Hoe beschermen collageennetwerken biologische weefsels tegen schade?

Collageennetwerken verstijven sterk wanneer er een mechanische kracht op inwerkt en voorkomen zo overmatige vervorming van het weefsel. Het nieuwe model verklaart dit verstijvingsgedrag onder belasting, door collageenmatrices te modelleren als netwerken van elastische balkjes die onderling verbonden zijn. Door de mechanische belasting worden deze netwerken uitgerekt en komen ze strak te staan, waardoor het netwerk als geheel verstijft. Het nieuwe model geeft een kwantitatief raamwerk voor het voorspellen van de mechanica van weefsels, en geeft richting aan het ontwerpen van nieuwe synthetische materialen die de unieke mechanica van weefsels nabootsen. Het werk is uitgevoerd in nauwe samenwerking met de MacKintosh-groep van de Vrije Universiteit Amsterdam.

Mechanische stabilisatie van weefsels door collageen
Alle bindweefsels in het menselijk lichaam, van huid en kraakbeen tot pezen en zelfs botten, danken hun mechanische sterkte aan vezelnetwerken die van collageen gemaakt zijn. Dat collageennetwerken sterk verstijven onder mechanische belasting is al tientallen jaren bekend en met experimenten vastgesteld. Deze verstijving bij belasting voorkomt weefselschade door grote vervormingen te blokkeren. De groepen van Koenderink en MacKintosh hebben hun krachten gebundeld om deze mechanische stabilisatie te verklaren vanuit de karakteristieke vezelarchitectuur van collageennetwerken. De MacKintosh-groep kwam met een theoretisch model dat de collageenvezels als elastische balkjes modelleert die gekenmerkt worden door een weerstand tegen rekken en buigen. Het model voorspelt dat zulke netwerken makkelijk vervormen onder kleine mechanische belasting, omdat de balkjes makkelijk kunnen buigen. Bij grote belastingen vindt een heroriëntatie van de vezels plaats en worden ze rechter, waardoor een overgang van een flexibele naar een rigide toestand plaatsvindt.

Visnet
Een analogie hiervan is de rigiditeit van een visnet dat volledig flexibel is in ontspannen toestand, maar verstijft wanneer het opgetrokken wordt. Het grootste verschil tussen collageennetwerken en visnetten is dat collageenvezels stijver zijn dan de draden in een visnet, zodat het netwerk zelfs bij kleine vervormingen al gestabiliseerd wordt. Om het model te toetsen heeft de Koenderink-groep in het lab netwerken van gezuiverd collageen gevormd en de mechanische weerstand van deze netwerken gemeten, terwijl ze vervormd werden in een reometer. Uit de experimenten bleek dat het nieuwe model de stijfheid van collageennetwerken heel nauwkeurig kan voorspellen voor vervormingen die uiteenlopen van minimaal tot het breekpunt.

AMOLF-groepsleider Gijsje Koenderink: "Deze combinatie van theorie en experiment toont voor het eerst op overtuigende wijze de onderliggende werking van de mechanica van collageennetwerken aan."

Verrassende analogie met magneten
Verrassend genoeg vertoont het fysische principe dat verantwoordelijk is voor de reactie van collageennetwerken veel overeenkomsten met modellen voor de ferromagnetische faseovergang in magneten. Analoog aan magneten, kan verstijving onder belasting gezien worden als een faseovergang met een karakteristiek kritisch punt dat overeenkomt met de belasting waarbij de collageenvezels allemaal beginnen te rekken in plaats van te buigen. Omdat dit een algemeen mechanisme is dat niet afhangt van de chemische samenstelling van collageen, biedt dit een nieuwe manier om synthetische vezelmaterialen te ontwerpen met collageenachtige eigenschappen. Dergelijke materialen zouden toegepast kunnen worden als kunstmatige weefsels om beschadigde of verloren gegane weefsels te repareren.

Referentie
Strain-controlled criticality governs the nonlinear mechanics of fibre networks, A. Sharma, A.J. Licup, K.A. Jansen, R. Rens, M. Sheinman, G.H. Koenderink & F.C. MacKintosh, Nature Physics (2016)
DOI: doi:10.1038/nphys3628  

Contact
Gijsje Koenderink, (020) 754 74 05.