Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Prikaže vrtiljak treh diapozitivov hkrati.Uporabite gumba Prejšnji in Naslednji, da se premikate po treh diapozitivih hkrati, ali pa uporabite gumbe drsnika na koncu, da se premikate skozi tri diapozitive hkrati.
Omejitev vlaknatih hidrogelov na ozke kapilare je zelo pomembna v bioloških in biomedicinskih sistemih.Napetost in enoosna kompresija vlaknatih hidrogelov sta bila obsežno raziskana, vendar njihov odziv na biaksialno zadrževanje v kapilarah ostaja neraziskan.Tukaj eksperimentalno in teoretično dokazujemo, da se filamentni geli kvalitativno drugače odzivajo na omejitev kot geli s prožno verigo zaradi asimetrije v mehanskih lastnostih sestavnih filamentov, ki so mehki pri stiskanju in togi pri napetosti.Pri močnem zadrževanju se vlaknasti gel malo raztegne in asimptotično zmanjša dvoosno Poissonovo razmerje na nič, kar povzroči močno zbijanje gela in slabo prepustnost tekočine skozi gel.Ti rezultati kažejo na odpornost raztegnjenih okluzivnih trombov na lizo s terapevtskimi sredstvi in spodbujajo razvoj učinkovite endovaskularne embolizacije iz fibroznih gelov za zaustavitev krvavitve v žilah ali zaviranje oskrbe tumorjev s krvjo.
Vlaknaste mreže so osnovni strukturni in funkcionalni gradniki tkiv in živih celic.Aktin je glavna sestavina citoskeleta1;fibrin je ključni element pri celjenju ran in tvorbi trombov2, kolagen, elastin in fibronektin pa so sestavni deli zunajceličnega matriksa v živalskem kraljestvu3.Obnovljene mreže vlaknatih biopolimerov so postale materiali s široko uporabo v tkivnem inženirstvu4.
Nitasta omrežja predstavljajo ločen razred biološke mehke snovi z mehanskimi lastnostmi, ki se razlikujejo od prožnih molekularnih mrež5.Nekatere od teh lastnosti so se razvile med evolucijo za nadzor odziva biološke snovi na deformacijo6.Na primer, vlaknate mreže kažejo linearno elastičnost pri majhnih obremenitvah 7, 8, medtem ko pri velikih obremenitvah kažejo povečano togost 9, 10, s čimer ohranjajo celovitost tkiva.Posledice za druge mehanske lastnosti vlaknastih gelov, kot je negativni normalni stres kot odziv na strižne deformacije11,12, še niso bile odkrite.
Mehanske lastnosti polfleksibilnih vlaknastih hidrogelov so preučevali pri enoosni napetosti 13, 14 in stiskanju 8, 15, vendar njihovega dvoosnega stiskanja, povzročenega s svobodo, v ozkih kapilarah ali ceveh niso preučevali.Tukaj poročamo o eksperimentalnih rezultatih in teoretično predlagamo mehanizem za obnašanje vlaknastih hidrogelov pri biaksialnem zadrževanju v mikrofluidnih kanalih.
Fibrinski mikrogeli z različnimi razmerji koncentracij fibrinogena in trombina ter premerom D0 v razponu od 150 do 220 µm so bili ustvarjeni z uporabo mikrofluidnega pristopa (dodatna slika 1).Na sl.Slika 1a prikazuje slike mikrogelov, označenih s fluorokromom, pridobljenih s konfokalno fluorescenčno mikroskopijo (CFM).Mikrogeli so sferični, imajo polidisperznost manj kot 5 % in so enotne strukture po lestvicah, ki jih pregleda CFM (dodatne informacije in filmi S1 in S2).Povprečna velikost por mikrogelov (določena z merjenjem Darcyjeve prepustnosti16) se je zmanjšala z 2280 na 60 nm, vsebnost fibrina se je povečala s 5,25 na 37,9 mg/mL, koncentracija trombina pa se je zmanjšala z 2,56 na 0,27 enot/mL.(Dodatne informacije).riž.2), 3 in dodatna tabela 1).Ustrezna togost mikrogela se poveča z 0,85 na 3,6 kPa (dodatna slika 4).Kot primeri gelov, tvorjenih iz prožnih verig, se uporabljajo agarozni mikrogeli različnih togosti.
