Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Ograničenje vlaknastih hidrogelova na uske kapilare od velike je važnosti u biološkim i biomedicinskim sustavima.Napetost i jednoosna kompresija vlaknastih hidrogelova opsežno su proučavani, ali njihov odgovor na dvoosno zadržavanje u kapilarama ostaje neistražen.Ovdje eksperimentalno i teoretski pokazujemo da filamentni gelovi kvalitativno drugačije reagiraju na ograničenje nego fleksibilni lančani gelovi zbog asimetrije u mehaničkim svojstvima konstitutivnih filamenata, koji su mekani na kompresiju i kruti na napetost.Pod jakim zadržavanjem, vlaknasti gel pokazuje malo istezanje i asimptotsko smanjenje biaksijalnog Poissonovog omjera na nulu, što rezultira jakim zbijanjem gela i slabim propuštanjem tekućine kroz gel.Ovi rezultati ukazuju na otpor rastegnutih okluzivnih tromba na lizu terapijskim sredstvima i stimuliraju razvoj učinkovite endovaskularne embolizacije iz fibroznih gelova za zaustavljanje vaskularnog krvarenja ili inhibiciju opskrbe tumora krvlju.
Fibrozne mreže osnovni su strukturni i funkcionalni gradivni blokovi tkiva i živih stanica.Aktin je glavna komponenta citoskeleta1;fibrin je ključni element u zacjeljivanju rana i stvaranju tromba2, a kolagen, elastin i fibronektin su komponente izvanstaničnog matriksa u životinjskom carstvu3.Obnovljene mreže vlaknastih biopolimera postale su materijali sa širokom primjenom u inženjerstvu tkiva4.
Nitaste mreže predstavljaju zasebnu klasu biološke meke tvari s mehaničkim svojstvima koja se razlikuju od fleksibilnih molekularnih mreža5.Neka od tih svojstava razvila su se tijekom evolucije kako bi kontrolirala odgovor biološke tvari na deformaciju6.Na primjer, vlaknaste mreže pokazuju linearnu elastičnost pri malim naprezanjima7,8 dok pri velikim naprezanjima pokazuju povećanu krutost9,10, čime se održava integritet tkiva.Implikacije za druga mehanička svojstva vlaknastih gelova, kao što je negativno normalno naprezanje kao odgovor na smično naprezanje11,12, tek treba otkriti.
Mehanička svojstva polufleksibilnih vlaknastih hidrogelova proučavana su pod jednoosnom napetosti13,14 i kompresijom8,15, ali njihova biaksijalna kompresija izazvana slobodom u uskim kapilarama ili cijevima nije proučavana.Ovdje izvješćujemo o eksperimentalnim rezultatima i teoretski predlažemo mehanizam za ponašanje vlaknastih hidrogelova pri dvoosnom zadržavanju u mikrofluidnim kanalima.
Fibrinski mikrogelovi s različitim omjerima koncentracija fibrinogena i trombina i D0 promjerom u rasponu od 150 do 220 µm generirani su korištenjem mikrofluidnog pristupa (dodatna slika 1).Na sl.Slika 1a prikazuje slike mikrogelova obilježenih fluorokromom dobivene korištenjem konfokalne fluorescentne mikroskopije (CFM).Mikrogelovi su sferični, imaju polidisperznost manju od 5% i ujednačene su strukture na ljestvicama koje ispituje CFM (dodatne informacije i filmovi S1 i S2).Prosječna veličina pora mikrogelova (određena mjerenjem Darcyjeve propusnosti16) smanjila se s 2280 na 60 nm, sadržaj fibrina povećao se s 5,25 na 37,9 mg/mL, a koncentracija trombina smanjila se s 2,56 na 0,27 jedinica/mL.(Dodatne informacije).Riža.2), 3 i dodatna tablica 1).Odgovarajuća krutost mikrogela povećava se s 0,85 na 3,6 kPa (dopunska slika 4).Kao primjeri gelova formiranih od fleksibilnih lanaca koriste se agarozni mikrogelovi različite krutosti.
