Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Ograničenje vlaknastih hidrogelova na uske kapilare je od velike važnosti u biološkim i biomedicinskim sistemima.Napetost i jednoosna kompresija vlaknastih hidrogelova su opsežno proučavani, ali njihov odgovor na biaksijalno zadržavanje u kapilarama ostaje neistražen.Ovdje eksperimentalno i teoretski demonstriramo da filamentni gelovi kvalitativno različito reagiraju na ograničenja od gelova sa fleksibilnim lancem zbog asimetrije mehaničkih svojstava sastavnih filamenata, koji su meki pri kompresiji i kruti na napetost.Pod jakim zadržavanjem, vlaknasti gel pokazuje malo elongacije i asimptotski pad biaksijalnog Poissonovog omjera na nulu, što rezultira jakim zbijanjem gela i lošom permeacijom tekućine kroz gel.Ovi rezultati ukazuju na otpor rastegnutih okluzivnih tromba na lizu terapijskim agensima i stimulišu razvoj efikasne endovaskularne embolizacije iz fibroznih gelova kako bi se zaustavilo vaskularno krvarenje ili inhibirao dotok krvi tumora.
Vlaknaste mreže su osnovni strukturni i funkcionalni gradivni blokovi tkiva i živih ćelija.Aktin je glavna komponenta citoskeleta1;fibrin je ključni element u zacjeljivanju rana i formiranju tromba2, a kolagen, elastin i fibronektin su komponente ekstracelularnog matriksa u životinjskom carstvu3.Obnovljene mreže vlaknastih biopolimera postale su materijali sa širokom primjenom u tkivnom inženjerstvu4.
Filamentne mreže predstavljaju zasebnu klasu biološke meke materije sa mehaničkim svojstvima koja se razlikuju od fleksibilnih molekularnih mreža5.Neka od ovih svojstava su evoluirala tokom evolucije kako bi se kontrolisala reakcija biološke materije na deformaciju6.Na primjer, vlaknaste mreže pokazuju linearnu elastičnost pri malim deformacijama7,8 dok kod velikih deformacija pokazuju povećanu krutost9,10, čime se održava integritet tkiva.Implikacije na druga mehanička svojstva vlaknastih gelova, kao što je negativno normalno naprezanje kao odgovor na posmično naprezanje11,12, tek treba da se otkriju.
Mehanička svojstva polufleksibilnih vlaknastih hidrogelova proučavana su pod jednoosnim zatezanjem13,14 i kompresijom8,15, ali njihova biaksijalna kompresija izazvana slobodom u uskim kapilarama ili cijevima nije proučavana.Ovdje izvještavamo o eksperimentalnim rezultatima i teoretski predlažemo mehanizam za ponašanje vlaknastih hidrogelova pod biaksijalnom retencijom u mikrofluidnim kanalima.
Mikrogelovi fibrina s različitim omjerima koncentracija fibrinogena i trombina i D0 promjera u rasponu od 150 do 220 µm generirani su mikrofluidnim pristupom (dodatna slika 1).Na sl.1a prikazuje slike mikrogelova označenih fluorohromom dobijenih konfokalnom fluorescentnom mikroskopom (CFM).Mikrogelovi su sferni, imaju polidisperznost manju od 5% i ujednačeni su po strukturi na skalama koje je ispitao CFM (Dodatne informacije i filmovi S1 i S2).Prosječna veličina pora mikrogelova (određena mjerenjem Darcy permeabilnosti16) smanjena je sa 2280 na 60 nm, sadržaj fibrina se povećao sa 5,25 na 37,9 mg/mL, a koncentracija trombina se smanjila sa 2,56 na 0,27 jedinica/mL, respektivno.(Dodatne informacije).Rice.2), 3 i dopunska tabela 1).Odgovarajuća krutost mikrogela se povećava sa 0,85 na 3,6 kPa (dopunska slika 4).Kao primjeri gelova formiranih od fleksibilnih lanaca koriste se mikrogelovi agaroze različite krutosti.