Fluorescenčna mikroskopska slika PM, označenega s fluorescein izotiocianatom (FITC), suspendiranega v TBS.Palična lestvica je 500 µm.b SEM slike SM (zgoraj) in RM (spodaj).Lestvica 500 nm.c Shematski diagram mikrofluidnega kanala, sestavljenega iz velikega kanala (premer dl) in zoženega stožčastega območja z vstopnim kotom α 15° in premerom dc = 65 µm.d Od leve proti desni: Optični mikroskopski posnetki RM (premer D0) v velikih kanalih, stožčasti coni in zožitvi (omejevalna dolžina gela Dz).Palična lestvica je 100 µm.e, f TEM slike nedeformiranega RM (e) in zamašenega RM (f), fiksiranih eno uro z zožitvijo 1/λr = 2,7, čemur sledi sprostitev in fiksacija 5 % mase.glutaraldehid v TBS.Premer nedeformiranega CO je 176 μm.Merilna lestvica je 100 nm.
Osredotočili smo se na fibrinske mikrogele s trdoto 0,85, 1,87 in 3,6 kPa (v nadaljevanju mehki mikrogeli (SM), srednje trdi mikrogeli (MM) in trdi mikrogeli (RM).Ta razpon togosti fibrinskega gela je enakega reda velikosti kot pri krvnih strdkih 18, 19, zato so fibrinski geli, ki smo jih preučevali v našem delu, neposredno povezani z resničnimi biološkimi sistemi.Na sl.1b prikazuje zgornjo in spodnjo sliko struktur SM in RM, pridobljenih z uporabo vrstičnega elektronskega mikroskopa (SEM).V primerjavi s strukturami RM so omrežja SM oblikovana iz debelejših vlaken in manj razvejnih točk, kar je skladno s prejšnjimi poročili 20, 21 (dodatna slika 5).Razlika v strukturi hidrogela je v korelaciji s trendom njegovih lastnosti: prepustnost gela se zmanjša z zmanjšanjem velikosti por od SM do MM in RM (dodatna tabela 1), togost gela pa se obrne.Po 30-dnevnem shranjevanju pri 4 °C niso opazili sprememb v strukturi mikrogela (dodatna slika 6).
Na sl.1c prikazuje diagram mikrofluidnega kanala s krožnim prerezom, ki vsebuje (od leve proti desni): velik kanal s premerom dl, v katerem mikrogel ostane nedeformiran, stožčast odsek z zožitvijo v premeru dc < D0, stožec -oblikovanih odsekov in velikih kanalov s premerom dl (dodatna slika 7).V tipičnem poskusu so bili mikrogeli vbrizgani v mikrofluidne kanale pri pozitivnem padcu tlaka ΔP 0,2–16 kPa (dopolnilna slika 8).To območje tlaka ustreza biološko pomembnemu krvnemu tlaku (120 mm Hg = 16 kPa)22.Na sl.1d (od leve proti desni) prikazuje reprezentativne slike RM v velikih kanalih, stožčastih območjih in zožitvah.Gibanje in obliko mikrogela smo posneli in analizirali s programom MATLAB.Pomembno je omeniti, da so v zoženih območjih in zožitvah mikrogeli v konformnem stiku s stenami mikrokanalov (dopolnilna slika 8).Stopnja radialne retencije mikrogela pri zožitvi D0/dc = 1/λr je v območju 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, kjer je 1/λr kompresijsko razmerje.Mikrogel se skrči, ko je ΔP > ΔPtr, kjer je ΔPtr razlika v translokacijskem tlaku.Dolžina in velikost por biaksialno omejenih mikrogelov je določena z njihovim ravnotežnim stanjem, saj je v bioloških sistemih zelo pomembno upoštevati viskoelastičnost gelov.Čas vzpostavitve ravnotežja za agarozne in fibrinske mikrogele je bil 10 minut oziroma 30 minut.Po teh časovnih intervalih so omejeni mikrogeli dosegli svoj stabilen položaj in obliko, ki je bila posneta s hitro kamero in analizirana z MATLAB-om.
Na sl.1e, 1f prikazujeta slike transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) nedeformiranih in biaksialno omejenih struktur RM.Po stiskanju RM se je velikost por mikrogela bistveno zmanjšala in njihova oblika je postala anizotropna z manjšimi velikostmi v smeri stiskanja, kar je skladno s prejšnjim poročilom 23.
