महीन रेशा
फाइब्रिल्स लैटिन फाइब्रा से[1]) लगभग सभी जीवित जीवों में पाए जाने वाले संरचनात्मक जैविक पदार्थ हैं। फाइबर या प्रोटीन तंतुओं के साथ भ्रमित न होने के लिए तंतुओं में 10-100 नैनोमीटर के व्यास होते हैं (जबकि फाइबर सूक्ष्म से मिली-स्केल संरचनाओं के होते हैं और तंतुओं का आकार लगभग 10-50 नैनोमीटर होता है)। तंतु सामान्यतः अकेले नहीं पाए जाते हैं। बल्कि सामान्यतः जैविक प्रणालियों में पाए जाने वाले अधिक पदानुक्रमित संरचनाओं के भाग होते हैं। जैविक प्रणालियों में तंतुओं के प्रसार के कारण सूक्ष्म जीव विज्ञान, जैव यांत्रिकी और सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में उनके अध्ययन का बहुत महत्व है।
संरचना और यांत्रिकी
महीन रेशे रैखिक बायोपॉलिमर से बने होते हैं और उच्च लंबाई से व्यास अनुपात वाली रॉड जैसी संरचनाओं की विशेषता होती है। वे अधिकांशतः सरल रूप से पेचदार संरचनाओं में व्यवस्थित होते हैं। बायोमैकेनिक्स समस्याओं में तंतुओं को नैनोमीटर मापदंड पर सामान्यतः गोलाकार पार-अनुभागीय क्षेत्र के साथ मौलिक बीम के रूप में चित्रित किया जा सकता है। जैसे अल्ट्रा-लो लोडिंग स्थितियों के अनुसार तंतुओं की फ्लेक्सुरल स्ट्रेंथ की गणना करने के लिए साधारण बीम बेन्डिंग समीकरणों को संचालित किया जा सकता है। अधिकांश बायोपॉलिमरों के समान तंतुओं के तनाव संबंध रेखीय हुक के नियम से पहले एक विशिष्ट क्षेत्र प्रदर्शित करते हैं।[2] बायोपॉलिमर्स के विपरीत तंतु सजातीय सामग्रियों के समान व्यवहार नहीं करते हैं क्योंकि उपज शक्ति को मात्रा के साथ भिन्न दिखाया गया है। जो संरचनात्मक निर्भरता दर्शाता है।[3] फाइब्रिलर सामग्री के यांत्रिक गुणों में हाइड्रेट को ध्यान देने योग्य प्रभाव उत्पन्न करने के लिए दिखाया गया है। कोलेजन तंतुओं की कठोरता को कम करने के लिए पानी की उपस्थिति को दिखाया गया है और साथ ही तनाव में छूट और शक्ति की उनकी दर में वृद्धि हुई है।[4] एक जैविक दृष्टिकोण से पानी की सामग्री तंतुमय संरचनाओं के लिए सख्त तंत्र के रूप में कार्य करती है। जिससे उच्च ऊर्जा अवशोषण और अधिक तनाव क्षमता की अनुमति मिलती है।
तंतुओं के यांत्रिक सुदृढ़ीकरण गुण आणविक स्तर पर उत्पन्न होते हैं। फाइबर में वितरित बल तंतुओं द्वारा वहन किए जाने वाले तन्यता भार हैं और अन्य तंतुओं के अणुओं के साथ परस्पर क्रिया के कारण अनुभव किए गए अपरूपण बल हैं। व्यक्तिगत कोलेजन अणुओं की फ्रैक्चर शक्ति परिणामस्वरूप अणुओं के बीच सहसंयोजक रसायन द्वारा नियंत्रित होती है। दो कोलेजन अणुओं के बीच अपरूपण शक्ति को अशक्त फैलाव और हाइड्रोजन बंध इंटरैक्शन और कुछ आणविक सहसंयोजक पार लिंक द्वारा नियंत्रित किया जाता है। प्रणाली में स्लिप तब होता है, जब इन इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड्स को उनकी इंटरेक्शन स्ट्रेंथ से अधिक स्ट्रेस का सामना करना पड़ता है।