Fluorescentna mikroskopska slika fluorescein izotiocijanata (FITC) označenog PM suspendovanog u TBS.Barska skala je 500 µm.b SEM slike SM (gore) i RM (dole).Skala bar 500 nm.c Šematski dijagram mikrofluidnog kanala koji se sastoji od velikog kanala (prečnik dl) i suženog područja u obliku konusa sa ulaznim uglom α od 15° i prečnikom dc = 65 µm.d Slijeva nadesno: slike optičkog mikroskopa RM (prečnik D0) u velikim kanalima, konusnoj zoni i suženju (ograničavajuća dužina gela Dz).Barska skala je 100 µm.e, f TEM slike nedeformisanog RM (e) i okludiranog RM (f), fiksirane na jedan sat sa suženjem 1/λr = 2,7, nakon čega je uslijedilo oslobađanje i fiksacija 5% mase.glutaraldehid u TBS.Prečnik nedeformisanog CO je 176 μm.Linija skale je 100 nm.
Fokusirali smo se na mikrogelove fibrina sa tvrdoćom od 0,85, 1,87 i 3,6 kPa (u daljem tekstu meki mikrogelovi (SM), srednje tvrdi mikrogelovi (MM) i tvrdi mikrogelovi (RM), respektivno).Ovaj raspon krutosti fibrinskog gela je istog reda veličine kao kod krvnih ugrušaka18,19 i stoga su fibrinski gelovi proučavani u našem radu direktno povezani sa stvarnim biološkim sistemima.Na sl.1b prikazuje gornju i donju sliku SM i RM struktura dobijene pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM), respektivno.U poređenju sa RM strukturama, SM mreže su formirane debljim vlaknima i manjim brojem tačaka grananja, u skladu sa ranijim izveštajima 20, 21 (dodatna slika 5).Razlika u strukturi hidrogela je u korelaciji sa trendom njegovih svojstava: propusnost gela opada sa smanjenjem veličine pora od SM do MM i RM (dopunska tabela 1), a krutost gela se menja.Nisu zabilježene promjene u strukturi mikrogela nakon skladištenja na 4 °C tokom 30 dana (dopunska slika 6).
Na sl.1c prikazuje dijagram mikrofluidnog kanala kružnog poprečnog presjeka koji sadrži (s lijeva na desno): veliki kanal prečnika dl u kojem mikrogel ostaje nedeformiran, konusni dio sa suženim prečnikom dc < D0, konus - profili i veliki kanali prečnika dl (dopunska slika 7).U tipičnom eksperimentu, mikrogelovi su ubrizgani u mikrofluidne kanale pri pozitivnom padu pritiska ΔP od 0,2–16 kPa (dopunska slika 8).Ovaj opseg pritiska odgovara biološki značajnom krvnom pritisku (120 mm Hg = 16 kPa)22.Na sl.1d (s lijeva na desno) prikazuje reprezentativne slike RM u velikim kanalima, konusnim područjima i suženjima.Kretanje i oblik mikrogela snimljeni su i analizirani pomoću MATLAB programa.Važno je napomenuti da su u oblastima suženja i suženjima mikrogelovi u konformnom kontaktu sa zidovima mikrokanala (dopunska slika 8).Stepen radijalne retencije mikrogela pri suženju D0/dc = 1/λr je u opsegu 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, gdje je 1/λr omjer kompresije.Mikrogel prolazi kroz skupljanje kada je ΔP > ΔPtr, gdje je ΔPtr razlika translokacijskog tlaka.Dužina i veličina pora biaksijalno ograničenih mikrogelova određuju se njihovim stanjem ravnoteže, jer je veoma važno uzeti u obzir viskoelastičnost gela u biološkim sistemima.Vrijeme ekvilibracije za mikrogelove agaroze i fibrina bilo je 10 min i 30 min, respektivno.Nakon ovih vremenskih intervala, ograničeni mikrogelovi su dostigli svoj stabilan položaj i oblik, koji je snimljen kamerom velike brzine i analiziran pomoću MATLAB-a.
Na sl.1e, 1f prikazuju slike transmisione elektronske mikroskopije (TEM) nedeformisanih i biaksijalno ograničenih RM struktura.Nakon RM kompresije, veličina pora mikrogela se značajno smanjila i njihov oblik je postao anizotropan s manjim veličinama u smjeru kompresije, što je u skladu s ranijim izvještajem 23 .
