无序胶原网络中的应变局部化与屈服动力学

胶原是哺乳动物中最丰富的细胞外基质蛋白，也是结缔组织的主要结构和承重元素。胶原网络展现出显著的应变刚化特性，这调节着组织的机械功能并调控细胞行为。近年来，针对一系列自组装条件，利用流变学对体外无序胶原网络的线性和非线性力学性质已广泛研究。然而，在这类体系中，宏观网络失效的起始与样品内部局部变形之间的一一对应尚待建立。此处，我们利用剪切流变学和原位高分辨率边界成像，研究了未交联I型胶原体外重构网络的屈服动力学。我们发现，在非线性 regime 中，网络的微分剪切模量（$K$）最初随施加应变增加而上升，随后在网络超过临界应变（屈服应变）开始屈服时下降。利用胶体示踪粒子对局部速度分布的测量显示，在$K$峰值之后，网络与流变仪平板之间出现强烈的应变局部化和滑移，最终导致脱离。我们将该观察推广至一系列胶原浓度、施加应变斜坡速率，以及通过改变聚合温度获得的不同网络结构。此外，通过将应力-应变数据拟合连续介质仿射网络模型，我们绘制出状态图，显示了屈服应变和屈服应力对网络约化持久长度和网孔尺寸的依赖关系。我们的发现对组织工程，特别是设计高弹性生物支架具有广泛意义。