矿化胶原纤维黏弹性的分子起源

骨是构成骨骼系统的矿化组织，支撑并保护身体器官与组织。在分子水平上，矿化胶原纤维是骨组织的基本构筑单元，因此将骨的特性理解推进至基础组织结构层面，有助于更好地识别结构失效与损伤机制。尽管已有研究基于蠕变聚焦于与骨损伤和愈合相关的微观与宏观尺度黏弹性，矿化胶原尚未在分子层面得到探索。我们报道一项研究，旨在系统探究具有不同矿化程度的胶原纤维的黏弹性。我们考察了在循环与冲击载荷下的动力学力学响应，以通过分子动力学观察由剪切或拉伸应变产生的黏弹现象。我们以若干关键基准进行了敏感性分析：纤维内矿化百分比、水合状态以及外载荷幅值。结果表明，动态模量随矿化百分比增加而增长，在低应变下尤为显著。当存在纤维内水时，材料软化其弹性分量，但显著增大其黏性，尤其在高频下。该行为在冲击载荷下的材料响应中得到确认，其中相对于脱水对应物，水在整个输入速度范围内将弛豫时间降低了一个数量级。我们发现，在瞬态载荷下，水对矿化纤维状胶原的力学具有主要影响，能够提升组织被动且有效耗散能量的能力，尤其在快速且高幅值外载荷之后。