Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Afișează un carusel de trei diapozitive simultan.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Limitarea hidrogelurilor fibroase la capilarele înguste este de mare importanță în sistemele biologice și biomedicale.Tensiunea și compresia uniaxială a hidrogelurilor fibroase au fost studiate pe larg, dar răspunsul lor la retenția biaxială în capilare rămâne neexplorat.Aici, demonstrăm experimental și teoretic că gelurile filamentoase răspund calitativ diferit la constrângere decât gelurile cu lanț flexibil datorită asimetriei proprietăților mecanice ale filamentelor constitutive, care sunt moi la compresie și rigide la tensiune.În condiții de retenție puternică, gelul fibros prezintă o alungire mică și o scădere asimptotică a raportului Poisson biaxial la zero, rezultând o compactare puternică a gelului și o permeabilitate slabă a lichidului prin gel.Aceste rezultate indică rezistența trombilor ocluzivi întinși la liza de către agenții terapeutici și stimulează dezvoltarea embolizării endovasculare eficiente din geluri fibroase pentru a opri sângerarea vasculară sau a inhiba aportul de sânge a tumorilor.
Rețelele fibroase sunt elementele de bază structurale și funcționale ale țesuturilor și celulelor vii.Actina este o componentă majoră a citoscheletului1;fibrina este un element cheie în vindecarea rănilor și formarea trombilor2, iar colagenul, elastina și fibronectina sunt componente ale matricei extracelulare în regnul animal3.Rețelele recuperate de biopolimeri fibroși au devenit materiale cu aplicații largi în ingineria țesuturilor4.
Rețelele filamentoase reprezintă o clasă separată de materie biologică moale cu proprietăți mecanice care sunt diferite de rețelele moleculare flexibile5.Unele dintre aceste proprietăți au evoluat în cursul evoluției pentru a controla răspunsul materiei biologice la deformare6.De exemplu, rețelele fibroase prezintă elasticitate liniară la tulpini mici7,8, în timp ce la tulpini mari prezintă o rigiditate crescută9,10, menținând astfel integritatea țesuturilor.Implicațiile pentru alte proprietăți mecanice ale gelurilor fibroase, cum ar fi stresul normal negativ ca răspuns la forfecarea11,12, nu au fost încă descoperite.
Proprietățile mecanice ale hidrogelurilor fibroase semi-flexibile au fost studiate sub tensiune uniaxială13,14 și compresie8,15, dar compresia lor biaxială indusă de libertate în capilare sau tuburi înguste nu a fost studiată.Aici raportăm rezultatele experimentale și propunem teoretic un mecanism pentru comportamentul hidrogelurilor fibroase sub retenție biaxială în canalele microfluidice.
Microgelurile de fibrină cu diferite rapoarte ale concentrațiilor de fibrinogen și trombină și un diametru D0 cuprins între 150 și 220 µm au fost generate folosind o abordare microfluidică (Figura 1 suplimentară).Pe fig.1a prezintă imagini cu microgeluri marcate cu fluorocrom obținute folosind microscopie confocală de fluorescență (CFM).Microgelurile sunt sferice, au o polidispersitate mai mică de 5% și au o structură uniformă pe scara examinată de CFM (Informații suplimentare și filme S1 și S2).Dimensiunea medie a porilor microgelurilor (determinată prin măsurarea permeabilității Darcy16) a scăzut de la 2280 la 60 nm, conținutul de fibrină a crescut de la 5,25 la 37,9 mg/mL, iar concentrația de trombine a scăzut de la 2,56 la 0,27 unități/mL, respectiv.(Informații suplimentare).Orez.2), 3 și tabelul suplimentar 1).Rigiditatea corespunzătoare a microgelului crește de la 0,85 la 3,6 kPa (Fig. 4 suplimentară).Ca exemple de geluri formate din lanțuri flexibile, sunt utilizate microgeluri de agaroză cu diferite rigidități.