Biaksijalna kompresija tokom kontrakcije uzrokuje da se mikrogel izdužuje u neograničenom smjeru sa koeficijentom λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}/\({D }_ { 0}\), gdje je \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) dužina zatvorenog mikrogela Slika 2a prikazuje promjenu λzvs .1/ λr za mikrogelove fibrina i agaroze.Iznenađujuće, pod jakom kompresijom od 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, fibrinski mikrogelovi pokazuju zanemarljivo elongaciju od 1,12 +/- 0,03 λz, na koje samo malo utiče vrijednost 1/λr. ograničeni mikrogelovi agaroze, koji se uočavaju i pri slabijoj kompresiji 1/λr = 2,6 do većeg elongacije λz = 1,3.
a Eksperimenti sa mikrogelom agaroze sa različitim modulima elastičnosti (2,6 kPa, zeleni otvoreni dijamant; 8,3 kPa, smeđi otvoreni krug; 12,5 kPa, narandžasti otvoreni kvadrat; 20,2 kPa, magenta otvoreni obrnuti trougao) i SM (puna crvena) Promjena izmjerenog elongacije λz ( krugovi), MM (puni crni kvadrati) i RM (puni plavi trouglovi).Pune linije pokazuju teoretski predviđeni λz za agarozu (zelena linija) i mikrogelove fibrina (linije i simboli iste boje).b, c Gornji panel: šematski dijagram mrežnih lanaca agaroze (b) i fibrina (c) prije (lijevo) i poslije (desno) biaksijalne kompresije.Dole: Oblik odgovarajuće mreže prije i poslije deformacije.Pravci kompresije x i y označeni su magenta i smeđim strelicama, respektivno.Na gornjoj slici, lanci mreža orijentiranih u ovim x i y smjerovima prikazani su odgovarajućim magenta i smeđim linijama, a lanci orijentirani u proizvoljnom z smjeru predstavljeni su zelenim linijama.U fibrin gelu (c), ljubičaste i smeđe linije u smjeru x i y se savijaju više nego u nedeformiranom stanju, a zelene linije u smjeru z savijaju se i rastežu.Napetost između pravaca kompresije i zatezanja prenosi se kroz niti sa srednjim pravcima.U gelovima agaroze, lanci u svim smjerovima određuju osmotski tlak, što daje značajan doprinos deformaciji gela.d Predviđena promjena biaksijalnog Poissonovog omjera, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}{\lambda }_{r}\ ), za ekvibiaksijalnu kompresiju gelova agaroze (zelena linija) i fibrina (crvena linija).Umetak prikazuje biaksijalnu deformaciju gela.e Promena translokacijskog pritiska ΔPtr, normalizovana na krutost gela S, prikazana je kao funkcija omjera kompresije za mikrogelove agaroze i fibrina.Boje simbola odgovaraju bojama u (a).Zelene i crvene linije prikazuju teoretsku vezu između ΔPtr/S i 1/λr za agarozne i fibrinske gelove, respektivno.Isprekidani dio crvene linije pokazuje povećanje ΔPtr pod jakom kompresijom zbog interakcija među vlaknima.
Ova razlika je povezana sa različitim mehanizmima deformacije fibrinskih i agaroznih mikrogel mreža koje se sastoje od fleksibilnih24 i krutih25 niti.Biaksijalna kompresija fleksibilnih gelova dovodi do smanjenja njihovog volumena i povezanog povećanja koncentracije i osmotskog tlaka, što dovodi do izduživanja gela u neograničenom smjeru.Konačna elongacija gela ovisi o ravnoteži povećanja entropijske slobodne energije rastegnutih lanaca i smanjenja slobodne energije osmoze zbog niže koncentracije polimera u rastegnutom gelu.Pod jakom biaksijalnom kompresijom, izduženje gela raste sa λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (vidi sliku 2a u odeljak za diskusiju 5.3.3).Konformacijske promjene u fleksibilnim lancima i oblik odgovarajućih mreža prije i nakon biaksijalne retencije prikazane su na Sl.2b.