Slika fluorescentne mikroskopije fluorescein izotiocijanata (FITC) obilježenog PM suspendiranog u TBS.Ljestvica je 500 µm.b SEM slike SM (gore) i RM (dolje).Ljestvica 500 nm.c Shematski dijagram mikrofluidnog kanala koji se sastoji od velikog kanala (promjer dl) i suženog područja u obliku stošca s ulaznim kutom α od 15° i promjerom od dc = 65 µm.d Slijeva nadesno: slike optičkog mikroskopa RM (promjer D0) u velikim kanalima, stožastoj zoni i suženju (ograničavajuća duljina gela Dz).Ljestvica je 100 µm.e, f TEM slike nedeformiranog RM (e) i začepljenog RM (f), fiksiranih jedan sat sa suženjem 1/λr = 2,7, nakon čega slijedi otpuštanje i fiksacija 5% mase.glutaraldehid u TBS.Promjer nedeformiranog CO je 176 μm.Traka mjerila je 100 nm.
Usredotočili smo se na fibrinske mikrogelove tvrdoće od 0,85, 1,87 i 3,6 kPa (u daljnjem tekstu meki mikrogelovi (SM), srednje tvrdi mikrogelovi (MM) i tvrdi mikrogelovi (RM).Ovaj raspon krutosti fibrinskog gela istog je reda veličine kao i za krvne ugruške18,19 i stoga su fibrinski gelovi proučavani u našem radu izravno povezani sa stvarnim biološkim sustavima.Na sl.Slika 1b prikazuje gornju i donju sliku SM i RM struktura dobivenih pomoću skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM).U usporedbi s RM strukturama, SM mreže formiraju deblja vlakna i manje točaka grananja, u skladu s ranijim izvješćima 20, 21 (dodatna slika 5).Razlika u strukturi hidrogela korelira s trendom njegovih svojstava: propusnost gela opada sa smanjenjem veličine pora od SM do MM i RM (dodatna tablica 1), a krutost gela se mijenja.Nisu primijećene promjene u strukturi mikrogela nakon skladištenja na 4 °C tijekom 30 dana (dodatna slika 6).
Na sl.Slika 1c prikazuje dijagram mikrofluidnog kanala s kružnim poprečnim presjekom koji sadrži (slijeva na desno): veliki kanal promjera dl u kojem mikrogel ostaje nedeformiran, konusni presjek sa suženjem u promjeru dc < D0, stožac -oblikovane sekcije i veliki kanali promjera dl (dopunska slika 7).U tipičnom eksperimentu, mikrogelovi su ubrizgani u mikrofluidne kanale pri pozitivnom padu tlaka ΔP od 0,2–16 kPa (dopunska slika 8).Ovaj raspon tlaka odgovara biološki značajnom krvnom tlaku (120 mm Hg = 16 kPa)22.Na sl.1d (s lijeva na desno) prikazuje reprezentativne slike RM u velikim kanalima, stožastim područjima i suženjima.Kretanje i oblik mikrogela snimljeni su i analizirani programom MATLAB.Važno je napomenuti da su u suženim regijama i suženjima mikrogelovi u konformnom kontaktu sa stijenkama mikrokanala (dodatna slika 8).Stupanj radijalne retencije mikrogela pri suženju D0/dc = 1/λr je u rasponu 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, gdje je 1/λr omjer kompresije.Mikrogel prolazi kroz skupljanje kada je ΔP > ΔPtr, gdje je ΔPtr razlika tlaka translokacije.Duljina i veličina pora biaksijalno ograničenih mikrogelova određene su njihovim ravnotežnim stanjem, jer je vrlo važno uzeti u obzir viskoelastičnost gelova u biološkim sustavima.Vrijeme uspostavljanja ravnoteže za mikrogelove agaroze i fibrina bilo je 10 min, odnosno 30 min.Nakon tih vremenskih intervala, ograničeni mikrogelovi postigli su svoj stabilan položaj i oblik, koji je snimljen pomoću kamere velike brzine i analiziran pomoću MATLAB-a.
Na sl.Slike 1e, 1f prikazuju slike transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) nedeformiranih i biaksijalno ograničenih RM struktura.Nakon kompresije RM, veličina pora mikrogela značajno se smanjila i njihov oblik je postao anizotropan s manjim veličinama u smjeru kompresije, što je u skladu s ranijim izvješćem 23 .
