El colágeno es el bloque de construcción fundamental de los músculos, tejidos, tendones y ligamentos en mamíferos. También es muy utilizado en cirugía estética y reconstructiva. Aunque los científicos tienen un buen conocimiento sobre cómo se comporta a nivel de tejido, Algunas propiedades mecánicas clave del colágeno a nanoescala aún son esquivas. Un estudio experimental reciente realizado por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Universidad de Washington, y la Universidad de Columbia sobre fibrillas de colágeno a nanoescala informaron sobre, previamente imprevisto, razones por las que el colágeno es un material tan resistente.

Debido a que una fibrilla de colágeno tiene aproximadamente una millonésima parte del tamaño de la sección transversal de un cabello humano, estudiarlo requiere un equipo igualmente pequeño. El grupo del Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la U de I diseñó dispositivos diminutos, sistemas microelectromecánicos, de tamaño inferior a un milímetro, para probar las fibrillas de colágeno.

"Usando dispositivos de tipo MEMS para sujetar las fibrillas de colágeno bajo un microscopio óptico de gran aumento, estiramos fibrillas individuales para aprender cómo se deforman y el punto en el que se rompen, "dijo Debashish Das, un becario postdoctoral en Illinois que trabajó en el proyecto. "También estiramos y soltamos repetidamente las fibrillas para medir sus propiedades elásticas e inelásticas y cómo responden a las cargas repetidas".

Das explicó, "A diferencia de una goma elástica, si estira tejido humano o animal y luego lo suelta, el tejido no vuelve inmediatamente a su forma original. Parte de la energía gastada en tirar de él se disipa y se pierde. Nuestros tejidos son buenos para disipar energía, cuando se jalan y empujan, disipan mucha energía sin fallar. Este comportamiento ha sido conocido y comprendido a nivel de tejido y atribuido al deslizamiento nanofibrilar o a la sustancia hidrófila similar a un gel entre las fibrillas de colágeno. Las fibrillas de colágeno individuales no se consideraron como contribuyentes principales al comportamiento viscoelástico general. Pero ahora hemos demostrado que los mecanismos disipativos del tejido están activos incluso a la escala de una sola fibrilla de colágeno ".

Un hallazgo muy interesante e inesperado del estudio es que las fibrillas de colágeno pueden volverse más fuertes y resistentes cuando se estiran repetidamente y se dejan relajar.

"Si estiramos y relajamos repetidamente una estructura de ingeniería común, es más probable que se debilite debido a la fatiga, ", dijo el profesor de la U de I, Ioannis Chasiotis." Si bien los tejidos de nuestro cuerpo no experimentan ni de lejos la cantidad de estrés que aplicamos a las fibrillas de colágeno individuales en nuestros experimentos de laboratorio, Descubrimos que después de cruzar un umbral de tensión en nuestros experimentos de carga cíclica, hubo un claro aumento en la resistencia de las fibrillas, hasta en un 70 por ciento ".

Das dijo que las propias fibrillas de colágeno contribuyen significativamente a la disipación de energía y la dureza observada en los tejidos.

"Lo que encontramos es que las fibrillas de colágeno individuales son estructuras biopoliméricas altamente disipadoras. De este estudio, ahora sabemos que nuestro cuerpo disipa energía a todos los niveles, hasta los bloques de construcción más pequeños. Y propiedades como resistencia y tenacidad no son estáticas, pueden aumentar a medida que se ejercitan las fibrillas de colágeno, "Dijo Das.

Cual es el siguiente paso? Das dijo que con esta nueva comprensión de las propiedades de las fibrillas de colágeno individuales, los científicos pueden diseñar mejores redes de biopolímeros sintéticos disipativos para la cicatrización de heridas y el crecimiento de tejidos, por ejemplo, que sería tanto biocompatible como biodegradable.

El estudio "Disipación de energía en fibrillas de colágeno de mamíferos:amortiguación cíclica inducida por deformación, endurecimiento y fortalecimiento, "fue coautor de Julia Liu, Debashish Das, Fan Yang, Andrea G. Schwartz, Guy M. Genin, Stavros Thomopoulos, y Ioannis Chasiotis. Se publica en Acta Biomaterialia .