Nasuprot tome, vlaknasti gelovi kao što je fibrin inherentno različito reaguju na biaksijalno zadržavanje.Filamenti orijentirani pretežno paralelno sa smjerom savijanja kompresije (na taj način smanjujući razmak između poprečnih veza), dok se filamenti pretežno okomiti na smjer kompresije ispravljaju i rastežu pod djelovanjem elastične sile, uzrokujući izduživanje gela ( Slika 1).2c) Strukture nedeformisanog SM, MM i RM okarakterisane su analizom njihovih SEM i CFM slika (Dopunska rasprava, odeljak IV i dodatna slika 9).Određivanjem modula elastičnosti (E), prečnika (d), dužine profila (R0), udaljenosti između krajeva (L0 ≈ R0) i centralnog ugla (ψ0) niti u nedeformisanim fibrinskim mikrogelovima (dodatna tabela 2) – 4), nalazimo da je modul savijanja niti \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) je znatno manji od njegovog zateznog modula\({k}_{{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), tako da je kb/ks ≈ 0,1 (Dopunska tabela 4).Dakle, u uslovima biaksijalne retencije gela, fibrinske niti se lako savijaju, ali odolevaju istezanju.Izduženje filamentne mreže podvrgnute biaksijalnoj kompresiji prikazano je na dodatnoj slici 17.
Razvijamo teorijski afini model (dopunska rasprava, odjeljak V i dodatne slike 10-16) u kojem se izduženje vlaknastog gela određuje iz lokalne ravnoteže elastičnih sila koje djeluju u gelu i predviđa da u jakom dvoosnom deformaciji λz - 1 pod ograničenjem
Jednačina (1) pokazuje da čak i pod jakom kompresijom (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) dolazi do blagog širenja gela i naknadne deformacije elongacije nakon zasićenje λz–1 = 0,15 ± 0,05.Ovo ponašanje je povezano sa (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 i (ii) izraz u uglastim zagradama asimptotski aproksimira \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) za jake biaksijalne veze.Važno je napomenuti da je prefaktor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) nema nikakve veze sa krutošću navoja E, već je određena samo omjerom širine navoja d/L0 i središnjim uglom luka ψ0, što je slično SM, MM i RM (dopunska tabela 4).
Da bismo dodatno istakli razliku u naprezanju izazvanom slobodom između fleksibilnih i filamentoznih gelova, uvodimo biaksijalni Poissonov omjer \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}\do 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}, \) opisuje neograničeni orijentacija deformacije gela kao odgovor na jednako naprezanje u dva radijalna smjera, i to proširuje na velike ujednačene 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 ujednačenu biaksijalnu kompresiju fleksibilnih (kao što je agaroza) i krutih (kao što je fibrin) gelova (Dopunska rasprava, odjeljak 5.3.4), i naglašava odnos između jakih razlika u odgovorima na zatvaranje. Za gelove agaroze pod jakim ograničenjima {\rm{eff}}}}}}}}\) raste na asimptotičku vrijednost 2/3, a za fibrinske gelove opada na nulu, budući da je lnλz/lnλr → 0, jer λz raste sa zasićenje kako λr raste.Imajte na umu da se u eksperimentima zatvoreni sferni mikrogelovi deformiraju nehomogeno, a njihov središnji dio doživljava jaču kompresiju;međutim, ekstrapolacija na veliku vrijednost od 1/λr omogućava poređenje eksperimenta sa teorijom za jednolično deformirane gelove.
Druga razlika u ponašanju gelova sa fleksibilnim lancem i filamentoznih gelova pronađena je zbog njihovog kretanja pri kontrakciji.Translokacijski pritisak ΔPtr, normalizovan na krutost gela S, povećavao se sa povećanjem kompresije (slika 2e), ali na 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5, fibrinski mikrogelovi su pokazali značajno niže vrijednosti ΔPtr/S dolje tokom skupljanja.Zadržavanje mikrogela agaroze dovodi do povećanja osmotskog pritiska, što dovodi do rastezanja gela u uzdužnom smjeru kako se molekule polimera rastežu (slika 2b, lijevo) i povećanja translokacijskog tlaka za ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Naprotiv, oblik zatvorenih fibrinskih mikrogelova određen je energetskim balansom niti radijalne kompresije i uzdužne napetosti, što dovodi do maksimalne uzdužne deformacije λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Za 1/λr ≫ 1, promjena translokacijskog pritiska je skalirana kao 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \desno)\) (Dopunska diskusija, odjeljak 5.4), kao što je prikazano punom crvenom linijom na slici 2e.Dakle, ΔPtr je manje ograničen nego u agaroznim gelovima.Za kompresije sa 1/λr > 3,5, značajno povećanje volumnog udjela filamenata i interakcija susjednih filamenata ograničava daljnju deformaciju gela i dovodi do odstupanja eksperimentalnih rezultata od predviđanja (crvena tačkasta linija na slici 2e).Zaključujemo da za iste 1/λr i Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) agarozni gel će biti zahvaćen mikrokanalom, a fibrinski gel iste krutosti će proći kroz njega.Za ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)))))))))_{{{{{\rm{fibrin)))))))))}\ ), Dva Oba gela će blokirati kanal, ali fibrinski gel će gurati dublje i efikasnije se kompresovati, blokirajući protok tečnosti efikasnije.Rezultati prikazani na slici 2 pokazuju da vlaknasti gel može poslužiti kao efikasan čep za smanjenje krvarenja ili inhibiranje dotoka krvi u tumore.