Dvoosna kompresija tijekom kontrakcije uzrokuje izduživanje mikrogela u neograničenom smjeru s koeficijentom λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\), gdje je \({D}_{{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) duljina zatvorenog mikrogela. Slika 2a prikazuje promjenu u λzvs .1/ λr za fibrinske i agarozne mikrogelove. Iznenađujuće, pod jakom kompresijom od 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, fibrinski mikrogelovi pokazuju zanemarivo istezanje od 1,12 +/- 0,03 λz, na što samo malo utječe vrijednost 1/λr. ponašanje ograničeni agarozni mikrogelovi, koji se uočavaju i pri slabijoj kompresiji 1/λr = 2,6 do veće elongacije λz = 1,3.
mikrogel agaroze eksperimentira s različitim modulima elastičnosti (2,6 kPa, zeleni otvoreni dijamant; 8,3 kPa, smeđi otvoreni krug; 12,5 kPa, narančasti otvoreni kvadrat; 20,2 kPa, magenta otvoreni obrnuti trokut) i SM (puno crveno) Promjena izmjerene elongacije λz ( krugovi), MM (puni crni kvadrati) i RM (puni plavi trokuti).Pune linije prikazuju teoretski predviđeni λz za agarozu (zelena linija) i fibrinske mikrogelove (linije i simboli iste boje).b, c Gornja ploča: shematski dijagram mrežnih lanaca agaroze (b) i fibrina (c) prije (lijevo) i nakon (desno) biaksijalne kompresije.Dolje: Oblik odgovarajuće mreže prije i poslije deformacije.Smjerovi kompresije x i y označeni su magenta i smeđim strelicama.Na gornjoj slici, lanci mreža orijentirani u smjerovima x i y prikazani su odgovarajućim grimiznim i smeđim linijama, a lanci orijentirani u proizvoljnom smjeru z predstavljeni su zelenim linijama.U fibrinskom gelu (c) ljubičaste i smeđe linije u smjerovima x i y savijaju se više nego u nedeformiranom stanju, a zelene linije u smjeru z savijaju se i rastežu.Napetost između smjerova kompresije i napetosti prenosi se preko niti s međusmjerovima.U agaroznim gelovima lanci u svim smjerovima određuju osmotski tlak koji značajno doprinosi deformaciji gela.d Predviđena promjena biaksijalnog Poissonovog omjera, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), za ekvibiaksijalnu kompresiju agaroznog (zelena linija) i fibrinskog (crvena linija) gela.Umetak prikazuje dvoosnu deformaciju gela.e Promjena translokacijskog tlaka ΔPtr, normalizirana 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 teoretski odnos između ΔPtr/S i 1/λr za agarozni i fibrinski gel.Isprekidani dio crvene linije pokazuje povećanje ΔPtr pod jakom kompresijom zbog interakcija među vlaknima.
Ta je razlika povezana s različitim mehanizmima deformacije fibrinske i agarozne mreže mikrogela, koje se sastoje od fleksibilnih24 odnosno krutih25 niti.Dvoosna kompresija fleksibilnih gelova dovodi do smanjenja njihovog volumena i povezanog povećanja koncentracije i osmotskog tlaka, što dovodi do istezanja gela u neograničenom smjeru.Konačno produljenje gela ovisi o ravnoteži povećanja entropijske slobodne energije rastegnutih lanaca i smanjenja slobodne energije osmoze zbog niže koncentracije polimera u rastegnutom gelu.Pod jakom dvoosnom kompresijom, rastezanje gela raste s λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (vidi sliku 2a u odjeljak rasprave 5.3.3).Konformacijske promjene u fleksibilnim lancima i oblik odgovarajućih mreža prije i poslije biaksijalne retencije prikazani su na sl.2b.
Nasuprot tome, vlaknasti gelovi kao što je fibrin inherentno različito reagiraju na biaksijalnu retenciju.Filamenti usmjereni pretežno paralelno sa smjerom kompresije se savijaju (pri čemu se smanjuje udaljenost između poprečnih veza), dok se filamenti pretežno okomito na smjer kompresije izravnavaju i istežu pod djelovanjem elastične sile, uzrokujući produljenje gela ( Sl. 1).2c) Strukture nedeformiranih SM, MM i RM karakterizirane su analizom njihovih SEM i CFM slika (Dodatna rasprava Odjeljak IV i Dodatna slika 9).Određivanjem modula elastičnosti (E), promjera (d), duljine profila (R0), udaljenosti između krajeva (L0 ≈ R0) i središnjeg kuta (ψ0) niti u nedeformiranim fibrinskim mikrogelovima (dodatna tablica 2) – 4), nalazimo taj modul savijanja niti \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) znatno je manji od njegovog vlačnog modula\({k}_{{{{{{{{\rm{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), tako da je kb/ks ≈ 0,1 (dodatna tablica 4).Dakle, u uvjetima biaksijalnog zadržavanja gela, fibrinske niti se lako savijaju, ali se odupiru istezanju.Produljenje filamentne mreže podvrgnute dvoosnoj kompresiji prikazano je na Dodatnoj slici 17.