Dvoosno stiskanje med kontrakcijo povzroči, da se mikrogel podaljša v neomejeno smer s koeficientom λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\), kjer je \({D}_{{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) dolžina zaprtega mikrogela. Slika 2a prikazuje spremembo λzvs .1/ λr za fibrinske in agarozne mikrogele. Presenetljivo je, da pod močnim stiskanjem 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2 fibrinski mikrogeli kažejo zanemarljiv raztezek 1,12 +/- 0,03 λz, na katerega vrednost 1/λr le malo vpliva. omejene agarozne mikrogele, ki jih opazimo že pri šibkejši kompresiji 1/λr = 2,6 do večjega raztezka λz = 1,3.
a agarozni mikrogel eksperimentira z različnimi elastičnimi moduli (2,6 kPa, zelen odprt romb; 8,3 kPa, rjav odprt krog; 12,5 kPa, oranžen odprt kvadrat; 20,2 kPa, škrlaten odprt obrnjen trikotnik) in SM (polno rdeče) Sprememba izmerjenega raztezka λz ( krogi), MM (polni črni kvadrati) in RM (polni modri trikotniki).Polne črte prikazujejo teoretično predviden λz za agarozo (zelena črta) in fibrinske mikrogele (črte in simboli iste barve).b, c Zgornja plošča: shematski diagram mrežnih verig agaroze (b) in fibrina (c) pred (levo) in po (desno) dvoosni kompresiji.Spodaj: Oblika ustrezne mreže pred in po deformaciji.Smeri kompresije x in y sta označeni z škrlatno oziroma rjavo puščico.Na zgornji sliki so verige mrež, usmerjene v teh smereh x in y, prikazane z ustreznimi magenta in rjavimi črtami, verige, usmerjene v poljubni smeri z, pa so predstavljene z zelenimi črtami.V fibrinskem gelu (c) se vijolične in rjave črte v smereh x in y bolj upognejo kot v nedeformiranem stanju, zelene črte v smeri z pa se upognejo in raztegnejo.Napetost med smerema stiskanja in napetosti se prenaša preko niti z vmesnimi smermi.V agaroznih gelih verige v vseh smereh določajo osmotski tlak, ki pomembno prispeva k deformaciji gela.d Predvidena sprememba dvoosnega Poissonovega razmerja, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), za enakoosno stiskanje agaroznih (zelena črta) in fibrinskih (rdeča črta) gelov.Vložek prikazuje dvoosno deformacijo gela.e Sprememba translokacijskega tlaka ΔPtr, normalizirana na togost gela S, je prikazana kot funkcija kompresijskega razmerja za agarozne in fibrinske mikrogele.Barve simbolov ustrezajo barvam v (a).Zelene in rdeče črte prikazujejo teoretično razmerje med ΔPtr/S in 1/λr za agarozne oziroma fibrinske gele.Črtkani del rdeče črte prikazuje povečanje ΔPtr pri močnem stiskanju zaradi interakcij med vlakni.
Ta razlika je povezana z različnimi mehanizmi deformacije fibrinskih in agaroznih mikrogelnih mrež, ki so sestavljene iz fleksibilnih24 oziroma togih25 niti.Dvoosno stiskanje fleksibilnih gelov vodi do zmanjšanja njihovega volumna in s tem povezanega povečanja koncentracije in osmotskega tlaka, kar vodi do raztezanja gela v neomejeno smer.Končni raztezek gela je odvisen od ravnovesja povečanja entropijske proste energije raztegnjenih verig in zmanjšanja proste energije osmoze zaradi nižje koncentracije polimera v raztegnjenem gelu.Pod močnim dvoosnim stiskanjem se raztezek gela poveča z λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (glej sliko 2a v razdelek razprave 5.3.3).Konformacijske spremembe v prožnih verigah in oblika ustreznih mrež pred in po biaksialnem zadrževanju so prikazane na sl.2b.