S druge strane, fibrin formira ugrušak koji dovodi do tromboembolije, patološkog stanja u kojem tromb začepljuje žilu pri ΔP < ΔPtr, kao što je kod nekih vrsta ishemijskog moždanog udara (slika 3a).Slabiji restrikcijom izazvan elongacija fibrinskih mikrogelova rezultirala je snažnijim povećanjem fibrinske koncentracije C/C fibrinogena u odnosu na gelove sa fleksibilnim lancem, gdje su C i C fibrinogen ograničeni i nedeformisani mikrogelovi, respektivno.Koncentracija polimera u gelu.Slika 3b pokazuje da se fibrinogen C/C u SM, MM i RM povećao više od sedam puta na 1/λr ≈ 4,0, potaknut restrikcijom i dehidracijom (dopunska slika 16).
Shematski prikaz okluzije srednje moždane arterije u mozgu.b Restrikcija posredovana relativnog povećanja koncentracije fibrina u opstruktivnom SM (puni crveni krugovi), MM (puni crni kvadrati) i RM (puni plavi trouglovi).c Eksperimentalni dizajn koji se koristi za proučavanje cijepanja ograničenih fibrinskih gelova.Rastvor fluorescentno obeleženog tPA u TBS je ubrizgan pri brzini protoka od 5,6 × 107 µm3/s i dodatnom padu pritiska od 0,7 Pa za kanale koji se nalaze okomito na dugu osu glavnog mikrokanala.d Objedinjena višekanalna mikroskopska slika opstruktivnog MM (D0 = 200 µm) na Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa i tokom cijepanja.Vertikalne isprekidane linije pokazuju početne pozicije zadnjeg i prednjeg ruba MM na tlys = 0. Zelena i ružičasta boja odgovaraju FITC-dekstranu (70 kDa) i tPA označenom sa AlexaFluor633, respektivno.e Vremenski promjenjivi relativni volumen okludiranih RM sa D0 od 174 µm (plavi otvoreni obrnuti trokut), 199 µm (plavi otvoreni trokut) i 218 µm (plavi otvoreni trokut), respektivno, u koničnom mikrokanalu sa Xf = 28 ± 1 µm.sekcije imaju ΔP 1200, 1800 i 3000 Pa, respektivno, i Q = 1860 ± 70 µm3/s.Umetak prikazuje RM (D0 = 218 µm) koji začepljuje mikrokanal.f Vremenska varijacija relativnog volumena SM, MM ili RM postavljenog na Xf = 32 ± 12 µm, na ΔP 400, 750 i 1800 Pa i ΔP 12300 Pa i Q 12300 u konusnoj regiji mikrokanala, odnosno 2400 µ3 µm /s.Xf predstavlja prednji položaj mikrogela i određuje njegovu udaljenost od početka skupljanja.V(tlys) i V0 su privremeni volumen liziranog mikrogela i volumen neporemećenog mikrogela, respektivno.Boje znakova odgovaraju bojama u b.Crne strelice na e, f odgovaraju posljednjem trenutku vremena prije prolaska mikrogelova kroz mikrokanal.Skala u d, e je 100 µm.
