Une fibrille de collagène montée sur un dispositif de test mécanique MEMS. En bas se trouve un seul cheveu humain pour la comparaison de taille. Crédit :Département de génie aérospatial de l'Université de l'Illinois
Le collagène est la pierre angulaire des muscles, tissus, tendons, et ligaments chez les mammifères. Il est également largement utilisé en chirurgie reconstructive et esthétique. Bien que les scientifiques aient une bonne compréhension de son comportement au niveau des tissus, certaines propriétés mécaniques clés du collagène à l'échelle nanométrique restent encore insaisissables. Une récente étude expérimentale menée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Université de Washington, et Columbia University sur les fibrilles de collagène à l'échelle nanométrique, imprévu auparavant, raisons pour lesquelles le collagène est un matériau si résistant.
Parce qu'une fibrille de collagène a environ un millionième de la taille d'un cheveu humain, l'étudier nécessite un équipement tout aussi petit. Le groupe du département d'ingénierie aérospatiale de l'Université de Ier a conçu de minuscules dispositifs - des systèmes micro-électro-mécaniques - d'une taille inférieure à un millimètre, pour tester les fibrilles de collagène.
"En utilisant des dispositifs de type MEMS pour saisir les fibrilles de collagène sous un microscope optique à fort grossissement, nous avons étiré des fibrilles individuelles pour savoir comment elles se déforment et à quel point elles se cassent, " dit Debashish Das, un chercheur postdoctoral de l'Illinois qui a travaillé sur le projet. "Nous avons également étiré et libéré à plusieurs reprises les fibrilles pour mesurer leurs propriétés élastiques et inélastiques et leur réaction à des charges répétées."
Das a expliqué, "Contrairement à un élastique, si vous étirez des tissus humains ou animaux puis les relâchez, le tissu ne reprend pas immédiatement sa forme d'origine. Une partie de l'énergie dépensée pour le tirer est dissipée et perdue. Nos tissus sont bons pour dissiper l'énergie - lorsqu'ils sont tirés et poussés, ils dissipent beaucoup d'énergie sans faillir. Ce comportement a été connu et compris au niveau des tissus et attribué soit au glissement des nanofibrilles, soit à la substance hydrophile semblable à un gel entre les fibrilles de collagène. Les fibrilles de collagène individuelles n'ont pas été considérées comme des contributeurs majeurs au comportement viscoélastique global. Mais maintenant, nous avons montré que les mécanismes tissulaires dissipatifs sont actifs même à l'échelle d'une seule fibrille de collagène."
De gauche à droite :Julia Liu et Debashish Das. Au dos :Ioannis Chasiotis et Fan Yang. Crédit :Université de l'Illinois au département d'ingénierie aérospatiale d'Urbana-Champaign
Une découverte très intéressante et inattendue de l'étude est que les fibrilles de collagène peuvent devenir plus fortes et plus dures lorsqu'elles sont étirées à plusieurs reprises et laissées se détendre.
"Si nous étirons et assouplissons à plusieurs reprises une structure d'ingénierie commune, il est plus susceptible de s'affaiblir en raison de la fatigue, " a déclaré le professeur Ioannis Chasiotis de l'U of I. " Bien que nos tissus corporels ne subissent pas le niveau de stress que nous avons appliqué aux fibrilles de collagène individuelles dans nos expériences de laboratoire, nous avons constaté qu'après avoir franchi une contrainte seuil dans nos expériences de chargement cyclique, il y avait une nette augmentation de la force des fibrilles, jusqu'à 70 pour cent."
Das a déclaré que les fibrilles de collagène elles-mêmes contribuent de manière significative à la dissipation d'énergie et à la ténacité observées dans les tissus.
"Ce que nous avons découvert, c'est que les fibrilles de collagène individuelles sont des structures biopolymères hautement dissipatives. À partir de cette étude, nous savons maintenant que notre corps dissipe de l'énergie à tous les niveaux, jusqu'aux plus petits blocs de construction. Et les propriétés telles que la résistance et la ténacité ne sont pas statiques, ils peuvent augmenter au fur et à mesure de l'exercice des fibrilles de collagène, " a dit Das.
Quelle est la prochaine étape ? Das a dit avec cette nouvelle compréhension des propriétés des fibrilles de collagène simples, les scientifiques pourraient être en mesure de concevoir de meilleurs réseaux de biopolymères synthétiques dissipatifs pour la cicatrisation des plaies et la croissance des tissus, par exemple, qui serait à la fois biocompatible et biodégradable.
L'étude "Dissipation d'énergie dans les fibrilles de collagène de mammifères :amortissement induit par les contraintes cycliques, durcissement, et le renforcement, " a été co-écrit par Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, et Ioannis Chasiotis. Il est publié dans Acta Biomaterialia .