Nasprotno pa se vlaknasti geli, kot je fibrin, drugače odzivajo na biaksialno zadrževanje.Filamenti, usmerjeni pretežno vzporedno s smerjo stiskanja, se upogibajo (s čimer se zmanjša razdalja med prečnimi povezavami), medtem ko se filamenti, ki so pretežno pravokotni na smer stiskanja, pod delovanjem elastične sile zravnajo in raztegnejo, zaradi česar se gel podaljša ( Slika 1).2c) Strukture nedeformiranih SM, MM in RM so bile označene z analizo njihovih slik SEM in CFM (oddelek IV za dodatno razpravo in dodatna slika 9).Z določitvijo modula elastičnosti (E), premera (d), dolžine profila (R0), razdalje med konci (L0 ≈ R0) in središčnega kota (ψ0) pramenov v nedeformiranih fibrinskih mikrogelih (dodatna tabela 2) – 4), ugotovimo, da je modul upogiba niti \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) je znatno manjši od njegovega nateznega modula\({k}_{{{{{{{{\rm{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), torej kb/ks ≈ 0,1 (dodatna tabela 4).Tako se v pogojih biaksialnega zadrževanja gela fibrinske niti zlahka upognejo, vendar se upirajo raztezanju.Raztezek nitaste mreže, izpostavljene dvoosni kompresiji, je prikazan na dodatni sliki 17.
Razvijamo teoretični afini model (razdelek V dodatne razprave in dodatne slike 10–16), v katerem je raztezek vlaknastega gela določen iz lokalnega ravnotežja elastičnih sil, ki delujejo v gelu, in napoveduje, da bo pri močni dvoosni deformaciji λz - 1 pod omejitvijo
Enačba (1) kaže, da tudi pri močnem stiskanju (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) pride do rahle ekspanzije gela in posledične raztezne deformacije nasičenost λz–1 = 0,15 ± 0,05.To vedenje je povezano z (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 in (ii) izraz v oglatih oklepajih asimptotično približuje \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) za močne biaksialne vezi. Pomembno je omeniti, da je predfaktor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) nima nobene zveze s togostjo navoja E, temveč ga določata le razmerje stranic navoja d/L0 in središčni kot loka ψ0, ki je podoben SM, MM in RM (dodatna tabela 4).
Da bi dodatno poudarili razliko v deformaciji, ki jo povzroči svoboda, med upogljivimi in nitastimi geli, uvedemo dvoosno Poissonovo razmerje \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}}, \) opisuje neomejeno usmerjenost deformacije gela kot odziv na enako deformacijo v dveh radialnih smereh in to razširi na velike enakomerne deformacije \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} }}=-{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Na sl.2d prikazuje \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) za enakomerno dvoosno stiskanje prožnih (kot je agaroza) in togih (kot je fibrin) gelov (dodatna razprava, oddelek 5.3.4) in poudarja razmerje med velikimi razlikami v odzivih na zaprtje. Za agarozne gele pod močnimi omejitvami {\rm{eff}}}}}}}}}\) naraste na asimptotično vrednost 2/3, za fibrinske gele pa se zmanjša na nič, ker lnλz/lnλr → 0, ker λz narašča z nasičenost, ko λr narašča.Upoštevajte, da se v poskusih zaprti sferični mikrogeli deformirajo nehomogeno, njihov osrednji del pa je močneje stisnjen;vendar pa ekstrapolacija na veliko vrednost 1/λr omogoča primerjavo poskusa s teorijo za enakomerno deformirane gele.
Druga razlika v obnašanju gelov s prožno verigo in filamentnih gelov je bila ugotovljena zaradi njihovega gibanja ob kontrakciji.Translokacijski tlak ΔPtr, normaliziran na togost gela S, se je povečal z naraščajočo kompresijo (slika 2e), toda pri 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5 so fibrinski mikrogeli med krčenjem pokazali znatno nižje vrednosti ΔPtr/S.Zadrževanje agaroznega mikrogela vodi do povečanja osmotskega tlaka, kar vodi do raztezanja gela v vzdolžni smeri, ko se polimerne molekule raztegnejo (slika 2b, levo) in povečanja translokacijskega tlaka za ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Nasprotno, obliko zaprtih fibrinskih mikrogelov določa energijsko ravnovesje niti radialne kompresije in vzdolžne napetosti, kar vodi do največje vzdolžne deformacije λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}}\).Za 1/λr ≫ 1 je sprememba translokacijskega tlaka ocenjena kot 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (dodatna razprava, razdelek 5.4), kot je prikazano s polno rdečo črto na sliki 2e.Tako je ΔPtr manj omejen kot v agaroznih gelih.Za kompresije z 1/λr > 3,5 znatno povečanje volumskega deleža filamentov in interakcija sosednjih filamentov omejuje nadaljnjo deformacijo gela in vodi do odstopanj eksperimentalnih rezultatov od napovedi (rdeča pikčasta črta na sliki 2e).Sklepamo, da za isti 1/λr in Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agaroza}} }} } } } }}\) agarozni gel bo ujel mikrokanal, fibrinski gel z enako togostjo pa bo šel skozi njega.Za ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)))))))))_{{{{{\rm{fibrin)))))))))}\ ), Dva. Oba gela bosta blokirala kanal, vendar bo fibrinski gel potisnil globlje in se učinkoviteje stisnil, kar bo učinkoviteje blokiralo pretok tekočine.Rezultati, prikazani na sliki 2, kažejo, da lahko vlaknasti gel služi kot učinkovit čep za zmanjšanje krvavitve ali zaviranje oskrbe tumorjev s krvjo.
