Nanomechanics of UV irradiated collagen fibrills
Biomaterials
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Kollagen ist ein Strukturprotein, das auch in zahlreichen technischen Anwendungsgebieten eingesetzt wird. Ein wichtiges Beispiel ist das Tissue-Engineering. Da die mechanischen Eigenschaften der Kollagenmatrix das Adhäsions-Verhalten von biologischen Zellen beeinflussen können ist es wichtig, die Mechanik einzelner Kollagenfasern besser zu verstehen und mechanische Eigenschaften beispielsweise durch Quervernetzung anpassen zu können. Die Quervernetzung durch die Bestrahlung mit UV-Licht ist hierbei von besonderem Interesse, da die Belichtung gut zeitlich und räumlich (Maskentechnik) gesteuert werden kann. Im Rahmen des Projektes wurde deshalb der Einfluss von UV-Licht auf die mechanischen und strukturellen Eigenschaften von Kollagenfibrillen und -hydrogelen untersucht. Dabei sollte insbesondere untersucht werden, welche Auswirkung die Bestrahlung mit UVA, UVB, oder UVC-Licht auf die Elastizität der Kollagenfasern hat. Als wichtige Prozessparameter wurden dabei auch die Temperatur und die Ionenkonzentration der Pufferlösung berücksichtigt. Nanoindentations- und Biegeversuche mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops zeigten, dass die UV-Bestrahlung von Kollagen in deionisiertem Wasser zu einer Verringerung von Indentations- und Zugmodul führen. In phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) konnte dagegen bei kurzer Bestrahlungsdauer eine Erhöhung der elastischen Module gemessen werden, d.h. die Fasern wurden steifer. Mit Hilfe von UVC-Bestrahlung von Kollagen in PBS konnte der elastische Modul von Kollagen um den Faktor zwei erhöht werden. Eine lange Bestrahlung führte dann ebenfalls zu destabilisierenden Effekten. Auch die Raman-spektroskopische-Messungen zeigen, dass UV-Bestrahlung sowohl stabilisierende als auch destabilisierende Wirkung haben kann, da je nach Versuchsbedingungen die Signalintensität für die Peptidbindung zu bzw. abnimmt. Die Struktur der Tripelhelix wurde durch die Behandlung dagegen nicht verändert. Bemerkenswert war an den Ergebnissen, dass die Anwesenheit von Ionen für eine UV-induzierte Stabilisierung des Kollagens erforderlich war. Zeitlich aufgelöste Messungen zeigten zudem, dass die mechanische Stabilisierung möglicherweise in zwei Schritten stattfindet. Dies eröffnet die Möglichkeit darüber zu spekulieren, ob es zwei verschiedene Photoreaktionen gibt, die zur UV-induzierten Stabilisierung des Kollagens beitragen. Im Rahmen dieses Projektes ließ sich die Frage nach der Ursache für die beobachtete Schwankung der molekularen Steifigkeit allerdings nicht klären. Erste Experimente mit Zellkulturen auf mit UV-Licht bestrahlten Kollagenhydrogelen zeigen eine gewisse Präferenz der Zellen für die photomodifizierten Bereiche des Hydrogels. Die Zellproliferation war in den modifizierten Bereichen höher als in den unmodifizierten Bereichen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich die Steifigkeit von Kollagenfasern in gewissen Grenzen durch gezielte UV-Bestrahlung verändern lässt. Im Detail hängt die Stärke des Effekts aber stark von der Bestrahlungsdauer und -intensität, von der Temperatur und besonders von den Ionen im Elektrolyten ab. Kollagen, das auf diese Weise modifiziert weist als Zellsubstrat verbesserte Eigenschaften auf, sodass dieser Ansatz auch in technischen Anwendungen relevant sein kann.
Publications
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Atomic force microscopy measurements probing the mechanical properties of single collagen fibrils under the influence of UV light in situ. J. Mech. Behav. Biomed. 2018; 88:415-21
Schulze M, Rogge M, Stark RW
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Impact of the exposure to ultraviolet light on the nanomechanical properties of collagen probed by atomic force microscopy and Raman spectroscopy, Dissertation TU Darmstadt, 2019
Schulze M