[5] इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड के टूटने से तुरंत विफलता नहीं होती है। इसके विपरीत वे ऊर्जा अपव्यय में एक आवश्यक भूमिका निभाते हैं। जो सामग्री द्वारा समग्र रूप से अनुभव किए गए तनाव को कम करते हैं और इसे फ्रैक्चर का सामना करने में सक्षम बनाते हैं। ये बॉन्ड अधिकांशतः हाइड्रोजन बॉन्डिंग और फैलाने वाले वैन डेर वाल्स इंटरैक्शन को विवश करते हैं। "सैक्रीफइस" बॉन्ड के रूप में कार्य करते हैं। जो नेटवर्क में तनाव को कम करने के उद्देश्य से उपस्थित हैं। महीन रेशे नेटवर्क के निर्माण में आणविक सहसंयोजक क्रॉसलिंक भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। जबकि क्रॉसलिंकिंग अणु शक्तिशाली संरचनाओं को उत्पन्न कर सकते हैं। बायोपॉलिमर नेटवर्क में बहुत अधिक क्रॉसलिंकिंग से फ्रैक्चर होने की संभावना अधिक होती है क्योंकि नेटवर्क ऊर्जा को नष्ट करने में सक्षम नहीं होता है। जिससे सामग्री शक्तिशाली होती है। किन्तु सख्त नहीं होती है। यह निर्जलित या वृद्ध कोलेजन में देखा गया है। यह बताते हुए कि क्यों आयु के साथ मानव ऊतक अधिक भंगुर हो जाते हैं।[6]
विभिन्न मूल के तंतुओं के बीच संरचना में अंतर सामान्यतः एक्स-रे विवर्तन द्वारा निर्धारित किया जाता है।[2] एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) का उपयोग कोलेजन में विशेषता 67 एनएम बैंड जैसी बड़ी महीन रेशे प्रजातियों पर विशिष्ट विवरणों का निरीक्षण करने के लिए किया जा सकता है। किन्तु अधिकांशतः पूर्ण संरचना निर्धारित करने के लिए पर्याप्त ठीक नहीं होता है।
बायोमैटेरियल्स के यांत्रिक गुणों में योगदान
कई लंबाई के मापदंड पर तंतुओं की उनकी पदानुक्रमित संरचनाओं के कारण प्राकृतिक सामग्री सामान्य रूप से विरोधाभासी यांत्रिक गुणों का संयोजन प्रदर्शित करती है।[7] ये तंतु अधिकांशतः एक ही दिशा में उन्मुख होते हैं। जिसके परिणामस्वरूप बायोकोम्पोसिट सामग्री में एनिसोट्रॉपिक यांत्रिक प्रतिक्रिया होती है।[8] यह एक प्रमुख लाभ है क्योंकि इनमें से अधिकांश सामग्रियां एक ही दिशा में तनाव का सामना करती हैं और इसलिए संचालित तनाव की दिशा में उच्च उपज और फ्रैक्चर तनाव भौतिक संरचनात्मक अखंडता सुनिश्चित करता है। मैक्रो, सूक्ष्म और नैनो तंतु फ्रैक्चर प्रतिरोध तंत्र की एक श्रृंखला के माध्यम से फ्रैक्चर का विरोध करने के लिए सामग्री को सक्षम करते हैं:
- फाइब्रिलर स्लाइडिंग या भार के रूप में अपरूपण की प्रक्रिया को संचालित किया जाता है। जिससे प्लास्टिसिटी (भौतिकी) को सक्षम किया जाता है।