Da bismo istražili učinak restrikcije na smanjenje protoka tekućine kroz opstruktivne fibrinske gelove, proučavali smo lizu SM, MM i RM infiltriranih trombolitičkim agensom tkivnim aktivatorom plazminogena (tPA).Slika 3c prikazuje eksperimentalni dizajn korišten za eksperimente lize. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 μm3/s, tris-puferovane fiziološke otopine (TBS) pomiješane sa 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanata) FITC-dekstrana, mikrogel mikrokanal je začepio konusni kanal region. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 μm3/s, tris-puferovane fiziološke otopine (TBS) pomiješane sa 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanata) FITC-dekstrana, mikrogel mikrokanal je začepio konusni kanal region. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini potoka, Q = 2400 mkm3/s, tris-bufernog rastvora solevog rastvora (TBS), mešanog sa 0,1 mg/ml (fluoresceinizotiocianata) FITC-dekstrana, mikrogelʹ perkryval sužaûŝij mikrokanal. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 µm3/s, Tris puferovane fiziološke otopine (TBS) pomiješane sa 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanat) FITC-dekstrana, mikrogel je okludirao konvergentni mikrokanal.region.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（异硚槰酉薡硚氰酉混合时，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。 Mikrogeli se zakupljuju pri mešanju tris-bufernog rastvora rastvora (TBS) sa 0,1 mg/ml (fluoresceinizotiocianat) FITC-dekstrana pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka Q = 2400 mkm3/s Konične oblasti mikrokanala. Mikrogelovi su začepljeni kada je Tris puferovana fiziološka otopina (TBS) pomiješana sa 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanat) FITC-dekstrana pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka Q = 2400 µm3/s Konusne regije mikrokanala.Prednji položaj Xf mikrogela određuje njegovu udaljenost od početne tačke skupljanja X0.Da bi se indukovala liza, rastvor fluorescentno obeleženog tPA u TBS je ubrizgan iz kanala koji se nalazi ortogonalno na dužu os glavnog mikrokanala.
Kada je rastvor tPA stigao do okluzalnog MM, zadnji rub mikrogela je postao zamućen, što ukazuje da je cijepanje fibrina počelo u trenutku tlys = 0 (Slika 3d i Dodatna slika 18).Tokom fibrinolize, bojom označen tPA se akumulira unutar MM i vezuje za fibrinske niti, što dovodi do postepenog povećanja intenziteta ružičaste boje mikrogelova.Na tlys = 60 min, MM se skuplja zbog rastvaranja njegovog stražnjeg dijela, a položaj njegove prednje ivice Xf se malo mijenja.Nakon 160 min, snažno kontrahirani MM je nastavio da se kontrahuje, a na tlys = 161 min, podvrgnut je kontrakciji, čime je obnovljen protok tekućine kroz mikrokanal (slika 3d i dodatna slika 18, desna kolona).
Na sl.3e prikazuje vremenski zavisno smanjenje volumena V(tlys) posredovano lizom, normalizirano na početni volumen V0 fibrinskih mikrogelova različitih veličina.CO sa D0 174, 199 ili 218 µm stavljen je u mikrokanal sa ΔP 1200, 1800, odnosno 3000 Pa, respektivno, i Q = 1860 ± 70 µm3/s da bi se blokirao mikrokanal (slika 3e, umetak).ishrana.Mikrogelovi se postepeno skupljaju dok ne postanu dovoljno mali da prođu kroz kanale.Smanjenje kritične zapremine CO sa većim početnim prečnikom zahteva duže vreme lize.Zbog sličnog protoka kroz RM različitih veličina, cijepanje se događa istom brzinom, što rezultira varenjem manjih frakcija većih RM i njihovom odgođenom translokacijom.Na sl.3f prikazuje relativno smanjenje V(tlys)/V0 zbog cijepanja za SM, MM i RM na D0 = 197 ± 3 µm prikazano kao funkcija tlys.Za SM, MM i RM, stavite svaki mikrogel u mikrokanal sa ΔP 400, 750 ili 1800 Pa i Q 12300, 2400 ili 1860 µm3/s, respektivno.Iako je pritisak primijenjen na SM bio 4,5 puta manji od pritiska na RM, protok kroz SM bio je više od šest puta jači zbog veće permeabilnosti SM, a skupljanje mikrogela se smanjilo sa SM na MM i RM .Na primjer, na tlys = 78 min, SM se uglavnom rastvorio i pomjerio, dok su MM i PM nastavili da začepljuju mikrokanale, uprkos tome što su zadržali samo 16% odnosno 20% svog prvobitnog volumena.Ovi rezultati ukazuju na važnost konvekcijom posredovane lize suženih vlaknastih gelova i koreliraju sa izvještajima o bržoj probavi ugrušaka sa nižim sadržajem fibrina.
