分子动力学模拟揭示天然胶原纤维内部张力
软凝聚态物质
2026-05-08 v3 材料科学
摘要
胶原纤维是众多生物组织的构筑基块，其功能性依赖于纤维特性。胶原纤维特性的改变是许多疾病表现的核心原因，而再现生理/天然特性则是组织工程的必然要求。然而，胶原纤维的自组装过程、结构及其特性仍不为人所了解。其主要原因之一是纤维对环境条件的极端敏感性，尤其是水合作用，仅有松散的实验测量。此外，力学是自组装过程的内在组成部分；细胞施加的力或渗透压可能导致胶原纤维在生理条件下产生内部应力。本文我们通过对胶原微纤维模型的分子动力学模拟来探讨胶原纤维内部应力。我们的模拟揭示了胶原纤维内部应力随水合度的定量演变。我们确定胶原纤维的天然水合度为0.78 g/g（基于无横向应力的判据），并推导出胶原纤维在生理条件下的纵向内部应力定量估计为210 MPa。我们发现，纤维背骨的过伸是导致纵向内部应力的主要原因，而非部分水合，这似乎反映了驱动胶原自组装的局部力。我们还展示了内部纵向应力对胶原纤维力学特性的影响，其缺失可使Young模量降低超过20%。总体而言，我们的发现为理解胶原纤维的天然结构与特性提供了洞见。更确切地说，胶原纤维似乎是通过一种非平衡过程组装而成，这对于合成可行组织至关重要。
引用
@article{arxiv.2511.14261,
title = {Molecular dynamics simulations reveal internal tension in native state collagen fibrils},
author = {Konstantinos Steiakakis and Alan Pichard and Maxime Vassaux},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.14261},
year = {2026}
}