Razvijamo teorijski afini model (Dodatna rasprava Odjeljak V i Dopunske slike 10-16) u kojem se istezanje vlaknastog gela određuje iz lokalne ravnoteže elastičnih sila koje djeluju u gelu i predviđa da će u jakoj dvoosnoj deformaciji λz - 1 pod ograničenjem
Jednadžba (1) pokazuje da čak i pod jakom kompresijom (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) dolazi do blagog širenja gela i naknadne deformacije istezanja zasićenje λz–1 = 0,15 ± 0,05.Ovo ponašanje je povezano s (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 i (ii) izraz u uglatim zagradama asimptotski aproksimira \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) za jake biaksijalne veze. Važno je napomenuti da je predfaktor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) nema nikakve veze s krutošću niti E, već je određena samo omjerom stranica niti d/L0 i središnjim kutom luka ψ0, što je slično SM, MM i RM (dodatna tablica 4).
Kako bismo dodatno istaknuli razliku u naprezanju izazvanom slobodom između fleksibilnih i filamentnih gelova, uvodimo biaksijalni Poissonov omjer \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}}, \) opisuje neograničeno orijentacija naprezanja gela kao odgovor na jednako naprezanje u dva radijalna smjera, i proširuje to na velika uniformna naprezanja \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} }}=-{{{{\rm{ln}}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Na sl.2d prikazuje \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) za jednoliku dvoosnu kompresiju fleksibilnih (kao što je agaroza) i krutih (kao što je fibrin) gelova (Dodatna rasprava, odjeljak 5.3.4), i naglašava odnos između jakih razlika u odgovorima na ograničenje. Za agarozne gelove pod jakim ograničenjima {\rm{eff}}}}}}}}}\) raste do asimptotske vrijednosti 2/3, a za fibrinske gelove smanjuje se do nule, jer lnλz/lnλr → 0, jer λz raste s zasićenje kako λr raste.Imajte na umu da se u eksperimentima zatvoreni sferni mikrogelovi nehomogeno deformiraju, a njihov središnji dio doživljava jaču kompresiju;međutim, ekstrapolacija na veliku vrijednost od 1/λr omogućuje usporedbu eksperimenta s teorijom za jednoliko deformirane gelove.
Još jedna razlika u ponašanju fleksibilnih lančanih gelova i filamentnih gelova pronađena je zbog njihovog kretanja nakon kontrakcije.Translokacijski tlak ΔPtr, normaliziran na krutost gela S, povećavao se s povećanjem kompresije (slika 2e), ali pri 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5, fibrinski mikrogelovi su pokazali značajno niže vrijednosti ΔPtr/S tijekom skupljanja.Zadržavanje agaroznog mikrogela dovodi do povećanja osmotskog tlaka, što dovodi do istezanja gela u uzdužnom smjeru kako se polimerne molekule rastežu (slika 2b, lijevo) i povećanja translokacijskog tlaka za ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Naprotiv, oblik zatvorenih fibrinskih mikrogelova određen je ravnotežom energije 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 tlaka je skalirana kao 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \desno)\) (Dodatna rasprava, odjeljak 5.4), kao što je prikazano punom crvenom linijom na slici 2e.Stoga je ΔPtr manje ograničen nego u agaroznim gelovima.Za kompresije s 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 točkasta linija na slici 2e).Zaključujemo da za isti 1/λr i Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agaroza}} }} } } } }}\) mikrokanal će uhvatiti agarozni gel, a kroz njega će proći fibrinski gel iste krutosti.Za ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)))))))))_{{{{{\rm{fibrin)))))))))}\ ), Dva Oba gela će blokirati kanal, ali će fibrinski gel gurnuti dublje i učinkovitije se stisnuti, učinkovitije blokirajući protok tekućine.Rezultati prikazani na slici 2 pokazuju da vlaknasti gel može poslužiti kao učinkovit čep za smanjenje krvarenja ili inhibiciju opskrbe tumora krvlju.