- दरार के क्षेत्र में फाइब्रिल ब्रिजिंग
- दरार की नोक पर दरार विक्षेपण, जहां तनाव एकाग्रता आगे प्रसार और अंततः विफलता का कारण बन सकती है।[7]
ये तंत्र फ्रैक्चर का विरोध करने के लिए एक साथ काम करते हैं। इन सामग्रियों को बिना किसी विफलता के अनेकों चक्रों का सामना करने की अनुमति देता है। जो मोबाइल जीवित प्राणियों के लिए आवश्यक है। बायोपॉलिमर्स का अन्य यांत्रिक लाभ उनकी तनावपूर्ण होने की क्षमता है। जिसके परिणामस्वरूप एक अधिक आज्ञाकारी मैट्रिक्स सामग्री में शक्तिशाली फाइब्रिलर संरचनाएं होती हैं। विरूपण के समय घटकों के पुनर्संयोजन की अनुमति देने में इंटरफैसिअल मेट्रिसेस की अच्छी विकृति महत्वपूर्ण भूमिका प्रदर्शित करती हैं।[8]
फाइब्रिलोजेनेसिस ठीक तंतुओं का विस्तार है। जो संयोजी ऊतक के कोलेजन फाइबर में सामान्य हैं। फ़िब्रिलोजेनेसिस के निश्चित तंत्र इस समय अज्ञात हैं। चूंकि मूलभूत शोध से उत्पन्न कई परिकल्पनाएं कई संभावित तंत्रों की खोज में सहायता करती हैं। प्रारंभिक प्रयोगों में कोलेजन को ऊतकों से आसुत किया जा सकता है और समाधानों को नियंत्रित करने के साथ तंतुओं में पुनर्संयोजित किया जा सकता है। बाद के अध्ययन कोलेजन मोनोमर्स पर बाध्यकारी साइटों की संरचना और संरचना को समझने में सहायता करते हैं। कोलेजन को घुलनशील अग्रदूत प्रोकोलेजन के रूप में संश्लेषित किया जाता है। जो कोलेजन स्व-असेंबली का समर्थन करता है। चूंकि कोलेजन तंतुओं में विवो में लगभग 50 अनिवार्य घटक होते हैं। इसलिए विवो में फाइब्रिलोजेनेसिस उत्पन्न करने की निश्चित आवश्यकता अभी भी गुप्त है।[9]
अम्लीय या खारा समाधान के साथ कोलेजन को ऊतकों से निकाला जा सकता है और तापमान या पीएच मान को बदलकर महीन रेशे में पुनर्व्यवस्थित किया जा सकता है।[10] प्रयोगों ने कोलेजन मोनोमर्स के बीच आकर्षक बल की खोज की जो पुनर्व्यवस्था में सहायता करता है।[11] कोलेजन प्रतिक्रिया को संश्लेषित करने में एक अग्रदूत प्रोकोलेजन के रूप में कार्य करता है। जो कोलेजन के स्व-पोलीमराइजेशन की पहचान करता है।
प्राकृतिक प्रक्रियाएं
प्रकृति में 30 से अधिक कोलेजन हैं। जो रासायनिक संरचना में समान हैं। किन्तु क्रिस्टल संरचना के संदर्भ में भिन्न हैं। अभी तक कोलेजन I और II सबसे प्रचुर मात्रा में हैं। वे प्रारम्भ में इन विट्रो में तंतुओं का निर्माण करते हैं। जबकि फाइब्रोनेक्टिन, फाइब्रोनेक्टिन-बाइंडिंग, कोलेजन-बाइंडिंग इंटीग्रिन और कोलेजन वी कोलेजन बनाने और कोलेजन II बनाने के लिए कोलेजन XI के लिए आवश्यक हैं। इसलिए सेलुलर तंत्र प्रोटीन स्व-विधानसभा प्रक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका प्रदर्शित करते हैं।
जानवरों में
कोलेजन