Stoga, naš rad demonstrira eksperimentalno i teoretski mehanizam kojim filamentni gelovi reagiraju na dvoosnu konfinaciju.Ponašanje vlaknastih gelova u ograničenom prostoru određeno je jakom asimetrijom energije naprezanja filamenata (mekih pri kompresiji i tvrdih pri zatezanju) i samo omjerom stranica i zakrivljenosti niti.Ova reakcija rezultira minimalnim izduženjem fibroznih gelova sadržanih u uskim kapilarama, njihov biaksijalni Poissonov omjer opada s povećanjem kompresije i manjim tlakom u bitu.
Budući da se biaksijalno zadržavanje mekih deformabilnih čestica koristi u širokom spektru tehnologija, naši rezultati stimuliraju razvoj novih vlaknastih materijala.Konkretno, biaksijalno zadržavanje filamentoznih gelova u uskim kapilarama ili cijevima dovodi do njihovog snažnog zbijanja i oštrog smanjenja propusnosti.Snažna inhibicija protoka tekućine kroz okluzivne fibrozne gelove ima prednosti kada se koristi kao čepovi za sprječavanje krvarenja ili smanjenje dotoka krvi malignih tumora33,34,35.S druge strane, smanjenje protoka tekućine kroz okluzalni fibrinski gel, čime se inhibira konvektivno posredovana liza tromba, daje indikaciju spore lize okluzalnih ugrušaka [27, 36, 37].Naš sistem modeliranja je prvi korak ka razumijevanju implikacija mehaničkog odgovora vlaknastih biopolimernih hidrogelova na biaksijalno zadržavanje.Uključivanje krvnih stanica ili trombocita u opstruktivne fibrinske gelove utjecat će na njihovo restrikciono ponašanje 38 i bit će sljedeći korak u otkrivanju ponašanja složenijih biološki značajnih sistema.
Reagensi koji se koriste za pripremu fibrinskih mikrogelova i izradu MF uređaja opisani su u Dodatnim informacijama (Dopunske metode, odjeljci 2 i 4).Fibrinski mikrogelovi su pripremljeni emulzifikacijom miješane otopine fibrinogena, Tris pufera i trombina u MF uređaju za fokusiranje protoka, nakon čega je uslijedilo geliranje kapljicama.Goveđi rastvor fibrinogena (60 mg/ml u TBS), Tris pufer i rastvor goveđeg trombina (5 U/ml u 10 mM rastvoru CaCl2) davani su pomoću dve nezavisno kontrolisane špriceve pumpe (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).blokirati MF, SAD).Kontinuirana faza F-ulja koja sadrži 1 tež.% blok kopolimera PFPE-P(EO-PO)-PFPE, uvedena je u MF jedinicu pomoću treće špric pumpe.Kapljice nastale u MF uređaju sakupljaju se u epruvetu za centrifugiranje od 15 ml koja sadrži F-ulje.Stavite epruvete u vodeno kupatilo na 37 °C tokom 1 h da biste završili geliranje fibrina.FITC označeni fibrinski mikrogelovi pripremljeni su miješanjem goveđeg fibrinogena i FITC označenog humanog fibrinogena u težinskom omjeru 33:1, respektivno.Postupak je isti kao i za pripremu fibrinskih mikrogelova.
Prenesite mikrogelove iz ulja F u TBS centrifugiranjem disperzije na 185 g tokom 2 min.Precipitirani mikrogelovi su dispergovani u ulju F pomešanom sa 20 tež.% perfluoroktil alkohola, zatim dispergovani u heksanu koji sadrži 0,5 tež.% Span 80, heksan, 0,1 tež.% Triton X u vodi i TBS.Konačno, mikrogelovi su dispergovani u TBS koji sadrži 0,01 tež.% Tween 20 i čuvani na 4°C otprilike 1-2 sedmice prije eksperimenata.
