Science：新研究揭示肌腱为何像钢丝绳一样结实

在一项新的研究中，来自马克斯-普朗克胶体与界面研究所的研究人员发现了胶原蛋白（collagen）的新特性：在矿物在胶原纤维（collagen fiber）中的嵌入期间，会产生一种比肌肉强度强数百倍的收缩张力。相关研究结果发表在2022年4月8日的Science期刊上，论文标题为“Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils”。

论文共同通讯作者、马克斯-普朗克胶体与界面研究所主任Peter Fratzl教授说，“这种有机纤维组织矿化的普遍机制可能适用于技术上的杂化材料，例如，在那里实现高断裂强度。”

作为形成纤维的结构蛋白，胶原蛋白存在于肌腱、皮肤和骨骼以及其他地方。骨骼的强度是基于柔软的有机胶原纤维和嵌入其中的坚硬的结晶矿物颗粒的结构相互作用，因此是一种杂化材料（hybrid material）。胶原蛋白给了矿物颗粒一个积极的预应力（pre-stress）。

土木工程师在预应力混凝土中借助高强度钢使用类似的机制，从而产生抗裂结构构件。论文共同通讯作者、马克斯-普朗克胶体与界面研究所团队领导Wolfgang Wagermaier博士说，“从医学或生物学的角度来看，了解在骨骼的矿化过程中发生了什么也很有趣。”他补充说，“许多骨骼疾病都与骨骼中矿物含量的变化有关，从而改变了特性。”

在电镜下，与(骨矿物质)磷酸钙矿化后的胶原纤维束。图片来自Max Planck Institute of Colloids and Interfaces。

这些作者发现，将不同的矿物人为地掺入胶原纤维，会导致这些纤维缩短，其应力可达每平方厘米100公斤。这相当于肌肉强度的一百倍左右。在矿化过程中，在柏林阿德勒斯霍夫的BESSY II同步加速器上用X射线衍射法观察到胶原蛋白结构的相关变化。胶原纤维的这种收缩显然是在矿物掺入胶原蛋白的过程中发生的，使矿物处于巨大的压力之下，从而增加了复合材料的断裂强度。

这篇论文不仅表明胶原蛋白的这种特殊性质有助于骨骼等矿化组织的强度，而且还概述了一个可以应用于具有出色机械性能的工程混合材料的概念。与此同时，这些研究发现有助于更好地理解组织矿化过程中的生物过程以及矿化程度对宏观材料特性的影响。

参考资料：

Hang Ping et al. Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm2664.