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कोलेजन जानवरों के कई संयोजी ऊतकों में कोशिकाओं के बाहर प्रमुख संरचनात्मक प्रोटीन है।[12] संयोजी ऊतक के प्राथमिक घटक के रूप में स्तनधारियों में प्रोटीन की सबसे बड़ी मात्रा होती है। जो शरीर में सभी प्रोटीन सामग्री का 25% से 35% भाग होता है।
कोलेजन में तंतुओं को एक सिकुडी हुई संरचना में पैक किया जाता है। कोलेजन के तनाव/तनाव वक्र जैसे कण्डरा को कई क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है। छोटे स्ट्रेन्स का क्षेत्र, प्रकाश सूक्ष्मदर्शी में दिखाई देने वाले कोलेजन तंतुओं में एक मैक्रोस्कोपिक क्रिम्प अनक्रिम्पिंग को हटाने से मिलता है। बड़े स्ट्रेन्स, हील्स और रैखिक क्षेत्र में आगे कोई संरचनात्मक परिवर्तन दिखाई नहीं देता है।
ट्रोपोकोलेजन आणविक घटक फाइबर है। जिसमें बाएं हाथ की तीन पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएं (लाल, हरा, नीला) एक दूसरे के चारों ओर कुंडलित होती हैं। जिससे दाएं हाथ का त्रिगुणित हेलिक्स बनाता है।
एक्टिन और मायोसिन
एक्टिन फाइबर के साथ इंटरैक्ट करने वाले मायोसिन के स्टीयरेबल स्लाइडिंग/ग्रैसिंग के माध्यम से मांसपेशियां सिकुड़ती और खिंचती हैं। ऐक्टिन में हेलिक्स में दो पॉलीपेप्टाइड्स होते हैं और मायोसिन में एक छोटे से दिल के आकार की संरचना क्रॉस-ब्रिज होती है। एक्टिन फिलामेंट पर अनुलग्न क्रॉस-ब्रिज की बाइंड और अनबाइंड प्रक्रियाएं इन कोलेजन के सापेक्ष गति में सहायता करती हैं और इसलिए पूरी मांसपेशी भी कार्य करती है।
इलास्टिन और केरातिन
इलास्टिन एक रेशेदार प्रोटीन है। जो त्वचा, रक्त वाहिकाओं और फेफड़ों के ऊतकों जैसे विभिन्न कोमल ऊतकों में पाया जाता है। विरूपण से पहले 200% से अधिक तनाव सहन करने की क्षमता के साथ प्रत्येक मोनोमर एक दूसरे के साथ जुड़ता है और एक 3D नेटवर्क बनाता है।[13]
केराटिन एक संरचनात्मक प्रोटीन है। जो मुख्य रूप से बालों, नाखूनों, खुरों, सींगों, पंखों में पाया जाता है।[14] मूल रूप से केराटिन पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं द्वारा निर्मित होता है। जो सल्फर क्रॉस-लिंक्स के साथ α-हेलीकॉप्स में कुंडलित होता है या हाइड्रोजन बॉन्डिंग द्वारा जुड़ी β-शीट्स में बंध जाता है। β-केराटिन, जो α-संरूपण से कठिन है, पक्षियों और सरीसृपों में अधिक सामान्य है।
रेजिलिन और स्पाइडर सिल्क
रेसिलिन इलास्टोमेरिक कीट प्रोटीन है। जिसमें α-हेलीकॉप्टर और β-शीट संरचना दोनों सम्मिलित हैं।[15] यह प्रकृति में सबसे लचीले प्रोटीन में से एक है। इसमें कम कठोरता ~ 0.6 एमपीए है। किन्तु उच्च निर्गत ऊर्जा प्रतिशत 98% है और उड़ने वाले कीड़ों को पंखों या पिस्सू को कूदने में कुशलता से सहायता करता है।