Po drugi strani pa fibrin tvori ogrodje strdka, ki vodi do trombembolizma, patološkega stanja, pri katerem tromb zamaši žilo pri ΔP < ΔPtr, kot na primer pri nekaterih vrstah ishemične kapi (slika 3a).Šibkejše raztezanje fibrinskih mikrogelov, povzročeno z restrikcijo, je povzročilo močnejše povečanje fibrinske koncentracije C/C fibrinogena v primerjavi z geli s prožno verigo, kjer sta C in C fibrinogen omejena oziroma nedeformirana mikrogela.Koncentracija polimera v gelu.Slika 3b prikazuje, da se je fibrinogen C/C v SM, MM in RM povečal za več kot sedemkrat pri 1/λr ≈ 4,0, kar je posledica omejitve in dehidracije (dodatna slika 16).
Shematski prikaz okluzije srednje možganske arterije v možganih.b Z restrikcijo posredovano relativno povečanje koncentracije fibrina pri obstruktivni SM (polni rdeči krogi), MM (polni črni kvadratki) in RM (polni modri trikotniki).c Eksperimentalna zasnova, uporabljena za preučevanje cepitve omejenih fibrinskih gelov.Raztopino fluorescentno označenega tPA v TBS smo vbrizgali pri pretoku 5,6 × 107 µm3/s in dodatnem padcu tlaka 0,7 Pa za kanale, ki se nahajajo pravokotno na dolgo os glavnega mikrokanala.d Združena večkanalna mikroskopska slika obstruktivnega MM (D0 = 200 µm) pri Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa in med cepitvijo.Navpične pikčaste črte prikazujejo začetne položaje zadnjega in sprednjega roba MM pri tlys = 0. Zelena in rožnata barva ustrezata FITC-dekstranu (70 kDa) oziroma tPA, označenemu z AlexaFluor633.e Časovno spremenljiva relativna prostornina okludiranih RM z D0 174 µm (modri odprti obrnjeni trikotnik), 199 µm (modri odprti trikotnik) oziroma 218 µm (modri odprti trikotnik) v stožčastem mikrokanalu z Xf = 28 ± 1 µm.odseki imajo ΔP 1200, 1800 oziroma 3000 Pa in Q = 1860 ± 70 µm3/s.Vložek prikazuje RM (D0 = 218 µm), ki maši mikrokanal.f Časovna sprememba relativne prostornine SM, MM ali RM, postavljenega pri Xf = 32 ± 12 µm, pri ΔP 400, 750 in 1800 Pa in ΔP 12300 Pa in Q 12300 v stožčastem območju mikrokanala, oziroma 2400 oziroma 1860 µm3 /s.Xf predstavlja sprednji položaj mikrogela in določa njegovo oddaljenost od začetka krčenja.V(tlys) in V0 sta začasna prostornina liziranega mikrogela oziroma prostornina nemotenega mikrogela.Barve znakov ustrezajo barvam v b.Črne puščice na e, f ustrezajo zadnjemu trenutku pred prehodom mikrogelov skozi mikrokanal.Merilna lestvica v d, e je 100 µm.