Imagine de microscopie cu fluorescență a izotiocianat de fluoresceină (FITC) marcat PM suspendat în TBS.Scara barei este de 500 µm.b Imagini SEM ale SM (sus) și RM (jos).Bară de scară 500 nm.c Diagrama schematică a unui canal microfluidic constând dintr-un canal mare (diametru dl) și o regiune îngustă în formă de con cu un unghi de intrare α de 15° și un diametru de dc = 65 µm.d De la stânga la dreapta: imagini la microscop optic ale RM (diametrul D0) în canale mari, zonă conică și constricție (limitând lungimea gelului Dz).Scara barei este de 100 µm.e, f Imagini TEM ale unui RM neformat (e) și a unui RM oclus (f), fixat timp de o oră cu constricție 1/λr = 2,7, urmate de eliberarea și fixarea a 5% din masă.glutaraldehidă în TBS.Diametrul CO neformat este de 176 μm.Bara de scară este de 100 nm.
Ne-am concentrat pe microgeluri de fibrină cu o duritate de 0,85, 1,87 și 3,6 kPa (denumite în continuare microgeluri moi (SM), microgeluri medii dure (MM) și, respectiv, microgeluri dure (RM).Acest interval de rigiditate a gelului de fibrină este de același ordin de mărime ca și pentru cheaguri de sânge18,19 și, prin urmare, gelurile de fibrină studiate în lucrarea noastră sunt direct legate de sistemele biologice reale.Pe fig.1b prezintă imaginile de sus și de jos ale structurilor SM și RM obținute folosind un microscop electronic cu scanare (SEM).În comparație cu structurile RM, rețelele SM sunt formate din fibre mai groase și mai puține puncte de ramificație, în concordanță cu rapoartele anterioare 20, 21 (Figura 5 suplimentară).Diferența în structura hidrogelului se corelează cu tendința proprietăților sale: permeabilitatea gelului scade odată cu scăderea dimensiunii porilor de la SM la MM și RM (Tabelul suplimentar 1), iar rigiditatea gelului se inversează.Nu s-au observat modificări ale structurii microgelului după depozitarea la 4 ° C timp de 30 de zile (Figura 6 suplimentară).
Pe fig.1c prezintă o diagramă a unui canal microfluidic cu secțiune transversală circulară care conține (de la stânga la dreapta): un canal mare cu un diametru dl în care microgelul rămâne nedeformat, o secțiune în formă de con cu o îngustare în diametru dc < D0, con -secțiuni în formă și canale mari cu un diametru dl (Fig. 7 suplimentară).Într-un experiment tipic, microgelurile au fost injectate în canale microfluidice la o cădere de presiune pozitivă ΔP de 0,2-16 kPa (Figura 8 suplimentară).Acest interval de presiune corespunde tensiunii arteriale semnificative biologic (120 mm Hg = 16 kPa)22.Pe fig.1d (de la stânga la dreapta) arată imagini reprezentative ale RM în canale mari, zone conice și constricții.Mișcarea și forma microgelului au fost înregistrate și analizate folosind programul MATLAB.Este important de reținut că, în regiunile de constricție și constricții, microgelurile sunt în contact conform cu pereții microcanalelor (Figura 8 suplimentară).Gradul de retenție radială a microgelului la îngustare D0/dc = 1/λr este în intervalul 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, unde 1/λr este raportul de compresie.Microgelul trece prin contracție atunci când ΔP > ΔPtr, unde ΔPtr este diferența de presiune de translocare.Lungimea și dimensiunea porilor microgelurilor constrânse biaxial sunt determinate de starea lor de echilibru, deoarece este foarte important să se țină cont de viscoelasticitatea gelurilor în sistemele biologice.Timpul de echilibrare pentru microgelurile de agaroză și fibrină a fost de 10 min, respectiv 30 min.După aceste intervale de timp, microgelurile limitate și-au atins poziția și forma stabilă, care au fost capturate cu o cameră de mare viteză și analizate folosind MATLAB.
Pe fig.1e, 1f arată imagini de microscopie electronică cu transmisie (TEM) ale structurilor RM neformate și limitate biaxial.După compresia RM, dimensiunea porilor microgelului a scăzut semnificativ și forma lor a devenit anizotropă cu dimensiuni mai mici în direcția compresiei, ceea ce este în concordanță cu un raport anterior 23 .