स्पाइडर सिल्क महीन रेशे कठोर क्रिस्टलीकृत β-शीट संरचना से बना होता है। जो शक्ति के लिए उत्तरदायी होता है और बिना आकार वाला मैट्रिक्स आसपास होता है। जो बढ़ाव की क्षमता में सुधार करता है।[16] इसमें अन्य प्राकृतिक रेशों की तुलना में क्रमशः कम घनत्व के साथ असाधारण रूप से उच्च तन्यता और लचीलापन है। इसकी विशेषता विभिन्न उपयोगिता के लिए विभिन्न प्रकार की मकड़ियों से भिन्न होती है।
पौधों में
सेल्युलोज
प्राथमिक कोशिका भित्ति सेल्युलोज अणुओं से अपनी उल्लेखनीय तन्य शक्ति प्राप्त करती है या हाइड्रोजन बंध द्वारा स्थिर ग्लूकोज अवशेषों की लंबी-श्रृंखला प्राप्त करती है।[17] सेल्युलोज श्रृंखलाओं को ओवरलैपिंग समानांतर सारणियों में संरेखित करने के लिए मनाया जाता है। समान ध्रुवीयता के साथ सेल्यूलोज माइक्रोफिब्रिल का निर्माण होता है। पौधों में ये सेल्युलोज सूक्ष्म तंतु स्वयं को परतों में व्यवस्थित करते हैं। जिन्हें औपचारिक रूप से लैमेली (बहुविकल्पी) के रूप में जाना जाता है और सतह लंबे क्रॉस-लिंकिंग ग्लाइकेन अणुओं द्वारा कोशिका भित्ति में स्थिर होते हैं। ग्लाइकेन के अणु संभावित नेटवर्क की जटिलता को बढ़ाते हैं और प्लांट-आधारित सेलुलोज स्वयं को इसमें कॉन्फ़िगर कर सकता है। सेल्युलोज माइक्रोफाइब्रिल्स और पूरक ग्लाइकेन नेटवर्क दोनों के लिए प्राथमिक सेल दीवार में व्यापक कंघी के समान आकार है। जो एक पॉलीसेकेराइड है। जिसमें कई श्रणात्मक चार्ज गैलेक्ट्यूरोनिक एसिड इकाइयां होती हैं।[17] इसके अतिरिक्त सेल्युलोज माइक्रोफाइब्रिल्स भी नियंत्रित-कोशिका विस्तार के माध्यम से पौधे के आकार में योगदान करते हैं। कोशिका भित्ति में सूक्ष्मतंतुओं की त्रिविम व्यवस्था स्फीति दाब की प्रणाली बनाती है। जो अंततः कोशिकीय वृद्धि और विस्तार की ओर ले जाती है। सेल्युलोज माइक्रोफाइब्रिल्स अद्वितीय मैट्रिक्स मैक्रोमोलेक्यूल्स हैं। जिसमें वे प्लाज्मा झिल्ली की बाह्य सतह पर स्थित सेल्यूलोज सिंथेज़ एंजाइम द्वारा एकत्रित होते हैं।[17] यह माना जाता है कि पौधे "माइक्रोफाइब्रिल्स के उन्मुखीकरण को नियंत्रित करके अपने भविष्य के आकारिकी का अनुमान लगा सकते हैं।" एक तंत्र द्वारा जहां सेल्युलोज माइक्रोफिब्रिल्स को सूक्ष्मनलिकाएं के एक कॉर्टिकल सारणी के ऊपर व्यवस्थित किया जाता है।
स्टार्च
यह कहा जाता है कि एमाइलोज के दिए गए सैम्पल को हिलाने से फाइब्रिलर क्रिस्टल बनते हैं। जो मदर लिकर से अवक्षेपित होते हैं। इन लंबे तंतुओं को एक शिश कबाब के समान अनुप्रस्थ धारियों को प्रकट करते हुए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके चित्रित किया जा सकता है। एमाइलोज तंतुओं को दो आकारिकी में से एक होने के साथ वर्गीकृत किया गया है: छोटे छड़ जैसे तंतुओं के साथ और अन्य लेथ के आकार के क्रिस्टल के साथ।