Da bi raziskali učinek omejitve na zmanjšanje pretoka tekočine skozi obstruktivne fibrinske gele, smo proučevali lizo SM, MM in RM, infiltriranih s trombolitičnim sredstvom tkivni aktivator plazminogena (tPA).Slika 3c prikazuje eksperimentalni načrt, uporabljen za poskuse lize. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) in hitrosti pretoka, Q = 2400 μm3/s, tris-puferirane fiziološke raztopine (TBS), pomešane z 0,1 mg/ml (fluorescein izotiocianata) FITC-dekstrana, je mikrogel zaprl zoženi mikrokanal regiji. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) in hitrosti pretoka, Q = 2400 μm3/s, tris-puferirane fiziološke raztopine (TBS), pomešane z 0,1 mg/ml (fluorescein izotiocianata) FITC-dekstrana, je mikrogel zaprl zoženi mikrokanal regiji. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) in hitrosti pretoka, Q = 2400 mkm3/s, tris-bufer solne raztopine (TBS), zmešano z 0,1 mg/ml (fluoresceinizotiocianata) FITC-dekstrana, mikrogel prekriva sužajoči mikrokanal. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) in hitrosti pretoka, Q = 2400 µm3/s, Tris pufrane fiziološke raztopine (TBS), pomešane z 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocianat) FITC-dekstrana, je mikrogel zaprl konvergentni mikrokanal.regiji.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s 的Tris 缓冲盐水(TBS) 与0,1 mg/mL 的＂硫氰酸荧光素）FITC-葡聚糖混合时，微凝胶堵塞了锥形微通道地区。在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s了锥形微通道地区。 Mikrogeli se zbirajo pri mešanju tris-buferne solne raztopine (TBS) z 0,1 mg/ml (fluoresceinizotiocianat) FITC-dekstrana pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) in hitrosti pretoka Q = 2400 mkm3/s Konične regije mikrokanalov. Mikrogeli so se zamašili, ko smo Tris pufrsko fiziološko raztopino (TBS) zmešali z 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocianat) FITC-dekstrana pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) in hitrosti pretoka Q = 2400 µm3/s Konične regije mikrokanalov.Prednji položaj Xf mikrogela določa njegovo razdaljo od začetne točke krčenja X0.Da bi inducirali lizo, smo raztopino fluorescentno označenega tPA v TBS vbrizgali iz kanala, ki se nahaja pravokotno na dolgo os glavnega mikrokanala.
Ko je raztopina tPA dosegla okluzalni MM, je zadnji rob mikrogela postal zamegljen, kar kaže, da se je cepitev fibrina začela ob času tlys = 0 (slika 3d in dopolnilna slika 18).Med fibrinolizo se z barvilom označen tPA kopiči znotraj MM in se veže na fibrinske niti, kar vodi do postopnega povečanja intenzivnosti rožnate barve mikrogelov.Pri tlys = 60 min se MM skrči zaradi razpustitve zadnjega dela, položaj njegovega sprednjega roba Xf pa se malo spremeni.Po 160 minutah se je močno skrčen MM še naprej krčil in pri tlys = 161 min se je skrčil, s čimer se je obnovil pretok tekočine skozi mikrokanal (slika 3d in dopolnilna slika 18, desni stolpec).
Na sl.Slika 3e prikazuje z lizo posredovano časovno odvisno zmanjšanje volumna V(tlys), normaliziranega na začetni volumen V0 fibrinskih mikrogelov različnih velikosti.CO z D0 174, 199 ali 218 µm smo postavili v mikrokanal z ΔP 1200, 1800 oziroma 3000 Pa in Q = 1860 ± 70 µm3/s, da blokiramo mikrokanal (slika 3e, vložek).prehrana.Mikrogeli se postopoma krčijo, dokler niso dovolj majhni, da prehajajo skozi kanale.Zmanjšanje kritičnega volumna CO z večjim začetnim premerom zahteva daljši čas lize.Zaradi podobnega pretoka skozi različno velike RM se cepitev pojavi z enako hitrostjo, kar ima za posledico prebavo manjših frakcij večjih RM in njihovo zapoznelo translokacijo.Na sl.Slika 3f prikazuje relativno zmanjšanje V(tlys)/V0 zaradi cepitve za SM, MM in RM pri D0 = 197 ± 3 µm, prikazano kot funkcija tlys.Za SM, MM in RM vsak mikrogel postavite v mikrokanal z ΔP 400, 750 ali 1800 Pa oziroma Q 12300, 2400 ali 1860 µm3/s.Čeprav je bil pritisk na SM 4,5-krat nižji kot pri RM, je bil tok skozi SM več kot šestkrat močnejši zaradi večje prepustnosti SM, krčenje mikrogela pa se je zmanjšalo od SM do MM in RM .Na primer, pri tlys = 78 min se je SM večinoma raztopil in izpodrinil, medtem ko sta MM in PM še naprej mašila mikrokanale, kljub temu, da sta obdržala le 16 % oziroma 20 % svoje prvotne prostornine.Ti rezultati kažejo na pomen s konvekcijo posredovane lize zoženih vlaknastih gelov in so v korelaciji s poročili o hitrejši prebavi strdkov z nižjo vsebnostjo fibrina.