Compresia biaxială în timpul contracției face ca microgelul să se alungească într-o direcție nelimitată cu un coeficient λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , unde \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) este lungimea microgelului închis Figura 2a arată modificarea în λzvs .1/ λr pentru microgeluri de fibrină și agaroză.În mod surprinzător, sub compresie puternică de 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, microgelurile de fibrină prezintă o alungire neglijabilă de 1,12 +/- 0,03 λz, care este doar puțin afectată de valoarea de 1/λr. microgeluri limitate de agaroză, care sunt observate chiar și la o compresie mai slabă 1/λr = 2,6 până la o alungire mai mare λz = 1,3.
a Microgel de agaroză experimentează cu diferiți module elastici (2,6 kPa, diamant verde deschis; 8,3 kPa, cerc deschis maro; 12,5 kPa, pătrat deschis portocaliu; 20,2 kPa, triunghi inversat deschis magenta) și SM (roșu continuu) Modificarea alungirii măsurate λz ( cercuri), MM (pătrate negre solide) și RM (triunghiuri albastre solide).Liniile continue arată λz prezis teoretic pentru microgelurile de agaroză (linia verde) și fibrină (linii și simboluri de aceeași culoare).b, c Panoul de sus: diagramă schematică a lanțurilor de rețea de agaroză (b) și fibrină (c) înainte (stânga) și după (dreapta) compresia biaxială.De jos: Forma rețelei corespunzătoare înainte și după deformare.Direcțiile de compresie x și y sunt indicate prin săgeți magenta și, respectiv, maro.În figura de mai sus, lanțurile de rețele orientate în aceste direcții x și y sunt prezentate cu liniile corespunzătoare magenta și maro, iar lanțurile orientate într-o direcție z arbitrară sunt reprezentate de linii verzi.În gelul de fibrină (c), liniile violet și maro din direcțiile x și y se îndoaie mai mult decât în starea neformată, iar liniile verzi din direcția z se îndoaie și se întind.Tensiunea dintre directiile de compresie si tensiune se transmite prin fire cu directii intermediare.În gelurile de agaroză, lanțurile din toate direcțiile determină presiunea osmotică, ceea ce aduce o contribuție semnificativă la deformarea gelului.d Modificarea prezisă a raportului lui Poisson biaxial, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), pentru compresia echibiaxială a gelurilor de agaroză (linia verde) și fibrină (linia roșie).Insertul arată deformarea biaxială a gelului.e Modificarea presiunii de translocare ΔPtr, normalizată la rigiditatea gelului S, este reprezentată grafic în funcție de raportul de compresie pentru microgelurile de agaroză și fibrină.Culorile simbolurilor corespund culorilor din (a).Liniile verzi și roșii descriu relația teoretică dintre ΔPtr/S și 1/λr pentru gelurile de agaroză și, respectiv, de fibrină.Partea punctată a liniei roșii arată creșterea ΔPtr sub compresie puternică din cauza interacțiunilor dintre fibre.
Această diferență este asociată cu diferite mecanisme de deformare a rețelelor de microgel de fibrină și agaroză, care constau din fire flexibile24 și, respectiv, rigide25.Compresia biaxială a gelurilor flexibile duce la o scădere a volumului acestora și o creștere asociată a concentrației și a presiunii osmotice, ceea ce duce la o alungire a gelului într-o direcție nelimitată.Alungirea finală a gelului depinde de echilibrul unei creșteri a energiei libere entropice a lanțurilor întinse și de o scădere a energiei libere a osmozei datorită concentrației mai mici de polimer din gelul întins.Sub compresie biaxială puternică, alungirea gelului crește cu λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (vezi Fig. 2a în secțiunea de discuții 5.3.3).Modificările conformaționale ale lanțurilor flexibile și forma rețelelor corespunzătoare înainte și după retenția biaxială sunt prezentate în Fig.2b.
