피브릴

Fibril
피질 및 큐티클 모발의 계층 구조로 섬유소를 정의하는 척도를 강조합니다.

섬유화(라틴 섬유에서[1] 유래)는 거의 모든 생물에서 발견되는 구조적인 생물학적 물질이다.섬유나 필라멘트와 혼동하지 않도록 섬유는 10~100나노미터의 직경을 갖는 경향이 있습니다(여기서 섬유는 마이크로에서 밀리스케일 구조이며 필라멘트의 직경은 약 10~50나노미터입니다).섬유는 일반적으로 단독으로 발견되는 것이 아니라 생물학적 시스템에서 일반적으로 발견되는 더 큰 계층 구조의 일부입니다.생물학적 시스템에서의 섬유화의 보급으로 인해, 그들의 연구는 미생물학, 생체역학, 재료 과학 분야에서 매우 중요하다.

구조 및 기계

섬유릴은 선형 생체고분자로 구성되며 길이 대 지름 비율이 높은 막대 모양의 구조를 특징으로 한다.그들은 종종 자발적으로 나선 구조로 배열된다.생체역학 문제에서 섬유소는 나노미터 눈금으로 단면적이 대략 원형인 고전적인 빔으로 특징지을 수 있습니다.이와 같이 간단한 빔 굽힘 방정식을 적용하여 초저부하 조건에서 섬유소의 휨 강도를 계산할 수 있다.대부분의 생체 고분자와 마찬가지로 섬유소의 응력-변형 관계는 선형 탄성 [2]영역 앞에 특징적인 토힐 영역을 나타내는 경향이 있다.생체 고분자와 달리 섬유소는 균질 재료처럼 동작하지 않는다. 왜냐하면 항복 강도가 부피에 따라 달라져 구조적 [3]의존성을 나타내기 때문이다.수화 작용은 섬유질 재료의 기계적 특성에 현저한 영향을 미치는 것으로 나타났다.물의 존재는 콜라겐 섬유소의 강성을 감소시키고 스트레스 완화 및 [4]강도를 증가시키는 것으로 나타났다.생물학적 관점에서 수분 함량은 섬유 구조 강화 메커니즘으로 작용하여 높은 에너지 흡수 및 더 큰 변형 능력을 가능하게 합니다.

섬유화 기계적 강화 특성은 분자 수준에서 비롯된다.섬유에 분포하는 힘은 섬유에 의해 전달되는 인장 하중과 다른 섬유 분자와의 상호작용으로 인한 전단력입니다.결과적으로 개별 콜라겐 분자의 파괴 강도는 분자 간의 공유 화학에 의해 제어됩니다.두 콜라겐 분자 사이의 전단 강도는 약한 분산 및 수소 결합 상호작용과 일부 분자 공유 가교로 제어됩니다.시스템의 슬립은 이러한 분자간 결합이 상호작용 [5]강도보다 더 큰 응력에 직면할 때 발생합니다.분자간 결합이 끊어진다고 해서 즉시 기능 상실로 이어지는 것은 아닙니다.반면, 물질에 의해 전체적으로 느끼는 응력을 낮추고, 골절을 견딜 수 있도록 하는 에너지 소산에서 필수적인 역할을 합니다.이러한 결합, 종종 수소 결합과 분산성 반데르발스 상호작용은 네트워크의 스트레스를 줄이기 위해 존재하는 "희생적" 결합으로 작용합니다.분자 공유 가교 또한 섬유 네트워크 형성에 중요한 역할을 한다.가교분자는 강한 구조로 이어질 수 있지만, 생체고분자 네트워크에서 너무 많은 가교분자는 네트워크가 에너지를 방출할 수 없기 때문에 파괴될 가능성이 높아지며, 그 결과 물질은 강하지만 강하지는 않습니다.이는 탈수 또는 노화된 콜라겐에서 관찰되며, 나이가 들수록 인체 조직이 더 약해지는[6] 이유를 설명합니다.

