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미네랄 침전물이 활성 프리스트레스를 통해 콜라겐 섬유에 강도 부여

우리의 힘줄을 그렇게 안정적으로 만드는 것은 무엇일까?
미네랄 침전물은 활성 프리스트레스를 통해 콜라겐 섬유에 강도를 부여한다.

모든 것이 결합돼 있다. 우리의 힘줄은 작은 미네랄 결정이 그 안에 저장되어 있을 때만 안정적이다. 실험을 통해 이것이 어떻게 작동하는지 밝혀졌다. 미네랄의 저장으로 인해 힘줄이 수축되고 평방 센티미터당 최대 100kg의 장력이 생성된다. 이 장력만이 텐던(tendon 건腱, 근육을 뼈에 부착시키는 중개역을 하고 있는 결합조직인 섬유속)에 뛰어난 기계적 특성을 부여한다. 이는 철근 콘크리트 구조의 프리스트레스 강철과 유사하다. 

▲ 무기질화 후 힘줄의 콜라겐 섬유 다발 - 무기질 과립은 힘줄에 높은 안정성을 제공한다. © Max Planck 콜로이드 및 인터페이스 연구소

근육을 뼈에 연결하고, 발바닥의 아치를 지지하며, 손가락이 움직일 수 있도록 한다. 힘줄은 우리 몸의 움직임과 안정성에 필수적이다. 그것들은 평행하게 달리는 많은 콜라겐 섬유로 구성되며, 내장된 미네랄에 의해 추가 강도가 부여된다. 이것은 홍합 껍질, 강모 벌레 또는 일부 달팽이의 이빨에 사용되는 것과 같은 유기 및 미네랄 성분으로 만든 다른 매우 안정적인 하이브리드 재료와 유사하다.

콜라겐에서 관찰되는 미네랄 침전물

최근 실험에서 밝혀진 바와 같이 우리의 힘줄에 작용하는 또 다른 효과가 있다. 연구를 위해 포츠담에 있는 막스 플랑크 콜로이드 및 인터페이스 연구소의 항 핑(Hang Ping) 팀은 미네랄이 힘줄의 콜라겐 섬유에 저장될 때 어떤 일이 일어나는지 자세히 조사했다. 광물화되지 않은 칠면조 다리 힘줄을 측정 장치에 고정하고 탄산스트론튬이 함유된 용액으로 덮어 테스트 대상으로 사용했다.

현미경 사진은 힘줄의 콜라겐에 처음 축적된 미네랄이 4시간 후에 처음으로 보이는 것으로 나타났다. 96시간 후, 콜라겐 섬유의 광물화가 완료됐다. "마이크로 CT는 힘줄의 전체 단면이 포함된 광물에 의해 침투됐음을 보여주었다"고 팀이 보고했다. 작지만 수많은 광물 결정이 이 시점에서 힘줄 재료의 최대 90%를 차지했다.

광물화는 프리스트레싱*을 유발
*프리스트레스prestress, pretension stress 물체가 외력을 받기 전부터 그 안에 가지고 있는 응력

연구원들은 광물화 과정에서 힘줄의 장력이 어떻게 변화하는지 측정 장치를 사용했을 때 중요한 사실을 발견했다. "우리가 힘줄을 미네랄 용액에 노출시킨 후 수축성 장력이 발생했다"고 Ping과 그의 동료들은 보고했다. 따라서 힘줄은 너무 많이 수축돼 제곱센티미터당 최대 100kg의 장력이 발생했다. 이는 근육 힘의 약 100배에 해당한다.

더 자세한 분석은 미네랄 과립이 콜라겐 복합체에서 물 분자를 대체하기 때문에 이러한 긴장이 발생한다는 것을 보여주었다. 이것은 힘줄의 콜라겐을 수축시키는 화학적 기계적 변화로 이어진다. 이것은 차례로 광물의 내장된 나노결정에 특히 안정적인 격자 구성을 제공하여 상세한 분석에서 밝혀진 바와 같이 하이브리드 재료의 강도를 더욱 증가시킨다.

철근콘크리트에서와 마찬가지

팀이 설명하는 것처럼 힘줄의 구성 원리는 철근 콘크리트의 구성 원리와 유사하다.
이 경우 고강도 강철을 사용해 콘크리트를 프리스트레스하여 균열에 강한 구조 요소를 생성한다. Ping과 그의 동료들은 "많은 재료, 특히 생체 재료가 효과적인 나노 규모 바이어스 전략에 의해 강화되는 것으로 알려져 있다“고 기술했다. 이제 이것이 우리 몸의 힘줄과 뼈도 마찬가지라는 것이 밝혀졌다.

이러한 발견은 재료 연구에서도 흥미로울 수 있다고 Ping의 동료 페터 프라츨(Peter Fratzl)은 "예를 들어 높은 파괴 강도를 달성하기 위해 유기 섬유 조직의 광물화에 대한 이 보편적인 메커니즘을 기술 하이브리드 재료로 전송할 수 있다"고 말했다.
(Science, 2022; doi: 10.1126/science.abm2664)
출처: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
막스 플랑크 콜로이드 및 인터페이스 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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