În schimb, gelurile fibroase, cum ar fi fibrina, răspund în mod inerent diferit la retenția biaxială.Filamentele orientate predominant paralel cu direcția de compresie flexează (reducend astfel distanța dintre legăturile încrucișate), în timp ce filamentele predominant perpendicular pe direcția de compresie se îndreptă și se întind sub acțiunea forței elastice, determinând alungirea gelului ( Fig. 1).2c) Structurile SM, MM și RM nedeformate au fost caracterizate prin analiza imaginilor lor SEM și CFM (Discuții suplimentare Secțiunea IV și Figura suplimentară 9).Prin determinarea modulului elastic (E), diametrul (d), lungimea profilului (R0), distanța dintre capete (L0 ≈ R0) și unghiul central (ψ0) al firelor în microgeluri de fibrină neformate (Tabelul suplimentar 2) – 4), găsim că modulul de îndoire a filetului \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) este semnificativ mai mică decât modulul său de tracțiune\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), deci kb/ks ≈ 0,1 (Tabelul suplimentar 4).Astfel, în condiții de retenție biaxială a gelului, firele de fibrină sunt ușor îndoite, dar rezistă la întindere.Alungirea unei rețele filamentoase supusă comprimării biaxiale este prezentată în Fig. 17 suplimentară.
Dezvoltăm un model teoretic afin (Discuții suplimentare Secțiunea V și Figurile suplimentare 10–16) în care alungirea unui gel fibros este determinată din echilibrul local al forțelor elastice care acționează în gel și prezice că într-o deformare biaxială puternică λz - 1 sub constrângere
Ecuația (1) arată că chiar și sub compresie puternică (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) există o ușoară expansiune a gelului și o deformare ulterioară prin alungire saturație λz–1 = 0,15 ± 0,05.Acest comportament este legat de (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 și (ii) termenul dintre paranteze pătrate aproximează asimptotic \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) pentru legături biaxiale puternice. Este important de reținut că prefactorul \({\left({k}_{({\mbox{b)))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) nu are nimic de-a face cu rigiditatea firului E, ci este determinată doar de raportul de aspect al firului d/L0 și unghiul central al arcului ψ0, care este similar cu SM, MM și RM (Tabelul suplimentar 4).
Pentru a evidenția și mai mult diferența de deformare indusă de libertate între gelurile flexibile și cele filamentoase, introducem raportul Poisson biaxial \({\nu }_{{{({\rm{b))))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\la 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) descrie un nemărginit orientarea deformarii gelului ca răspuns la deformarea egală în două direcții radiale și extinde aceasta la tulpini mari uniforme \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Pe fig.2d arată \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) pentru compresia biaxială uniformă a gelurilor flexibile (cum ar fi agaroza) și rigide (cum ar fi fibrina) (Discuție suplimentară, secțiunea 5.3.4) și evidențiază relația dintre diferențele puternice în răspunsurile la izolare. Pentru gelurile de agaroză sub restricții puternice {\rm{eff}}}}}}}\) crește la valoarea asimptotică 2/3, iar pentru gelurile de fibrină scade la zero, deoarece lnλz/lnλr → 0, deoarece λz crește cu saturație pe măsură ce λr crește.Rețineți că în experimente, microgelurile sferice închise se deformează neomogen, iar partea lor centrală experimentează o compresie mai puternică;totuși, extrapolarea la o valoare mare de 1/λr face posibilă compararea experimentului cu teoria gelurilor deformate uniform.
O altă diferență în comportamentul gelurilor cu lanț flexibil și al gelurilor filamentoase a fost găsită datorită mișcării lor la contracție.Presiunea de translocare ΔPtr, normalizată la rigiditatea gelului S, a crescut odată cu creșterea compresiei (Fig. 2e), dar la 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5, microgelurile de fibrină au prezentat valori semnificativ mai mici ale ΔPtr/S în timpul contracției.Reținerea microgelului de agaroză duce la o creștere a presiunii osmotice, ceea ce duce la întinderea gelului pe direcția longitudinală pe măsură ce moleculele de polimer sunt întinse (Fig. 2b, stânga) și o creștere a presiunii de translocare cu ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Dimpotrivă, forma microgelurilor de fibrină închise este determinată de balanța energetică a firelor de compresie radială și tensiune longitudinală, ceea ce duce la deformarea longitudinală maximă λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Pentru 1/λr ≫ 1, modificarea presiunii de translocare este scalată ca 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (Discuție suplimentară, secțiunea 5.4), așa cum este arătat de linia roșie continuă din Fig. 2e.Astfel, ΔPtr este mai puțin constrâns decât în gelurile de agaroză.Pentru compresiile cu 1/λr > 3,5, o creștere semnificativă a fracției de volum a filamentelor și interacțiunea filamentelor învecinate limitează deformarea ulterioară a gelului și duce la abateri ale rezultatelor experimentale de la predicții (linia punctată roșie în Fig. 2e).Concluzionăm că pentru aceleași 1/λr și Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agaroză}} }} } } } }}\) gelul de agaroză va fi captat de microcanal, iar gelul de fibrină cu aceeași rigiditate va trece prin el.Pentru ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))))))_{{{{{\rm{fibrina)))))))))}\ ), Două Ambele geluri vor bloca canalul, dar gelul de fibrină va împinge mai adânc și va comprima mai eficient, blocând fluxul fluidului mai eficient.Rezultatele prezentate în Figura 2 demonstrează că gelul fibros poate servi ca un dop eficient pentru a reduce sângerarea sau a inhiba alimentarea cu sânge a tumorilor.