서로 다른 원점을 가진 섬유 간의 구조 차이는 일반적으로 X선 [2]회절에 의해 결정됩니다.주사전자현미경(SEM)은 콜라겐의 특징적인 67nm 밴드 등 보다 큰 섬유종의 특정 세부사항을 관찰하기 위해 사용할 수 있지만 종종 전체 구조를 결정하기에는 충분히 미세하지 않다.

생체 재료의 기계적 특성에 대한 기여

자연 재료는 다중 길이 [7]척도에 걸친 섬유소의 계층 구조 때문에 일반적으로 상반되는 기계적 특성(연성 및 인성)의 조합을 보여준다.이러한 섬유는 종종 단방향으로 배향되어 결과적으로 발생하는 생체 [8]복합 재료에서 이방성 기계적 반응을 일으킨다.이는 대부분의 재료가 단방향으로 응력을 견디기 때문에 가장 큰 장점이며, 따라서 적용되는 응력 방향의 항복 및 파괴 응력이 높아지면 재료의 구조적 무결성이 보장됩니다.매크로, 마이크로 및 나노 섬유는 재료가 일련의 파괴 저항 메커니즘을 통해 파괴에 저항할 수 있도록 합니다.

  1. 피브릴라 슬라이딩 또는 하중을 가할 때 전단하는 공정으로 소성 가능
  2. 균열 영역을 가로지르는 섬유 브리징
  3. 응력 집중이 추가적인 전파와 최종적인 기능 [7]상실로 이어질 수 있는 균열 선단에서의 균열 편향.

이러한 메커니즘은 함께 작동하여 파괴에 저항하며, 이러한 재료들이 수백만 사이클의 부하를 고장 없이 견딜 수 있도록 합니다. 이는 이동 생물에게 필수적인 것입니다.생체 고분자의 또 다른 기계적 장점은 보다 준거한 매트릭스 재료에 강한 섬유질 구조가 존재하기 때문에 변형되는 능력입니다.계면 매트릭스의 양호한 변형성은 변형 [8]중 구성 요소의 방향 전환을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 한다.


주요 기사:섬유 발생

섬유신생은 결합조직의 콜라겐 섬유에서 흔히 볼 수 있는 미세섬유의 팽창이다.섬유 세동 발생의 확실한 메커니즘은 아직 알려지지 않았지만, 기초 연구에서 비롯된 많은 가설은 많은 가능한 메커니즘을 발견하는 데 도움을 준다.초기 실험에서 콜라겐 I은 조직으로부터 증류되어 용액을 조절하는 섬유로 재조합될 수 있었다.이후의 연구는 콜라겐 모노머의 결합 부위의 구성과 구조를 이해하는 데 도움이 됩니다.콜라겐은 용해성 전구물질인 프로콜라겐으로 합성되어 콜라겐 자가조립을 지원한다.콜라겐 섬유는 약 50개의 결합 성분을 체내에 가지고 있기 때문에 체내에서 섬유 세동 발생을 발생시키기 위한 명확한 요구 사항은 여전히 [9]수수께끼이다.

산성 용액이나 식염수로 콜라겐을 조직에서 추출하여 온도 또는 pH [10]값을 변경하여 섬유로 재배열할 수 있습니다.실험에서 콜라겐 단량체 사이의 흡인력이 [11]재배열을 돕는다는 것을 발견했습니다.콜라겐은 콜라겐의 자기 중합을 식별하는 합성 반응의 전구물질인 프로콜라겐으로 작용합니다.

자연스러운 과정

자연에는 화학조성은 비슷하지만 결정구조는 다른 30개 이상의 콜라겐이 있다.지금까지 콜라겐I와 II가 가장 풍부합니다.체외에서 섬유소를 형성하고, 피브로넥틴, 피브로넥틴 결합, 콜라겐 결합 인테그린 및 콜라겐 V는 콜라겐 I 형성에 필수적이며, 콜라겐 XI는 콜라겐 II 형성에 필수적입니다.따라서 세포 메커니즘은 단백질 자가 조립 과정에서 중요한 역할을 합니다.

