Insights into role of synergistic interplay among collagen type I, collagen type II, and water on the structure and nanomechanics of collagen fibrils in annulus fibrosus: a molecular dynamics study

纳米力学 胶原纤维 Ⅰ型胶原 分子动力学 纤维 化学 环空(植物学) 生物物理学 材料科学 原子力显微镜 纳米技术 复合材料 医学 病理 生物 生物化学 计算化学
作者
Shambo Bhattacharya,Devendra K. Dubey
出处
期刊:Molecular Simulation [Taylor & Francis]
卷期号:50 (4): 274-286
标识
DOI:10.1080/08927022.2023.2300761
摘要

Annulus Fibrosus's (AF) multi-directional load-bearing ability manifests from Nature's design wherein type I collagen (COL-I) dominates outer AF and type II collagen (COL-II) dominates inner AF with increase in proteoglycan and water concentration. This indicates a synergistic chemo-mechanical interplay among constituents, contributing towards AF's load-bearing nature. Present work investigates the interplay among COL-I, COL-II and water, and their role in AF collagen fibril nanomechanics using molecular dynamics simulations. Consequently, atomistic models of collagen microfibrils are constructed for four lamellar regions from outer to inner AF, by increasing COL-II and water concentration from 0% to 75%, and 65% to 75%. Results show an increase in local hydration around COL-II component and increase in intermolecular separation (21 Å to 23 Å), with increase in COL-II and water concentration towards inner AF. A combined increase in local hydration and intermolecular separation enhances intermolecular sliding – contributing to a reduction in tensile modulus from 2.1 to 1.6 GPa. Reduction in microfibril tensile modulus towards inner AF contributes to reduction in tensile modulus of AF lamellae towards inner AF, as reported in literature. Furthermore, increase in COL-II and water concentration shifts compressive behaviour from buckling to non-buckling dominant – enhancing collagen fibrils' mechanical stability towards inner AF.
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