Pe de altă parte, fibrina formează o schelă de cheag care duce la tromboembolism, o afecțiune patologică în care un tromb oclude un vas la ΔP < ΔPtr, cum ar fi în unele tipuri de accident vascular cerebral ischemic (Fig. 3a).Alungirea mai slabă indusă de restricție a microgelurilor de fibrină a dus la o creștere mai puternică a concentrației de fibrina a fibrinogenului C/C în comparație cu gelurile cu lanț flexibil, unde fibrinogenul C și C sunt microgeluri restricționate și, respectiv, neformate.Concentrația polimerului în gel.Figura 3b arată că fibrinogenul C/C în SM, MM și RM a crescut de mai mult de șapte ori la 1/λr ≈ 4,0, determinat de restricție și deshidratare (Figura 16 suplimentară).
Ilustrare schematică a ocluziei arterei cerebrale medii din creier.b Creștere relativă mediată de restricție a concentrației de fibrină în SM obstructiv (cercuri roșii continue), MM (pătrate negre solide) și RM (triunghiuri albastre solide).c Design experimental utilizat pentru a studia clivajul gelurilor de fibrină restricționate.O soluție de tPA marcat fluorescent în TBS a fost injectată la un debit de 5,6 × 107 µm3/s și o cădere suplimentară de presiune de 0,7 Pa pentru canalele situate perpendicular pe axa lungă a microcanalului principal.d Imagine microscopică multicanal combinată a MM obstructiv (D0 = 200 um) la Xf = 28 um, ΔP = 700 Pa și în timpul divizării.Liniile punctate verticale arată pozițiile inițiale ale marginilor posterioare și anterioare ale MM la tlys = 0. Culorile verde și roz corespund FITC-dextran (70 kDa) și respectiv tPA etichetate cu AlexaFluor633.e Volumul relativ variabil în timp al RM-urilor ocluzate cu D0 de 174 µm (triunghi albastru deschis inversat), 199 µm (triunghi albastru deschis) și, respectiv, 218 µm (triunghi albastru deschis), într-un microcanal conic cu Xf = 28 ± 1 µm.secțiunile au ΔP 1200, 1800 și, respectiv, 3000 Pa și Q = 1860 ± 70 µm3/s.Insertul arată RM (D0 = 218 µm) conectarea microcanalului.f Variația în timp a volumului relativ de SM, MM sau RM plasat la Xf = 32 ± 12 µm, la ΔP 400, 750 și 1800 Pa și ΔP 12300 Pa și Q 12300 în regiunea conică a microcanalului, respectiv 2400 și µm3860 /s.Xf reprezintă poziția frontală a microgelului și determină distanța acestuia de la începutul contracției.V(tlys) și V0 sunt volumul temporar al microgelului lizat și, respectiv, volumul microgelului netulburat.Culorile caracterelor corespund culorilor din b.Săgețile negre de pe e, f corespund ultimului moment de timp înainte de trecerea microgelurilor prin microcanal.Bara de scară în d, e este de 100 µm.