동물에서

콜라겐

주요 기사 : 콜라겐
콜라겐 I 섬유 구조

콜라겐은 동물의 [12]많은 결합 조직에서 세포 외부의 주요 구조 단백질이다.결합조직의 주요 성분으로 포유동물 중 단백질 중 가장 많은 양을 가지고 있으며, 체내 전체 단백질 함량의 25~35%를 차지하고 있다.

콜라겐의 섬유는 크림프 구조로 채워져 있습니다.힘줄과 같은 콜라겐의 응력/변형 곡선은 여러 영역으로 세분될 수 있습니다.작은 균주의 영역인 "토우" 영역은 광현미경으로 볼 수 있는 콜라겐 섬유에서 거시적인 압착을 제거하는 것과 일치합니다.큰 변종인 "힐"과 "선형" 영역에서는 더 이상의 구조적 변화가 보이지 않습니다.

트로포콜라겐은 세 개의 좌측 폴리펩타이드 사슬(빨간색, 녹색, 파란색)이 서로 감겨 오른손 3중 나선을 형성하는 분자 성분 섬유입니다.

액틴과 미오신

근육은 악틴 섬유와 상호작용하는 미오신의 조종 가능한 미끄러짐/잡힘을 통해 수축하고 늘어납니다.액틴은 나선형의 두 개의 폴리펩타이드로 구성되며 미오신은 작은 하트 모양의 교량 구조를 가지고 있다.액틴 필라멘트에 부착되는 교차교 결합 및 결합 해제 과정은 이러한 콜라겐과 전체 근육의 상대적인 움직임을 돕는다.

엘라스틴과 케라틴

엘라스틴은 피부, 혈관, 폐 조직과 같은 다양한 연조직에서 흔한 섬유성 단백질이다.각 단량체는 서로 연결되어 3D 네트워크를 형성하며 변형 [13]전에 200% 이상의 변형률을 견딜 수 있습니다.

케라틴은 주로 머리카락, 손톱, 발굽, 뿔,[14] 가시나무에서 발견되는 구조 단백질이다.기본적으로 케라틴은 폴리펩타이드 사슬에 의해 형성되며, 폴리펩타이드 사슬은 유황 가교로 α-헬리스를 형성하거나 수소 결합으로 연결된 β-시트로 결합한다.β-케라틴은 α-케라틴보다 강하며 조류와 파충류에서 더 흔하다.

탄성 및 거미줄

Relastomerin은 α-헬리체와 β-시트의 구조로 [15]구성된 탄성 곤충 단백질이다.그것은 자연에서 가장 탄력적인 단백질 중 하나입니다.0.6까지 강성이 낮습니다.MPa는 에너지 회복률이 98%에 달하며 날벌레의 날개나 벼룩의 점프를 효율적으로 돕는다.

거미줄 섬유는 강도를 담당하는 단단한 결정화된 β-시트의 구조와 주변의 비정질 매트릭스로 구성되어 있어 인성 및 신장 능력을 [16]향상시킨다.다른 천연 섬유에 비해 각각 밀도가 낮은 인장 강도 및 연성이 유난히 높습니다.그것의 특징은 용도에 따라 거미 종류마다 다르다.