S druge strane, fibrin tvori skelu ugruška koja dovodi do tromboembolije, patološkog stanja u kojem tromb začepljuje žilu na ΔP < ΔPtr, kao što je kod nekih vrsta ishemijskog moždanog udara (Slika 3a).Slabije produljenje fibrinskih mikrogelova uzrokovano restrikcijom rezultiralo je snažnijim povećanjem fibrinske koncentracije C/C fibrinogena u usporedbi s gelovima fleksibilnog lanca, gdje su C i C fibrinogen ograničeni, odnosno nedeformirani mikrogelovi.Koncentracija polimera u gelu.Slika 3b pokazuje da se C/C fibrinogena u SM, MM i RM povećao više od sedam puta pri 1/λr ≈ 4,0, potaknut ograničenjem i dehidracijom (Dodatna slika 16).
Shematski prikaz okluzije srednje cerebralne arterije u mozgu.b Relativno povećanje koncentracije fibrina posredovano restrikcijom u opstruktivnom SM (puni crveni kružići), MM (puni crni kvadratići) i RM (puni plavi trokuti).c Eksperimentalni dizajn korišten za proučavanje cijepanja ograničenih fibrinskih gelova.Otopina fluorescentno obilježenog tPA u TBS ubrizgana je pri brzini protoka od 5,6 × 107 µm3/s i dodatnom padu tlaka od 0,7 Pa za kanale smještene okomito na dužu os glavnog mikrokanala.d Skupna višekanalna mikroskopska slika opstruktivnog MM (D0 = 200 µm) pri Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa i tijekom cijepanja.Okomite isprekidane linije prikazuju početne položaje stražnjeg i prednjeg ruba MM na tlys = 0. Zelena i ružičasta boja odgovaraju FITC-dekstranu (70 kDa) odnosno tPA označenom s AlexaFluor633.e Vremenski promjenjivi relativni volumen okludiranih RM-ova s D0 od 174 µm (plavi otvoreni obrnuti trokut), 199 µm (plavi otvoreni trokut), odnosno 218 µm (plavi otvoreni trokut), u stožastom mikrokanalu s Xf = 28 ± 1 µm.presjeci imaju ΔP 1200, 1800, odnosno 3000 Pa i Q = 1860 ± 70 µm3/s.Umetak prikazuje RM (D0 = 218 µm) koji začepljuje mikrokanal.f Vremenska varijacija relativnog volumena SM, MM ili RM smještenog na Xf = 32 ± 12 µm, na ΔP 400, 750 i 1800 Pa i ΔP 12300 Pa i Q 12300 u stožastom području mikrokanala, odnosno 2400 odnosno 1860 µm3 /s.Xf predstavlja prednji položaj mikrogela i određuje njegovu udaljenost od početka skupljanja.V(tlys) i V0 su privremeni volumen liziranog mikrogela odnosno volumen neporemećenog mikrogela.Boje znakova odgovaraju bojama u b.Crne strelice na e, f odgovaraju posljednjem trenutku prije prolaska mikrogelova kroz mikrokanal.Ljestvica u d, e je 100 µm.
Kako bismo istražili učinak restrikcije na smanjenje protoka tekućine kroz opstruktivne fibrinske gelove, proučavali smo lizu SM, MM i RM infiltriranih s trombolitičkim agensom tkivnim aktivatorom plazminogena (tPA).Slika 3c prikazuje eksperimentalni dizajn korišten za pokuse lize. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 μm3/s, Tris-puferirane fiziološke otopine (TBS) pomiješane s 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanata) FITC-dekstrana, mikrogel je začepio suženi mikrokanal regija. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 μm3/s, Tris-puferirane fiziološke otopine (TBS) pomiješane s 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanata) FITC-dekstrana, mikrogel je začepio suženi mikrokanal regija. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 mkm3/s, tris-bufer soljevog rastvora (TBS), miješanog s 0,1 mg/ml (fluoresceinizotiocianata) FITC-dekstrana, mikrogel je prekrio sužavajući mikrokanal. Pri ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i brzini protoka, Q = 2400 µm3/s, Tris puferirane fiziološke otopine (TBS) pomiješane s 0,1 mg/mL (fluorescein izotiocijanat) FITC-dekstrana, mikrogel je začepio konvergentni mikrokanal.regija.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 zakupljuju pri miješanju tris-bufernog soljevog rastvora (TBS) s 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 puferirana fiziološka otopina (TBS) pomiješana s 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 točke skupljanja X0.Da bi se inducirala liza, otopina fluorescentno obilježenog tPA u TBS je ubrizgana iz kanala smještenog ortogonalno na dužu os glavnog mikrokanala.