Tako naše delo eksperimentalno in teoretično prikazuje mehanizem, s katerim se nitasti geli odzivajo na biaksialno omejevanje.Obnašanje vlaknatih gelov v omejenem prostoru je določeno z močno asimetrijo deformacijske energije filamentov (mehkih pri stiskanju in trdih pri napetosti) in le z razmerjem stranic in ukrivljenostjo filamentov.Ta reakcija ima za posledico minimalen raztezek vlaknatih gelov v ozkih kapilarah, njihovo dvoosno Poissonovo razmerje se zmanjšuje z naraščajočo kompresijo in manjšim lahkim bitnim pritiskom.
Ker se dvoosno zadrževanje mehkih deformabilnih delcev uporablja v številnih tehnologijah, naši rezultati spodbujajo razvoj novih vlaknastih materialov.Zlasti dvoosno zadrževanje nitastih gelov v ozkih kapilarah ali cevkah povzroči njihovo močno zbijanje in močno zmanjšanje prepustnosti.Močna inhibicija pretoka tekočine skozi okluzivne vlaknaste gele ima prednosti, če se uporabljajo kot čepi za preprečevanje krvavitev ali zmanjšanje oskrbe malignomov s krvjo33,34,35.Po drugi strani pa zmanjšanje pretoka tekočine skozi okluzalni fibrinski gel in s tem zaviranje lize tromba, posredovane s konvekcijo, kaže na počasno lizo okluzijskih strdkov [27, 36, 37].Naš sistem modeliranja je prvi korak k razumevanju posledic mehanskega odziva vlaknastih biopolimernih hidrogelov na dvoosno zadrževanje.Vključitev krvnih celic ali trombocitov v obstruktivne fibrinske gele bo vplivala na njihovo restrikcijsko vedenje 38 in bo naslednji korak pri odkrivanju vedenja kompleksnejših biološko pomembnih sistemov.
Reagenti, ki se uporabljajo za pripravo fibrinskih mikrogelov in izdelavo MF naprav, so opisani v dodatnih informacijah (oddelka 2 in 4 za dodatne metode).Fibrinske mikrogele smo pripravili z emulgiranjem mešane raztopine fibrinogena, Tris pufra in trombina v MF napravi za fokusiranje pretoka, čemur je sledilo kapljično geliranje.Raztopino govejega fibrinogena (60 mg/ml v TBS), pufer Tris in raztopino govejega trombina (5 U/ml v 10 mM raztopini CaCl2) so dajali z uporabo dveh neodvisno nadzorovanih črpalk na brizgo (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).blokirati MF, ZDA).Kontinuirana faza F-olja, ki vsebuje 1 mas. % blok kopolimera PFPE-P(EO-PO)-PFPE, je bila uvedena v enoto MF s tretjo črpalko za brizgo.Kapljice, ki nastanejo v napravi MF, se zberejo v 15 ml centrifugalno epruveto, ki vsebuje F-olje.Epruvete postavite v vodno kopel pri 37 °C za 1 uro, da dokončate geliranje fibrina.Fibrinske mikrogele, označene s FITC, smo pripravili z mešanjem govejega fibrinogena in humanega fibrinogena, označenega s FITC, v masnem razmerju 33:1.Postopek je enak kot pri pripravi fibrinskih mikrogelov.
Prenesite mikrogele iz olja F v TBS s centrifugiranjem disperzije pri 185 g 2 minuti.Oborjene mikrogele smo dispergirali v olju F, pomešanem z 20 mas. % perfluorooktil alkohola, nato dispergirali v heksanu, ki je vseboval 0,5 mas. % Span 80, heksan, 0,1 mas. % Triton X v vodi in TBS.Končno smo mikrogele dispergirali v TBS, ki je vseboval 0,01 mas. % Tween 20, in jih shranili pri 4 °C približno 1–2 tedna pred poskusi.