Proizvodnja MF uređaja opisana je u Dodatnim informacijama (Dopunske metode, odjeljak 5).U tipičnom eksperimentu, pozitivna vrijednost ΔP određena je relativnom visinom rezervoara spojenih prije i poslije MF uređaja za uvođenje mikrogelova promjera 150 < D0 < 270 µm u mikrokanale.Neporemećena veličina mikrogelova određena je vizualizacijom u makrokanalu.Mikrogel se zaustavlja u konusnom području na ulazu u konstrikciju.Kada vrh prednjeg mikrogela ostane nepromenjen 2 min, koristite MATLAB program da odredite položaj mikrogela duž x-ose.Sa postepenim povećanjem ΔP, mikrogel se kreće duž klinastog područja sve dok ne uđe u suženje.Jednom kada je mikrogel potpuno umetnut i komprimiran, ΔP brzo pada na nulu, balansirajući nivo vode između rezervoara, a zatvoreni mikrogel ostaje nepomičan pod kompresijom.Dužina opstruktivnog mikrogela je izmjerena 30 minuta nakon prestanka stezanja.
Tokom eksperimenata fibrinolize, otopine t-PA i FITC-obilježenog dekstrana prodiru u blokirane mikrogelove.Protok svake tečnosti je praćen korišćenjem jednokanalne fluorescentne slike.TAP označen sa AlexaFluor 633 pričvršćen za fibrinska vlakna i akumuliran unutar komprimiranih fibrinskih mikrogelova (TRITC kanal na dodatnoj slici 18).Rastvor dekstrana označen sa FITC se kreće bez nakupljanja u mikrogelu.
Podaci koji podržavaju rezultate ove studije dostupni su od odgovarajućih autora na zahtjev.Neobrađene SEM slike fibrinskih gelova, neobrađene TEM slike fibrinskih gelova prije i nakon inokulacije, te glavni ulazni podaci za slike 1 i 2. 2 i 3 date su u datoteci sirovih podataka.Ovaj članak daje originalne podatke.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. i Weisel JV fibrinogen i fibrin.U Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (ur. Harris, JR i Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (Springer i Cham, 2021).
Bosman FT i Stamenkovich I. Funkcionalna struktura i sastav ekstracelularnog matriksa.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prince E. i Kumacheva E. Dizajn i primena hidrogelova veštačkih biomimetičkih vlakana.National Matt Red.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Modeliranje polufleksibilnih polimernih mreža.Svećenik Mod.fizike.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. i Piku, KR Mehaničko modeliranje polufleksibilnih biopolimernih mreža: ne-afina deformacija i prisutnost dugoročnih ovisnosti.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D i Mahadevan L. Stresom izazvano poravnanje kolagenskih gelova.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS i Gianmi PA Nelinearna elastičnost biogelova.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stres kontroliše mehanizme kolagene mreže.proces.Nacionalna akademija nauka.nauku.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et al.Negativno normalno naprezanje u polufleksibilnim biopolimernim gelovima.Nacionalna alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.Nelinearna elastičnost čvrstih mreža vlakana: stvrdnjavanje deformacijom, negativni normalni napon i poravnanje vlakana u fibrinskim gelovima.J. Physics.Hemijski.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.Elastično ponašanje umreženih i vezanih aktinskih mreža.Science 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Nelinearna mehanika vlakno-optičkih mreža kontroliranih naprezanjem s kritičnom kontrolom.Nacionalna fizika.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.Elastičnost vlaknastih mreža pri jednoosnom prednaprezanju.Soft Matter 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Hidraulička propusnost krvnog ugruška kao funkcija fibrina i gustine trombocita.biofizika.Časopis 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et al.Svestrano ponašanje hidrogelova ograničeno je uskim kapilarama.nauku.Kuća 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Efekat patološke heterogenosti na elastografiju smičnog talasa u stadijumu duboke venske tromboze.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo kvantifikacija vremenski zavisne induracije krvnih ugrušaka korištenjem ultrazvučnog snimanja posmičnog talasa u modelu venske tromboze zeca.tromba.rezervoar za skladištenje.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Kompjuterska simulacija dinamike polimerizacije fibrina u odnosu na elektronsku mikroskopiju i zapažanja zamućenosti: struktura i sklop ugruška su kinetički kontrolirani.biofizika.Časopis 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW i Lorand, L. Strukturno porijeklo reologije fibrinskog ugruška.biofizika.J. 77, 2813–2826 (1999).
Vrijeme objave: Feb-23-2023