Kada je otopina tPA dosegla okluzalni MM, stražnji rub mikrogela postao je zamućen, što ukazuje da je cijepanje fibrina počelo u trenutku tlys = 0 (Slika 3d i Dodatna slika 18).Tijekom fibrinolize, tPA obilježen bojom nakuplja se unutar MM i veže na fibrinske niti, što dovodi do postupnog povećanja intenziteta ružičaste boje mikrogelova.Na tlys = 60 min MM se skuplja zbog otapanja svog stražnjeg dijela, a položaj njegovog prednjeg ruba Xf malo se mijenja.Nakon 160 minuta, snažno kontrahirani MM nastavio se skupljati, a na tlys = 161 min, podvrgnut je kontrakciji, čime je ponovno uspostavljen protok tekućine kroz mikrokanal (Slika 3d i Dodatna slika 18, desni stupac).
Na sl.Slika 3e prikazuje lizom posredovano vremenski ovisno smanjenje volumena V(tlys) normalizirano na početni volumen V0 različitih veličina fibrinskih mikrogelova.CO s D0 174, 199 ili 218 µm stavljen je u mikrokanal s ΔP 1200, 1800 ili 3000 Pa, respektivno, i Q = 1860 ± 70 µm3/s kako bi se blokirao mikrokanal (Sl. 3e, umetak).prehrana.Mikrogelovi se postupno skupljaju dok ne postanu dovoljno mali da mogu proći kroz kanale.Smanjenje kritičnog volumena CO s većim početnim promjerom zahtijeva dulje vrijeme lize.Zbog sličnog protoka kroz RM različite veličine, cijepanje se događa istom brzinom, što rezultira probavom manjih frakcija većih RM i njihovom odgođenom translokacijom.Na sl.Slika 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 s ΔP 400, 750 ili 1800 Pa i Q 12300, 2400 ili 1860 µm3/s, redom.Iako je tlak primijenjen na SM bio 4,5 puta niži od tlaka RM, protok kroz SM bio je više od šest puta jači zbog veće propusnosti SM, a skupljanje mikrogela smanjilo se od SM do MM i RM .Na primjer, na tlys = 78 min, SM se uglavnom otopio i istisnuo, dok su MM i PM nastavili začepiti mikrokanale, unatoč zadržavanju samo 16% odnosno 20% svog izvornog volumena.Ovi rezultati ukazuju na važnost konvekcijske lize suženih vlaknastih gelova i koreliraju s izvješćima o bržoj probavi ugrušaka s nižim sadržajem fibrina.
Stoga naš rad eksperimentalno i teorijski pokazuje mehanizam kojim filamentni gelovi reagiraju na biaksijalno ograničenje.Ponašanje vlaknastih gelova u ograničenom prostoru određeno je jakom asimetrijom energije deformacije filamenata (mekih na pritisak i tvrdih na napetost) i samo omjerom stranica i zakrivljenosti filamenata.Ova reakcija rezultira minimalnim istezanjem vlaknastih gelova sadržanih u uskim kapilarama, njihov biaksijalni Poissonov omjer smanjuje se s povećanjem kompresije i manjim laganim pritiskom.
Budući da se dvoosno zadržavanje mekih deformabilnih čestica koristi u širokom rasponu tehnologija, naši rezultati potiču razvoj novih vlaknastih materijala.Konkretno, biaksijalno zadržavanje filamentoznih gelova u uskim kapilarama ili cjevčicama dovodi do njihovog jakog 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 u zloćudne tumore33,34,35.S druge strane, smanjenje protoka tekućine kroz okluzalni fibrinski gel, čime se inhibira liza tromba posredovana konvektivom, ukazuje na sporu lizu okluzalnih ugrušaka [27, 36, 37].Naš sustav modeliranja prvi je korak prema razumijevanju implikacija mehaničkog odgovora vlaknastih biopolimernih hidrogelova na biaksijalno zadržavanje.Uključivanje krvnih stanica ili trombocita u opstruktivne fibrinske gelove utjecat će na njihovo restrikcijsko ponašanje 38 i bit će sljedeći korak u otkrivanju ponašanja složenijih biološki značajnih sustava.