Izdelava naprave MF je opisana v dodatnih informacijah (oddelek 5 o dodatnih metodah).V tipičnem poskusu je pozitivna vrednost ΔP določena z relativno višino rezervoarjev, povezanih pred in za MF napravo za vnašanje mikrogelov s premerom 150 < D0 < 270 µm v mikrokanale.Nemoteno velikost mikrogelov smo določili z vizualizacijo v makrokanalu.Mikrogel se ustavi v stožčastem območju na vhodu v zožitev.Ko konica prednjega mikrogela ostane nespremenjena 2 minuti, s programom MATLAB določite položaj mikrogela vzdolž osi x.S postopnim povečanjem ΔP se mikrogel premika vzdolž klinastega območja, dokler ne vstopi v zožitev.Ko je mikrogel v celoti vstavljen in stisnjen, ΔP hitro pade na nič, s čimer se uravnoteži nivo vode med rezervoarjema, zaprti mikrogel pa ostane nepremični pod stiskanjem.Dolžino obstruktivnega mikrogela smo izmerili 30 minut po prenehanju zožitve.
Med poskusi fibrinolize raztopine t-PA in dekstrana, označenega s FITC, prodrejo skozi blokirane mikrogele.Pretok vsake tekočine smo spremljali z enokanalnim fluorescenčnim slikanjem.TAP, označen z AlexaFluor 633, pritrjen na fibrinska vlakna in nakopičen znotraj stisnjenih fibrinskih mikrogelov (TRITC kanal na dodatni sliki 18).Raztopina dekstrana, označena s FITC, se premika brez kopičenja v mikrogelu.
Podatki, ki podpirajo rezultate te študije, so na zahtevo na voljo pri ustreznih avtorjih.Neobdelane slike SEM fibrinskih gelov, neobdelane slike TEM fibrinskih gelov pred in po inokulaciji ter glavni vhodni podatki za sliki 1 in 2. 2 in 3 so na voljo v datoteki neobdelanih podatkov.Ta članek vsebuje izvirne podatke.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. in Weisel JV fibrinogen in fibrin.V makromolekularnem proteinskem kompleksu III: Struktura in funkcija (ur. Harris, JR in Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (Springer in Cham, 2021).
Bosman FT in Stamenkovič I. Funkcionalna struktura in sestava zunajceličnega matriksa.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prince E. in Kumacheva E. Oblikovanje in uporaba hidrogelov iz umetnih biomimetičnih vlaken.Nacionalni Matt Red.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Modeliranje polfleksibilnih polimernih mrež.Duhovnik Mod.fizika.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. in Piku, KR Mehansko modeliranje polfleksibilnih biopolimernih mrež: neafina deformacija in prisotnost dolgoročnih odvisnosti.V Napredek v mehaniki mehke snovi 119–145 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D in Mahadevan L. Poravnava kolagenskih gelov zaradi stresa.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS in Gianmi PA Nelinearna elastičnost biogelov.Narava 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stres nadzoruje mehanizme kolagenskega omrežja.postopek.Nacionalna akademija znanosti.znanost.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et al.Negativni normalni stres v polfleksibilnih biopolimernih gelih.Nacionalna alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.Nelinearna elastičnost mrež iz togih vlaken: deformacijsko utrjevanje, negativna normalna napetost in poravnava vlaken v fibrinskih gelih.J. Fizika.Kemični.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.Elastično obnašanje zamreženih in vezanih aktinskih mrež.Znanost 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Nelinearna mehanika deformacijsko vodenih optičnih omrežij s kritičnim nadzorom.Narodna fizika.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.Elastičnost vlaknatih mrež pri enoosnem prednapetju.Mehka snov 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB. Hidravlična prepustnost krvnega strdka kot funkcija gostote fibrina in trombocitov.biofizika.Revija 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et al.Vsestransko obnašanje hidrogelov je omejeno z ozkimi kapilarami.znanost.Hiša 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Učinek patološke heterogenosti na elastografijo s strižnimi valovi pri določanju globoke venske tromboze.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo kvantifikacija časovno odvisne induracije krvnih strdkov z uporabo ultrazvočnega slikanja s strižnimi valovi v modelu kunčje venske tromboze.tromb.rezervoar za shranjevanje.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Računalniška simulacija dinamike polimerizacije fibrina v povezavi z elektronsko mikroskopijo in opazovanjem motnosti: struktura in sestava strdka sta kinetično nadzorovana.biofizika.Revija 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW in Lorand, L. Strukturni izvor reologije fibrinskega strdka.biofizika.J. 77, 2813–2826 (1999).
Čas objave: 23. februarja 2023