लकड़ी
यह कहा जाता है कि लकड़ी की तंतुमय संरचना यांत्रिक स्थिरता और खनिजों और पानी के परिवहन के लिए लकड़ी की क्षमता दोनों में महत्वपूर्ण भूमिका प्रदर्शित करती है। दूसरों के बीच स्प्रूसवुड (पिका एबिस) में 2.5 एनएम के सामान्य व्यास वाले सेल्युलोज तंतु पाए जाते हैं। अनुदैर्ध्य दिशा के संबंध में लकड़ी की आयु और तंतुओं के सर्पिल कोण के बीच एक कथित संबंध भी है। यह कहा जाता है कि अर्लीवुड में निरंतर 4.6 ± 0.6° विश्राम कोण होता है। जबकि लेटवुड में 4.6° से 19.8 ± 0.7° तक संक्रमण क्षेत्र होता है।[18] लेटवुड में सेल्युलोज तंतुओं के दो सर्पिल कोण क्षेत्र निरंतर नहीं होते हैं। जिसका अर्थ है कि "पुराने" पेड़ों में दो स्वतंत्र ट्रेकिड संरचनाएं हैं। जो विभिन्न यांत्रिक आवश्यकताओं को पूरा करती हैं। इसके अतिरिक्त अनुदैर्ध्य रूप से उन्मुख तंतु तन्य शक्ति में सुधार करते हैं। जबकि 20 ° झुके हुए तंतुओं के अतिरिक्त विशेष रूप से लेटवुड ट्रेकिड्स के लिए संपीड़न के विरुद्ध स्थिरता प्रदान करता है।[18]
बायोमिमिक्री और फाइब्रिल्स
स्व-सफाई गुण
एक गेको पैर की अंगुली पैड के शक्तिशाली आसंजन, आसान टुकड़ी और स्वयं-सफाई गुणों की कॉपी करने के लिए फाइब्रिलर-आधारित चिपकने वाला बनाया जा सकता है। ये प्रदर्शन विशेषताएँ अंतर्निहित पदानुक्रमित संरचना से उत्पन्न होती हैं। जिसमें एक मिलियन माइक्रोफ़ाइब्रिल्स होते हैं। जिन्हें सेटे कहा जाता है। जिसमें अरबों नैनो-आकार की शाखाएँ होती हैं। जिन्हें स्पैटुला (जीव विज्ञान) कहा जाता है।
इस घटना की कॉपी करने में चार अलग-अलग प्रारूपित चरण सम्मिलित हैं।[19] लंबवत संरेखित माइक्रो-/नैनो-फाइब्रिलर सरणियाँ बनाना-
- विभिन्न टिप आकार बनाना
- अनिसोट्रोपिक ज्यामिति सहित
- बिल्डिंग पदानुक्रम।
एक परिपक्व हड्डी मैट्रिक्स
एक परिपक्व हड्डी मैट्रिक्स की कॉपी करने के लिए किसी दिए गए खनिज मैट्रिक्स को संरेखित करने के लिए स्व-एकत्रित तंतुओं का उपयोग किया जा सकता है। यह एक हाइड्रोफोबिक एल्काइल टेल और एक हाइड्रोफिलिक ऑलिगोपेप्टाइड हेड के साथ एक स्व-संयोजन अणु का उपयोग करके पूरा किया जाता है। ये अणु सीटू में माइक्रेलर संरचनाएं बनाते हैं और कम पीएच पर डाइसल्फ़ाइड पुल बनाते हैं। जिससे 200 केडीए पॉलिमरिक नैनोफ़िब्रिल का निर्माण और क्रिस्टलीकरण होता है। खनिज मैट्रिक्स अंततः फॉस्फोसेरिन अवशेषों के माध्यम से सिंथेटिक महीन रेशे के साथ संपर्क करता है। जिसके परिणामस्वरूप खनिज न्यूक्लिएशन और विकास होता है।
यह भी देखें
- फाइबर
- सूक्ष्म तंतु
- मायोफिब्रिल
- न्यूरोफाइब्रिल
- फाइब्रिलोजेनेसिस
- प्रोटीन रेशा
संदर्भ
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