Collagen : structure and mechanics

1 Collagen: Structure and Mechanics, an Introduction . . . . . . . . . . . . . . . 1 P. Fratzl 1.1 Collagen-Based Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 BasicMechanical Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.1 Stress and Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.2 Elastic and Viscoelastic Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.3 Stiffness, Strength and Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Mechanical Properties of Collagen-Based Tissues . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Hierarchical Structure of Collagen-Based Tissues . . . . . . . . . . . . . . . 10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 Collagen Diversity, Synthesis and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 D.J.S. Hulmes 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Fibrillar Collagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3 Non-fibrillar Collagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.1 BasementMembrane andAssociated Collagens . . . . . . . . . . 19 2.3.2 Collagen VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.3 Collagens VIII andX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.4 FACITs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.5 Other Collagens and Collagen-Like Proteins . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Collagen Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.1 Post-translationalModifications of Polypeptide Chains . . . . 23 2.4.2 Chain Association and Triple-Helix Formation. . . . . . . . . . . 26 2.4.3 Intracellular Transport and Secretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.4 Procollagen Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.5 Covalent Cross-Linking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.5 Assembly of Fibrillar Collagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5.1 Reconstitution of Fibrils In Vitro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5.2 Fibril Formation De Novo fromProcollagen. . . . . . . . . . . . . 33 2.5.3 Heterotypic Fibril Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5.4 Interactions with Proteoglycans and Other Components of the ExtracellularMatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.5.5 Cell Interactions and Long-Range Order . . . . . . . . . . . . . . . . 38 vii viii Contents 2.6 Assembly of Collagen-Like Peptides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3 Collagen Fibrillar Structure and Hierarchies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 T.J. Wess 3.1 Introduction and Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 The Fibril-Forming Collagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3 Molecular Composition of Type I Collagen-Rich Fibrillar Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4 Molecular Composition of Type II Collagen-Rich Fibrillar Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.5 CollagenMolecular Packing in Fibrils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6 Lateral Packing and Molecular Connectivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.7 Evidence of Subfibrillar Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.8 Order and Disorder in the Collagen Fibril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.9 Partition of Structure in the Collagen Fibril . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.10 Molecular Kinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.11 The Fibril Surface and Interface Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.12 Factors Involved in Fibril Growth and Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.13 Distribution of Fibril Diameter and Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.14 Suprafibrillar Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.15 Relationships with Mechanical Properties of Collagen-Rich Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 Restraining Cross-Links Responsible for the Mechanical Properties of Collagen Fibers: Natural and Artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 N.C. Avery and A.J. Bailey 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2 Enzyme Cross-Linking (Lysyl Oxidase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.1 Immature Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2.2 Mature Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.2.3 Changing Cross-Link Profiles of Different Tissues . . . . . . . 87 4.2.4 Importance of Lysine Hydroxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.2.5 Cross-Linking and Tissue Adaptation toMechanical Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.6 Determination of the Cross-Links. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2.7 Non-enzymic Cross-Linking (Glycation). . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.8 Unusual Cross-Linking Mechanisms in Native Collagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.9 Stabilization by Chemical Cross-Linking for Bioengineering Tissues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.10 Mechanisms of Some Common Chemical Cross-Link Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Contents ix 4.2.11 Location of Enzymic, Glycation and Chemical Cross-Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.12 Mechanism of Increased Denaturation Temperature by Cross-Linking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.3 Future Prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5 Damage and Fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 R.F. Ker 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2 Cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.2.1 The Griffith Crack: Material Resistance, Energy Release Rate and Stress Intensity Factor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.2.2 Tough Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.2.3 The R-Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 5.2.4 The J-Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.3 Fatigue Cracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.4 Creep and Fatigue in Tendon and Bone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.4.1 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.4.2 Time-to-Rupture as a Function of Stress . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.4.3 Cyclic Loads Compared to a Constant Load: Times-to-Rupture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5 Crack Stopping in Bone and Tendon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.5.1 Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.5.2 Tendon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.6 BiologicalAspects: Evolution, Growth andAdaptation . . . . . . . . . . 127 5.6.1 Tendons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.6.2 Bones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.3 OtherMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.4 Generalizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6 Viscoelasticity, Energy Storage and Transmission and Dissipation by ExtracellularMatrices in Vertebrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 F.H. Silver and W.J. Landis 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.1.1 Concept of Energy Storage, Transmission and Dissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 6.1.2 Molecular Basis of Energy Storage and Dissipation. . . . . . . 136 6.1.3 Viscoelastic Behavior of Tendon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.1.4 Viscoelasticity of Self-Assembled Type I Collagen Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.1.5 Viscoelasticity of Skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 6.1.6 Viscoelastic Behavior of Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.1.7 Viscoelastic Behavior of VesselWall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 x Contents 6.1.8 Determination of Elastic and Viscous Properties of Mineralized Tendon and Type I Collagen . . . . . . . . . . . . 143 6.1.9 Effects of Strain Rate and Cyclic Loading. . . . . . . . . . . . . . . 144 6.2 Concept of Mechanochemical Transduction and Changes in TissueMetabolismand Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.3 Relationship Between Viscoelasticity and Hierarchical Structure . . 147 6.3.1 Aligned Collagen Networks and Mechanical Models of Tendon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.3.2 MechanicalModels of Orientable ECMs . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.3 Mechanical Models of ECMs Comprised Only of Collagen Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.4 Mechanical Models of Composite ECMs Containing More Than Collagen Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7 Nanoscale DeformationMechanisms in Collagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 H.S. Gupta 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.2 Deformation at the Fiber Bundle Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.3 Fibrillar and Molecular Deformation Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . 158 7.4 Mineralized Collagen Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8 Hierarchical Nanomechanics of Collagen Fibrils: Atomistic and Molecular Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 M.J. Buehler 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.1.1 Deformation and Fracture: An Introduction . . . . . . . . . . . . . 177 8.1.2 Collagen Structure – FromAtoms to Tissue . . . . . . . . . . . . . 178 8.1.3 Outline of This Chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 8.2 Numerical Simulation Techniques and Theoretical Framework . . . . 180 8.2.1 Multi-scale Modeling of Deformation and Failure . . . . . . . . 181 8.2.2 Basics of AtomisticModeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 8.2.3 Large-Scale Parallelized Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 8.2.4 Analysis andVisualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 8.2.5 Complementary Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.3 Deformation and Fracture of Single TropocollagenMolecules . . . . 185 8.3.1 AtomisticModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8.3.2 Tensile and Compressive Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 8.3.3 Bending a Single TropocollagenMolecule . . . . . . . . . . . . . . 195 8.3.4 Shearing Two TropocollagenMolecules . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.3.5 Development of aMesoscopic,MolecularModel. . . . . . . . . 197 Contents xi 8.3.6 Validation of Mesoscale Model in Tensile Deformation . . . 202 8.3.7 Stretching an Ultra-long Tropocollagen Molecule: MesoscaleModeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.3.8 Discussion and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 8.4 Deformation and Fracture of Collagen Fibrils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.4.1 Model Geometry andMolecular SimulationApproach . . . . 205 8.4.2 Size-Dependent Properties: Effects of Molecular Length . . 206 8.4.3 Effect of Cross-Link Densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 8.5 Nanomechanics of Mineralized Collagen Fibrils: Molecular Mechanics of Nascent Bone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 8.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8.5.2 MolecularModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 8.5.3 Computational Results: Elastic, Plastic Regime and Fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 8.5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 8.6 Structure–Property Relationships in Biological Protein Materials . . 233 8.6.1 Cross-Scale Interactions: Fracture Mechanisms in Collagenous Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 8.6.2 The Significance of Hierarchical Features . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.6.3 Universality Versus Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.7 Discussion and Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9 Mechanical Adaptation and Tissue Remodeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 M. Kjوr and S.P. Magnusson 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.2 CollagenAdaptation to Loading – BiochemicalApproaches . . . . . . 250 9.2.1 Dynamics of Collagen Metabolism in Human Tendon and SkeletalMuscle withMechanical Loading . . . . . . . . . . 250 9.2.2 Regulatory Factors for Collagen Adaptation to Exercise . . . 252 9.2.3 Interplay Between Collagen-Rich Matrix and Contracting SkeletalMuscle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.2.4 Role for Stem Cells in Tendon Adaptation and Healing . . . . 255 9.3 Mechanical Properties of Human Tendon, In Vivo . . . . . . . . . . . . . . 256 9.3.1 Tendon Hypertrophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 9.3.2 Regional Differences in Cross-SectionalArea . . . . . . . . . . . 257 9.3.3 The Ultrasonography Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.3.4 Human Aponeurosis Shear, In Vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.3.5 Mechanical Properties of Individual Human Tendon Fascicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 9.3.6 Force Transmission Between Human Tendon Fascicles . . . . 261 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 xii Contents 10 Tendons and Ligaments: Structure, Mechanical Behavior and Biological Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 A.A. Biewener 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.2 Tendon–Ligament Force Transmission and Weight Savings . . . . . . . 271 10.3 Tendon and Ligament Compliance, Resilience and Functional Stress Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 10.4 Tendon Elastic Energy Savings During Locomotion . . . . . . . . . . . . . 280 10.5 Role of Tendon Elasticity in Jumping and Acceleration . . . . . . . . . . 281 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 11 Collagen in ArterialWalls: Biomechanical Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 G.A. Holzapfel 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 11.2 Structure of the ArterialWall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 11.2.1 Intima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 11.2.2 Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 11.2.3 Adventitia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 11.3 Typical Biomechanical Behavior of the ArterialWall . . . . . . . . . . . . 290 11.3.1 Layer-Specific Mechanical Properties of Human Arteries . . 292 11.4 StructuralQuantification of Collagen Fibers in ArterialWalls . . . . . 296 11.4.1 Polarized LightMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.4.2 Small-AngleX-Ray Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 11.4.3 ComputerVision Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 11.5 Models for the Elastic Response of Arterial Walls . . . . . . . . . . . . . . 302 11.5.1 The Basic Building Block for a StructuralModel . . . . . . . . . 302 11.5.2 A StructuralModel forArterial Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 11.5.3 ArterialModels Considering Fiber Dispersion . . . . . . . . . . . 306 11.6 Collagen Fiber Remodeling in ArterialWalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 12 The ExtracellularMatrix of Skeletal and Cardiac Muscle . . . . . . . . . . . 325 P.P. Purslow 12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 12.2 General Structure of IMCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 12.2.1 Striated Muscle: Gross Morphology of Intramuscular Connective Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 12.3 Composition of the Perimysium and Endomysium . . . . . . . . . . . . . . 331 12.4 The Amount, Composition and Architecture of Endomysium and PerimysiumVary Between Different StriatedMuscles . . . . . . . 332 12.5 The Orientation of Collagen Fibers in Perimysium and Endomysium Changes with Muscle Length . . . . . . . . . . . . . . . . 334 12.6 Mechanical Properties of the Perimysium: Models andMeasurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 12.7 Mechanical Properties of the Endomysium: Models andMeasurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Contents xiii 12.8 Mechanical Roles In Vivo for Perimysium and Endomysium in StriatedMuscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 12.8.1 Endomysial Role in Force Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . 339 12.8.2 Myofascial Force Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 12.8.3 Perimysium: Coordination of Shape Change onMuscle Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 12.9 Connective Tissue NetworksWithin CardiacMuscle . . . . . . . . . . . . 344 12.9.1 The Structure of the CardiacWall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 12.9.2 Structure and Arrangement of ECM Within theMyocardium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 12.10 Mechanical Roles for ECMin theMyocardium . . . . . . . . . . . . . . . . 348 12.11 Heart Valves are Special ECMStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 12.12 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 13 The Cornea and Sclera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 K.M. Meek 13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 13.1.1 Macroscopic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 13.1.2 Microscopic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 13.1.3 Nanoscopic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 13.1.4 Composition of the Corneal Stroma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 13.2 The Basis of Corneal Shape – Collagen Lamella Organization . . . . 