояние структурно состояло из частично выровненных и обратимо связанных фибрилл с ограниченной иерархической структурой. Они обратимо реконфигурировали расплавленные фибриллы, чтобы придать им динамические свойства, такие как жесткость на основе стимулов, сокращение, самовосстановление и самоформирование, и направили расплавленные фибриллы на дальнейшую сборку и повторение структурных особенностей нативного коллагена. Результаты обеспечивают неизвестные до сих пор методы адаптации биомедицинских материалов на основе коллагена.

Коллаген как биологический строительный материал

Структурные белки образуют важные строительные блоки в биологии с разнообразными молекулярными взаимодействиями, которые определяют их иерархическую сборку в сложные морфологические структуры для регулирования функциональных свойств . Коллаген — классический пример, когда молекулы тройной спирали можно использовать для организации иерархии длин и масштабов. Такие сборки могут быть связаны посредством обратимых взаимодействий для структурных реконфигураций и адаптивных функциональных свойств. Например, взаимодействия, наблюдаемые с морскими огурцами, описывают динамическое перекрестное связывание фибрилл коллагена для обратимой настройки их биомеханики и предотвращения нападения хищников. Такая динамика также может способствовать заживлению и ремоделированию ран за счет миграции и самоорганизации клеток. Примеры этих структур в физиологических условиях включают сшитые микрофибриллы коллагена прозрачной роговицы , коллагеновые фибриллы костей и зубов , кожи и жестких сухожилий. В этой работе Lei et al. описали электросборку промежуточного состояния расплавленных фибрилл для коллагена с частично выровненной структурой фибрилл, но с ограниченной иерархической организацией. Они ожидают, что электросборка промежуточных состояний расплавленных фибрилл коллагена предоставит ранее неизвестные возможности для формирования биомедицинских материалов на основе коллагена, которые имитируют и включают структурные свойства нативного коллагена и коллагеновых материалов.

Электросборка коллагена в расплавленном состоянии фибрилл

Лей и др. впервые получил солюбилизированный кислотой коллаген из свиной кожи с образованием прозрачного молекулярного раствора в уксусной кислоте. Затем они вызвали самосборку растворов коллагена на титановой фольге, наложив катодное напряжение, когда рН раствора был повышен. Для сравнения команда изготовила коллагеновые пленки примерно такой же толщины с помощью обычного метода . Такие пленки коллагенового гидрогеля сохраняли непрозрачный молочно-белый вид, обозначенный как SA-Col, и оставались полупрозрачными. Высокая прозрачность электрособранного коллагена (обозначенного как EA-Col) может быть стабилизирована с помощью химического сшивания с преимуществами для биомедицинских применений, включая имплантаты роговицы, которые требуют долгосрочной прозрачности. Лей и др. использовалсканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия , чтобы показать микроструктуру пленок EA-Col с плотной организацией и выровненной волокнистой волокнистой поверхностью. Они отметили организацию фибрилл диаметром 10 нм. Затем, используя анализ наноструктуры, они выполнили синхротронное малоугловое рассеяние рентгеновских лучей , чтобы выделить отчетливую, частично выровненную структуру фибрилл сети EA-Col в ответ на наложенное электрическое поле.

Динамическая приспособляемость расплавленной фибриллы к механическим воздействиям

Затем ученые изучили динамическую устойчивость расплавленных волокон к механическим воздействиям. Они достигли этого, получив репрезентативные кривые напряжение-деформация, чтобы показать слабость сети расплавленных фибрилл, которая подверглась большой деформации и постепенному разрушению. Напротив, сеть из статических волокон имела более высокий модуль, меньшую деформацию и подвергалась хрупкому разрушению во время экспериментов по освобождению от растяжения. Для дальнейшего изучения механических характеристик расплавленных фибрилл Lei et al. выполнил многоцикловые измерения динамической нагрузки на растяжение, чтобы отметить увеличение модуля Юнгав каждом последующем цикле загрузки. Затем они исследовали механическую изменчивость структуры коллагеновой ткани для реализации ключевых физиологических функций. Например, в природе морские огурцы могут быстро укреплять свои соединительные сети, чтобы избежать нападения хищников , полагаясь на обратимую регуляцию взаимодействий между соседними коллагеновыми фибриллами. Вдохновленные такими взаимодействиями, Lei et al. включенные ионы Хофмейстера, которые могут влиять на гидрофобные (водоотталкивающие) взаимодействия для укрепления внутренних связей сети коллагеновых фибрилл. Адаптивное состояние расплавленных фибрилл коллагена сильно реагировало на ионы, чтобы регулировать физическое сшивание и улучшать механические свойства сетей расплавленных фибрилл.

Динамические механические функции фибриллярных сетей in vivo и дальнейшие эксперименты

Поскольку процесс укрепления сетей расплавленных фибрилл эффектом Хофмейстера является обратимым, команда стремилась разработать биомедицинские концепции, чтобы выделить регулируемые и возникающие свойства конструкции, чтобы тем самым достичь целей проектирования, которые могут механически изменяться со временем. Например, во время некоторых хирургических вмешательств хирурги имплантируют повязку вокруг артерии, чтобы сузить кровоток .и защитить уязвимое место ниже по течению от гипертонии. В то время как сразу после операции эта полоса должна быть прочной, со временем она должна расслабиться, чтобы обеспечить больший кровоток. Таким образом, идеальный материал, отвечающий этим медицинским требованиям, должен обладать механическими свойствами, которые динамически релаксируют в условиях in vivo. Сеть расплавленных фибрилл, усиленная солью Хоффмайстера, может обеспечить достаточную силу для расслабления, поскольку соль выщелачивается из сети, и через некоторое время конструкция будет резорбироваться путем предварительной биодеградации. После этого команда проверила возможность реконфигурации структуры и свойств сетей расплавленных фибрилл путем регулирования электростатических взаимодействий. Затем последовали эксперименты, чтобы выявить свойства сокращения раздражителей и самовосстановления материала , вдохновленного головоногими.для создания сложных трехмерных форм и формирования перспективных кандидатов для применения в качестве биоприводов, мягких роботов и других интеллектуальных биомиметических устройств.

Перспектива

Экспериментальные результаты выявили образование промежуточного состояния расплавленных фибрилл во время электросборки коллагена, связанного посредством ответных физических взаимодействий. Это свойство позволило интегрировать внешние сигналы в сеть расплавленных фибрилл для создания биомиметических динамических многофункциональных функций. Команда провела дальнейшие эксперименты для создания структурных особенностей более высокого порядка, включая биомимикрию ткани сухожилия, чтобы воспроизвести нативную микроархитектуру коллагена сухожилия. Таким образом, Мяо Лей и его коллеги описали метод электрообработки для формирования промежуточной расплавленной фибриллы .состояние коллагена. Это состояние было адаптивным, и им можно было управлять для формирования более упорядоченной структуры, объединяющей структурные и функциональные свойства нативных тканей на основе коллагена. На основе этих результатов команда планирует дальнейшую работу в трех широких областях, включая дополнительные фундаментальные исследования, методы аддитивного производства и интеграцию материалов на основе коллагена для регенеративной медицины, включая восстановление кости с помощью инженерии костной ткани и замену роговицы или сухожилия.