Pentru a investiga efectul restricției asupra reducerii fluxului de fluid prin gelurile obstructive de fibrină, am studiat liza SM, MM și RM infiltrate cu activatorul de plasminogen tisular (tPA) cu agent trombolitic.Figura 3c prezintă designul experimental utilizat pentru experimentele de liză. La ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) și un debit, Q = 2400 μm3/s, de soluție salină tamponată cu Tris (TBS) amestecată cu 0,1 mg/mL de (izotiocianat de fluoresceină) FITC-Dextran, microgelul a obturat microcanalul conic. regiune. La ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) și un debit, Q = 2400 μm3/s, de soluție salină tamponată cu Tris (TBS) amestecată cu 0,1 mg/mL de (izotiocianat de fluoresceină) FITC-Dextran, microgelul a obturat microcanalul conic. regiune. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого растого солевого растого солевого растого), скорости потока, сороствора, трис-буферного л (флуоресцеинизотиоцианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. La ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) și un debit, Q = 2400 µm3/s, de soluție salină tamponată Tris (TBS) amestecată cu 0,1 mg/mL (izotiocianat de fluoresceină) FITC-dextran, microgelul a obturat microcanalul convergent.regiune.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（异硫氰（异硫氰（异硫氰酖賴賴酉混合时，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。 Микрогели закупориваются при смешивании трис-буферного солевого раствора (TBS) с 0,1 мешивании трис-буферного солевого раствора (TBS) с 0,1 мешивании (Микрогели т) FITC-декстрана при ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические областова областова. Microgelurile blocate atunci când soluția salină tamponată Tris (TBS) a fost amestecată cu 0,1 mg/mL (izotiocianat de fluoresceină) FITC-dextran la ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) și debit Q = 2400 µm3/s Regiuni conice ale microcanalelor.Poziția înainte Xf a microgelului determină distanța acestuia față de punctul inițial de contracție X0.Pentru a induce liza, o soluție de tPA marcat fluorescent în TBS a fost injectată dintr-un canal situat ortogonal pe axa lungă a microcanalului principal.
Când soluția de tPA a ajuns la MM ocluzal, marginea posterioară a microgelului a devenit neclară, indicând faptul că scindarea fibrinei a început la momentul tlys = 0 (Fig. 3d și Fig. 18 suplimentară).În timpul fibrinolizei, tPA marcat cu colorant se acumulează în interiorul MM și se leagă de firele de fibrină, ceea ce duce la o creștere treptată a intensității culorii roz a microgelurilor.La tlys = 60 min, MM-ul se contractă din cauza dizolvării părții sale posterioare, iar poziția marginii sale frontale Xf se schimbă puțin.După 160 de minute, MM puternic contractat a continuat să se contracte, iar la tlys = 161 min, a suferit contracție, restabilind astfel fluxul de fluid prin microcanal (Fig. 3d și Fig. 18 suplimentară, coloana din dreapta).
Pe fig.3e prezintă scăderea dependentă de timp mediată de liză a volumului V(tlys) normalizat la volumul inițial V0 al microgelurilor de fibrină de diferite dimensiuni.CO cu D0 174, 199 sau 218 um a fost plasat într-un microcanal cu ΔP 1200, 1800 sau, respectiv, 3000 Pa, și Q = 1860 ± 70 um3/s pentru a bloca microcanalul (Fig. 3e, insert).nutriție.Microgelurile se micșorează treptat până când sunt suficient de mici pentru a trece prin canale.O scădere a volumului critic de CO cu un diametru inițial mai mare necesită un timp de liză mai lung.Datorită fluxului similar prin RM-uri de dimensiuni diferite, clivajul are loc în aceeași viteză, rezultând digestia fracțiilor mai mici de RM-uri mai mari și translocarea lor întârziată.Pe fig.3f arată reducerea relativă a V(tlys)/V0 datorită divizării pentru SM, MM și RM la D0 = 197 ± 3 um reprezentat grafic în funcție de tlys.Pentru SM, MM și RM, plasați fiecare microgel într-un microcanal cu ΔP 400, 750 sau 1800 Pa și Q 12300, 2400 sau, respectiv, 1860 µm3/s.Deși presiunea aplicată SM a fost de 4,5 ori mai mică decât cea a RM, fluxul prin SM a fost de peste șase ori mai puternic datorită permeabilității mai mari a SM, iar contracția microgelului a scăzut de la SM la MM și RM. .De exemplu, la tlys = 78 min, SM s-a dizolvat și s-a deplasat în cea mai mare parte, în timp ce MM și PM au continuat să înfunde microcanalele, în ciuda faptului că au păstrat doar 16% și, respectiv, 20% din volumul lor original.Aceste rezultate sugerează importanța lizei mediate de convecție a gelurilor fibroase constrânse și se corelează cu rapoartele de digestie mai rapidă a cheagurilor cu conținut mai scăzut de fibrină.