식물 내

셀룰로오스

주요 기사:셀룰로오스
섬유소로 감기기 전 셀룰로오스 공간 채우기 모델

1차 세포벽은 셀룰로오스 분자 또는 수소 [17]결합에 의해 안정화 된 포도당 잔류물의 긴 사슬에서 주목할 만한 인장 강도를 도출합니다.셀룰로오스 사슬은 겹치는 병렬 배열로 정렬되며, 유사한 극성이 셀룰로오스 마이크로 파이브릴을 형성하는 것으로 관찰된다.식물에서, 이러한 셀룰로오스 미세 섬유는 공식적으로 라멜라라고 알려진 층으로 배열되고, 세포벽에서 표면에 의해 긴 가교 글리칸 분자로 안정화됩니다.글리칸 분자는 식물 기반 셀룰로오스가 스스로 구성할 수 있는 잠재적 네트워크의 복잡성을 증가시킵니다.1차 세포벽에서 셀룰로오스 미세섬유와 상보적인 글리칸 네트워크 모두에 동일한 확장을 하는 펙틴은 음전하를 띤 갈락투론산 [17]단위를 많이 포함하는 다당류이다.또한 셀룰로오스 미세섬유도 제어세포 확장을 통해 식물의 형상에 기여한다.세포벽에서 미세섬유의 입체배치는 궁극적으로 세포의 성장과 팽창으로 이어지는 팽압 시스템을 만든다.셀룰로오스 미세섬유는 플라즈마막의 [17]세포외 표면에 위치한 셀룰로오스 합성효소 효소에 의해 조립되는 독특한 매트릭스 고분자이다.이 식물은 셀룰로오스 미세섬유가 피질 배열의 미세소관 위에 배치되는 메커니즘에 의해 "미세섬유의 방향을 제어함으로써" 미래의 형태학을 예측할 수 있다고 믿어진다.

아밀로스

주요 기사:아밀로스

주어진 아밀로스 시료를 교반하면 모액에서 침전되는 섬유질 결정이 형성된다고 한다.이러한 긴 섬유는 쉬쉬-케밥과 [citation needed]유사한 가로 줄무늬를 드러내는 전자 현미경을 사용하여 촬영할 수 있습니다.아밀로스 섬유는 두 가지 형태 중 하나를 가지는 것으로 분류된다: 작은 막대 모양의 섬유와 라스 모양의 결정을 가진 다른 것.

나무

나무의 섬유질 구조는 광물과 물을 운반하는 통로를 소유하는 목재의 기계적 안정성과 능력 모두에 중요한 역할을 한다고 한다.특히 가문비나무(Picea abies)는 규격화된 직경 2.5nm의 셀룰로오스 섬유를 가지고 있는 것으로 보고되었다.또한 나무의 나이와 세로 방향에 대한 섬유소의 나선 각도 사이에는 보고된 연관성이 있다.얼리우드는 안정각이 4.6±0.6°인 반면, 얼리우드는 4.6°에서 19.8±0.7°[18]까지의 전이 영역이 있다고 한다.늦나무에서 셀룰로오스 섬유소의 두 나선형 각도 영역은 연속적이지 않으며, 이는 "고령" 나무에는 서로 다른 기계적 요건을 충족하는 두 개의 독립적인 기관 구조가 있음을 의미한다.또한 세로 방향 섬유는 인장 강도를 향상시키며, 후목 기관 전용인 20° 기울어진 섬유소의 추가는 [18]압축에 대한 안정성을 제공한다.

생체모방 및 섬유

셀프 클리닝 특성

도마뱀붙이 발가락 패드의 강한 접착성, 쉬운 탈착성, 자기세척성을 모방하기 위해 섬유질계 접착제를 만들 수 있다.이러한 성능 특성은 세태라고 불리는 백만 개의 미세 섬유로 구성된 기본 계층 구조에서 비롯되며, 세태라고 불리는 수십억 개의 나노 크기의 가지들로 더 구성되어 있습니다.

이 현상을 모방하려면 네 가지 설계 [19]단계가 필요합니다.

  1. 수직으로 정렬된 마이크로/나노 섬유 어레이 제작
  2. 다양한 팁 모양 만들기
  3. 이방성 지오메트리 포함
  4. 계층 구조 구축.

성숙한 골격 매트릭스

성숙한 골매트릭스를 모방하기 위해 자기조립형 섬유섬유를 사용하여 주어진 미네랄매트릭스를 정렬할 수 있다.이것은 소수성 알킬 꼬리와 친수성 올리고펩티드 헤드를 가진 자가 조립 분자를 사용하여 달성된다.이들 분자는 제자리 미셀 구조를 형성하고 낮은 pH로 디술피드 브릿지를 형성하여 200 kDa 고분자 나노섬유의 [citation needed]형성 및 결정화를 이끈다.미네랄 매트릭스는 궁극적으로 포스포세린 잔기를 통해 합성 섬유소와 상호작용하여 미네랄 핵 생성 및 성장을 일으킨다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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