[논문]The viscoelasticity and structure of keratin and collagen

Mason, P.

doi:10.1007/bf01497101

[해외논문] The viscoelasticity and structure of keratin and collagen

Kolloid-Zeitschrift & Zeitschrift für Polymere, v.202 no.2, 1965년, pp.139 - 147

Mason, P.

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SummaryViscoelastic properties of keratin and collagen fibres immersed in aqueous media have been measured at frequencies between 1 kc/s and 20 kc/s and at temperatures between 0‡ and 100 ‡C. Elastic and viscous moduli were derived from wave-propagation measurements which enabled fibres to be tested while they were held at different extensions. Wave velocities, generally of the order of 1,000 m/s, were readily obtained with an accuracy of about ±2%; the attenuation, and thus the viscous modulus component, could be determined only approximately.Keratin fibres held at less than 1% extension in water showed the small temperature- or rate-dependence typical of glassy or crystalline polymers. However, after a ‘setting’ treatment involving stretching in boiling water, the viscoelastic behaviour was characteristic of a crosslinked polymer with a high degree of crosslinking.Marked viscoelastic dispersion was also found when fibres were immersed in formic acid-water mixtures of different concentration, or when the mean extension in water was increased to 15%.Native collagen fibres in saline solution showed an elastic modulus component at 20 kc/s falling from 2×1010 to 1×1010 dyne/cm2 as the temperature increased to the shrinkage point. After shrinking, the modulus at low extensions was approximately 2×106 dyne/cm2. Measurements at room temperature indicated that the curvature of the force-extension curve arises first from extension of interfibrillar material and subsequently from alignment of fibrils; plastic extension of the fibre takes place prior to breaking but the high dynamic modulus shows that the alignment of the intact part of the structure is preserved.

Abstract

ZusammenfassungDie viskoelastischen Eigenschaften von Keratin und Kollagenfasern, die in einem wä\rigen Medium eingebettet sind, wurden bei Frequenzen zwischen 1 kHz und 20 kHz und bei Temperaturen zwischen 0 und 100 ‡C gemessen. Die elastischen und viskosen Moduln wurden aus der Wellenausbreitung abgeleitet. Die Methode erlaubt, da\ die Fasern hierbei bei verschiedenen Dehnungen gehalten sind. Die Wellengeschwindigkeit, im allgemeinen von der Ordnung von 1000 m/sec, lie\en sich leicht mit einer Genauigkeit von ±2% erhalten. Die Dämpfung, und damit die viskose Komponente des Moduls, konnte nur angenähert bestimmt werden.Keratinfasern bei weniger als 1% Dehnung zeigen im Wasser die kleine Temperatur- bzw. Geschwindigkeitsabhängigkeit, die typisch für den glasigen oder kristallinen Zustand Polymerer ist. Nach einer Vorbehandlung, die in einer Behandlung der gestreckten Probe in kochendem Wasser besteht (setting-Proze\), erwies sich das elastische Verhalten als charakteristisch für das eines vernetzten Polymeren mit einem hohen Grad an Vernetzungsbrücken.Merkliche viskoelastische Dispersion wurde auch gefunden, wenn die Fasern in Ameisensäure-Wasser-Mischungen verschiedener Konzentrationen eingetaucht waren oder wenn die mittlere Dehnung in Wasser grö\er als 15% gewählt wurde.Native Kollagenfasern in Salzlösungen zeigen eine elastische Komponente bei 20 kHz, die von 2×1010 auf 1×1010 Dyn/cm abfällt, wenn die Temperatur bis zum Schrumpfungspunkt gesteigert wird. Nach der Schrumpfung lag der Modul für kleine Dehnungen bei ungefähr 2×106 Dyn/cm2. Messungen bei Raum-temperatur zeigen, da\ der Verlauf der Kraft-Dehnungskurve zuerst von der Dehnung des interfibrillaren Materials und in zweiter Linie von der Parallelisierung der Fibrillen herrührt. Plastische Dehnungen der Fasern treten kurz vor dem Bruch auf, aber der hohe dynamische Modul zeigt, da\ die Parallelisierung durch intakte Teile der Struktur gewahrt bleibt.

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Feughelman, M. (personal communication).

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