Astfel, munca noastră demonstrează experimental și teoretic mecanismul prin care gelurile filamentoase răspund la confinarea biaxială.Comportarea gelurilor fibroase într-un spațiu limitat este determinată de asimetria puternică a energiei de deformare a filamentelor (moale la compresie și dure la tensiune) și numai de raportul de aspect și curbura filamentelor.Această reacție are ca rezultat o alungire minimă a gelurilor fibroase conținute în capilarele înguste, raportul Poisson biaxial al acestora scăzând odată cu creșterea compresiei și o presiune mai mică a biților.
Deoarece reținerea biaxială a particulelor moi deformabile este utilizată într-o gamă largă de tehnologii, rezultatele noastre stimulează dezvoltarea de noi materiale fibroase.În special, reținerea biaxială a gelurilor filamentoase în capilare sau tuburi înguste duce la compactarea lor puternică și la o scădere bruscă a permeabilității.Inhibarea puternică a fluxului de fluid prin gelurile fibroase ocluzive are avantaje atunci când sunt utilizate ca dopuri pentru a preveni sângerarea sau pentru a reduce aportul de sânge la afecțiunile maligne33,34,35.Pe de altă parte, o scădere a fluxului de fluid prin gelul de fibrină ocluzală, inhibând astfel liza trombului mediată de convectiv, oferă o indicație a lizei lente a cheagurilor ocluzale [27, 36, 37].Sistemul nostru de modelare este primul pas către înțelegerea implicațiilor răspunsului mecanic al hidrogelurilor de biopolimer fibros la retenția biaxială.Încorporarea celulelor sanguine sau a trombocitelor în gelurile obstructive de fibrină va afecta comportamentul lor de restricție 38 și va fi următorul pas în descoperirea comportamentului unor sisteme semnificative biologic mai complexe.
Reactivii utilizați pentru prepararea microgelurilor de fibrină și fabricarea dispozitivelor MF sunt descriși în Informații suplimentare (Metode suplimentare secțiunile 2 și 4).Microgelurile de fibrină au fost preparate prin emulsionarea unei soluții mixte de fibrinogen, tampon Tris și trombină într-un dispozitiv MF de focalizare a fluxului, urmată de gelificarea picăturilor.Soluție de fibrinogen bovin (60 mg/ml în TBS), tampon Tris și soluție de trombină bovină (5 U/ml în soluție de CaCl2 10 mM) au fost administrate utilizând două pompe cu seringă controlate independent (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).pentru a bloca MF, SUA).Faza continuă de F-ulei conţinând 1% în greutate copolimer bloc PFPE-P(EO-PO)-PFPE, a fost introdusă în unitatea MF utilizând o a treia pompă cu seringă.Picăturile formate în dispozitivul MF sunt colectate într-un tub de centrifugă de 15 ml care conține ulei F.Puneți tuburile într-o baie de apă la 37 ° C timp de 1 oră pentru a finaliza gelificarea fibrinei.Microgelurile de fibrină marcate cu FITC au fost preparate prin amestecarea fibrinogenului bovin și, respectiv, fibrinogenului uman marcat FITC într-un raport de greutate de 33:1.Procedura este aceeași ca și pentru prepararea microgelurilor de fibrină.
Se transferă microgelurile din uleiul F în TBS prin centrifugare a dispersiei la 185 g timp de 2 minute.Microgelurile precipitate au fost dispersate în ulei F amestecat cu 20% în greutate alcool perfluorooctil, apoi dispersate în hexan conţinând 0,5% în greutate Span 80, hexan, 0,1% în greutate Triton X în apă şi TBS.În cele din urmă, microgelurile au fost dispersate în TBS care conține 0,01% în greutate Tween 20 și depozitate la 4°C timp de aproximativ 1-2 săptămâni înainte de experimente.
