Summary
A limited glide of overlapping subunits of collagen fibres under stretching forces represents a characteristic feature of the system. The viscoelastic behaviour of human and animal tendon collagen is described simultaneously by mechanical, morphological and X-ray data and correlated with the structural principle of the fibres.
The existence of gliding subunits is proven by retardation- and relaxation-experiments in combination with short-time-x-ray-measurements by synchrotron-radiation. This behaviour may explain the damping properties of tendons. The retractive force of deformed helical and nonhelical molecular chains is generally thought to be responsible for the elasticity of the system.
Length-increase of tendons during growth may be also correlated with the gliding processes.
The so called conditioning-effect is due to an improved arrangement of possible reacting groups by cyclic stretch which can be well demonstrated on low ordered samples and is therefore greater in the case of juvenile specimens than in older ones.
A quick first stretch causes greater molecular deformations than further stretches of the same strength, and may lead to disordered domains in the structure.
A mathematical model for the simulation of the mechanical properties is given and was used for the calculation of some examples.
Zusammenfassung
Eine unter Zugbelastung begrenzte Parallelverschieblichkeit sich überlappender Untereinheiten (Fibrillen und Subfibrillen) wird als ein wesentliches Merkmal des Ordnungsprinzips kollagener Fasern angegeben.
Das viskoelastische Verhalten von menschlichem und tierischem Sehnenkollagen wird anhand kombinierter mechanischer, röntgenographischer und morphologischer Meßdaten beschrieben und mit dem Ordnungsprinzip der Fasern korreliert.
Das Vorliegen parallel verschieblicher Untereinheiten wird durch Retardations- und Relaxationsversuche in Kombination mit Kurzzeitbeugungsmessungen unter Einsatz der Synchrotronstrahlung bewiesen und mit der dämpfenden Eigenschaft der Sehnenfasern in Zusammenhang gebracht.
Für die elastische Eigenschaft der Sehnenfasern wird die Rückstellkraft deformierter helikaler und nichthelikaler Molekülketten verantwortlich gemacht.
Das Längenwachstum von Sehnenfasern wird mit dem Gleitvermögen von Untereinheiten korreliert.
Der auf eine Verbesserung der Zueinanderausrichtung potentieller Bindungspartner beruhende Konditionierungseffekt einer zyklischen Faserbelastung ist an weniger gut formierten Einheiten besonders auffällig und entsprechend an jugendlichen Sehnenfasern größer als an alten.
Die stoßartige Belastung einer Sehnenfaser aus der Ruhephase führt zu größeren molekularen Deformationen als nachfolgende gleichhohe Belastungen und kann fibrilläre Gefügestörungen hervorrufen.
Es wird eine Modellkonstruktion zur Simulation mechanischer Eigenschaften von Kollagen beschrieben und für einige Beispiele durchgerechnet.
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Frau B. Noetzel und Frau U. Pretzsch danken wir für ihre Mitarbeit, Frau K. Bienert für die Ausführung photographischer Arbeiten. Mit Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Ne 102/10) und das Bundesministerium für Forschung und Technologie.
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Nemetschek, T., Riedl, H., Jonak, R. et al. Die Viskoelastizität parallelsträngigen Bindegewebes und ihre Bedeutung für die Funktion. Virchows Arch. A Path. Anat. and Histol. 386, 125–151 (1980). https://doi.org/10.1007/BF00427226
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