366 13.2.1 X-ray Scattering Used to Determine Lamellar Organization in the Cornea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 13.2.2 Corneal Biomechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 13.2.3 Corneal Ectasia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 13.3 The Basis of Corneal Transparency – Collagen Fibril Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 13.3.1 Transparency in the Normal Cornea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 13.3.2 Light Scattering in Swollen Corneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 13.4 Artificial Corneal Constructs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 13.5 The Sclera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 13.5.1 Scleral Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 13.5.2 Scleral Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 13.5.3 Scleral Biomechanics and the Development of Myopia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 13.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 14 Collagen and the Mechanical Properties of Bone and Calcified Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 J. Currey 14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 14.2 Structure of Bone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 14.3 Mechanical Properties of Compact Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 xiv Contents 14.4 Mechanical Properties of Cancellous (Trabecular)Bone . . . . . . . . . 404 14.5 Collagen–Mineral Interactions and the Effect of Different Collagen/Mineral Ratios on the Mechanical Properties of Bone . . . 405 14.6 The Effect of Remodeling onMechanical Properties . . . . . . . . . . . . 411 14.7 A Natural Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 14.8 The Effect of Differences of Collagen on Bone’s Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 14.8.1 Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 14.8.2 Osteoporosis and Osteoarthritis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 14.8.3 Osteogenesis Imperfecta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 14.9 Calcified Cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 15 Dentin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 P. Zaslansky 15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 15.2 Composition and Main Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 15.3 Functions of Dentin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 15.4 Dentin as aMaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 15.4.1 AverageMaterials Properties ofDentin . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 15.4.2 Variation of Properties as a Design Concept – Elastic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 15.4.3 Anisotropic Failure Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 15.5 DentinMicrostructure as the Basis forMechanical Properties . . . . . 434 15.5.1 Root Dentin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 15.5.2 Crown Dentin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 15.5.3 Variations of “Normal”Dentin Structure . . . . . . . . . . . . . . . . 438 15.5.4 “Abnormal” Forms of Dentin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 15.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 16 Genetic Collagen Diseases: Influence of Collagen Mutations on Structure and Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 R.D. Blank and A.L. Boskey 16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 16.2 Osteogenesis Imperfecta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 16.2.1 General Description – OI Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 16.2.2 Genotype/Phenotype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 16.2.3 OI Phenocopies inMice andMen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 16.3 Other Fibrillar Collagen Mutations that Affect Tissue Structure andMechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 16.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 16.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 Contents xv 17 Biomimetic Collagen Tissues: Collagenous Tissue Engineering and Other Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 E.A. Sander and V.H. Barocas 17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 17.2 Synthesis and Culture of CollagenGels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 17.2.1 Collagen Self-Assembly in Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 17.2.2 FPCL/Tissue Equivalent (TE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 17.2.3 Entrapment of Cells/Compaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 17.2.4 Generation of Fiber Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 17.2.5 Free Floating or Constrained . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479 17.2.6 Collagen and Cell Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 17.2.7 Matrix Synthesis and Cross-Link Formation . . . . . . . . . . . . . 481 17.2.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 17.3 Mechanical Properties of CollagenGels and TEs . . . . . . . . . . . . . . . 482 17.3.1 Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483 17.3.2 Extension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 17.3.3 Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488 17.3.4 Effect of Gelation Conditions on Properties of Gels. . . . . . . 489 17.3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 17.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 17.4.1 Control of TE Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 17.4.2 Boundary Conditions – Free Surfaces andMechanical Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 17.4.3 Mechanical Stimulation for Improved Alignment and Matrix Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 17.4.4 MediumAdditives for Improved TE Properties . . . . . . . . . . 495 17.4.5 Limitations and FutureDirections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505