Fabricarea dispozitivului MF este descrisă în Informații suplimentare (Metode suplimentare secțiunea 5).Într-un experiment tipic, valoarea pozitivă a ΔP este determinată de înălțimea relativă a rezervoarelor conectate înainte și după dispozitivul MF pentru introducerea microgelurilor cu un diametru de 150 < D0 < 270 um în microcanale.Mărimea netulburată a microgelurilor a fost determinată prin vizualizarea lor în macrocanal.Microgelul se oprește într-o zonă conică la intrarea în constricție.Când vârful microgelului anterior rămâne neschimbat timp de 2 minute, utilizați programul MATLAB pentru a determina poziția microgelului de-a lungul axei x.Cu o creștere treptată a ΔP, microgelul se mișcă de-a lungul regiunii în formă de pană până când intră în constricție.Odată ce microgelul este complet introdus și comprimat, ΔP scade rapid la zero, echilibrând nivelul apei dintre rezervoare, iar microgelul închis rămâne staționar sub compresie.Lungimea microgelului obstructiv a fost măsurată la 30 de minute după ce constricția a încetat.
În timpul experimentelor de fibrinoliză, soluțiile de dextran marcat cu t-PA și FITC penetrează microgelurile blocate.Debitul fiecărui lichid a fost monitorizat utilizând imagini de fluorescență cu un singur canal.TAP etichetat cu AlexaFluor 633 atașat la fibre de fibrină și acumulat în interiorul microgelurilor de fibrină comprimată (canal TRITC în Fig. 18 suplimentară).Soluția de dextran marcată cu FITC se mișcă fără acumulare în microgel.
Datele care susțin rezultatele acestui studiu sunt disponibile de la autorii respectivi, la cerere.Imaginile brute SEM ale gelurilor de fibrină, imaginile brute TEM ale gelurilor de fibrină înainte și după inoculare și datele principale de intrare pentru figurile 1 și 2. 2 și 3 sunt furnizate în fișierul de date brute.Acest articol oferă datele originale.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. și Weisel JV fibrinogen și fibrină.În Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (ed. Harris, JR și Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 ( Springer și Cham, 2021).
Bosman FT și Stamenkovich I. Structura funcțională și compoziția matricei extracelulare.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prince E. și Kumacheva E. Proiectarea și aplicarea hidrogelurilor din fibre biomimetice artificiale.Roșu Mat Național.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Modelarea rețelelor polimerice semi-flexibile.Preot Mod.fizică.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. și Piku, KR Modelarea mecanică a rețelelor de biopolimeri semi-flexibile: deformarea neafină și prezența dependențelor pe distanță lungă.În Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D și Mahadevan L. Alinierea gelurilor de colagen indusă de stres.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS și Gianmi PA Elasticitatea neliniară a biogelurilor.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress controlează mecanismele rețelei de colagen.proces.Academia Națională de Științe.știința.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, și colab.Stres normal negativ în geluri de biopolimer semi-flexibile.alma mater națională.6, 48–51 (2007).
Kang, H. şi colab.Elasticitatea neliniară a rețelelor de fibre rigide: întărire prin deformare, stres normal negativ și alinierea fibrelor în gelurile de fibrină.J. Fizica.Chimic.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML şi colab.Comportamentul elastic al rețelelor de actină reticulate și legate.Science 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. şi colab.Mecanica neliniară a rețelelor de fibră optică controlate prin deformare cu control critic.Fizică națională.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. şi colab.Elasticitatea rețelelor de fibre sub precomprimare uniaxială.Soft Matter 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Permeabilitatea hidraulică a cheagurilor de sânge în funcție de fibrina și densitatea trombocitelor.biofizică.Jurnalul 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. şi colab.Comportamentul versatil al hidrogelurilor este limitat de capilarele înguste.știința.Casa 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Efectul heterogenității patologice asupra elastografiei undei de forfecare în stadializarea trombozei venoase profunde.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. Cuantificarea in vivo a indurarii dependente de timp a cheagurilor de sânge folosind imagistica cu ultrasunete de forfecare într-un model de tromboză venoasă de iepure.tromb.rezervor de stocare.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Simularea computerizată a dinamicii polimerizării fibrinei în raport cu microscopia electronică și observațiile de turbiditate: structura și asamblarea cheagurilor sunt controlate cinetic.biofizică.Jurnalul 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW și Lorand, L. Originea structurală a reologiei cheagurilor de fibrină.biofizică.J. 77, 2813–2826 (1999).
Ora postării: 23-feb-2023