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 pripremljeni su emulgiranjem miješane otopine fibrinogena, Tris pufera i trombina u MF uređaju za fokusiranje protoka, nakon čega je uslijedilo geliranje kapljicama.Otopina goveđeg fibrinogena (60 mg/ml u TBS), Tris pufer i otopina goveđeg trombina (5 U/ml u 10 mM otopini CaCl2) primijenjeni su korištenjem dvije neovisno kontrolirane pumpe štrcaljke (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 korištenjem treće pumpe štrcaljke.Kapljice nastale u MF uređaju skupljaju se u epruvetu za centrifugu od 15 ml koja sadrži F-ulje.Stavite epruvete u vodenu kupelj na 37 °C na 1 h da dovršite geliranje fibrina.Fibrinski mikrogelovi obilježeni FITC-om pripravljeni su miješanjem goveđeg fibrinogena i ljudskog fibrinogena obilježenog FITC-om u težinskom omjeru 33:1.Postupak je isti kao i za pripremu fibrinskih mikrogelova.
Prenesite mikrogelove iz ulja F u TBS centrifugiranjem disperzije na 185 g tijekom 2 minute.Istaloženi mikrogelovi su dispergirani u ulju F pomiješanom s 20 wt.% perfluorooktil alkohola, zatim dispergirani u heksanu koji sadrži 0,5 wt.% Span 80, heksan, 0,1 wt.% Triton X u vodi i TBS.Na kraju, mikrogelovi su dispergirani u TBS koji sadrži 0,01 wt% Tween 20 i pohranjeni na 4°C otprilike 1-2 tjedna prije pokusa.
Izrada MF uređaja opisana je u Dopunskim informacijama (Odjeljak 5. Dopunskih metoda).U tipičnom eksperimentu, pozitivna vrijednost ΔP određena je relativnom visinom spremnika spojenih prije i iza 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 suženje.Kada vrh prednjeg mikrogela ostane nepromijenjen 2 minute, pomoću programa MATLAB odredite položaj mikrogela duž x-osi.Uz postupno povećanje ΔP, mikrogel se pomiče duž klinastog područja sve dok ne uđe u suženje.Nakon što je mikrogel potpuno umetnut i stisnut, ΔP brzo pada na nulu, uravnotežujući razinu vode između spremnika, a zatvoreni mikrogel ostaje nepomičan pod kompresijom.Duljina opstruktivnog mikrogela izmjerena je 30 minuta nakon prestanka suženja.
Tijekom eksperimenata fibrinolize, otopine t-PA i FITC-obilježenog dekstrana prodiru kroz blokirane mikrogelove.Protok svake tekućine je praćen korištenjem jednokanalnog fluorescentnog snimanja.TAP označen s AlexaFluor 633 pričvršćen na fibrinska vlakna i nakupljen unutar komprimiranih fibrinskih mikrogelova (TRITC kanal na Dodatnoj slici 18).Otopina dekstrana označena s FITC kreće se bez nakupljanja u mikrogelu.
Podaci koji podupiru rezultate ove studije dostupni su od odgovarajućih autora na zahtjev.Neobrađene SEM slike fibrinskih gelova, neobrađene TEM slike fibrinskih gelova prije i poslije inokulacije i glavni ulazni podaci za slike 1 i 2. 2 i 3 dani su u datoteci s neobrađenim podacima.Ovaj članak daje izvorne podatke.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. i Weisel JV fibrinogen i fibrin.U makromolekularnom proteinskom kompleksu III: Struktura i funkcija (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 izvanstaničnog matriksa.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prince E. i Kumacheva E. Dizajn i primjena hidrogelova od umjetnih biomimetičkih vlakana.Nacionalni Matt Red.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Modeliranje polufleksibilnih polimernih mreža.Svećenik mod.fizika.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. i Piku, KR Mehaničko modeliranje polufleksibilnih biopolimernih mreža: neafina deformacija i prisutnost dugotrajnih ovisnosti.U 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 kontrolira mehanizme kolagenske mreže.postupak.Nacionalna akademija znanosti.znanost.US 112, 9573-9578 (2015).
Janmi, PA, i sur.Negativno normalno naprezanje u polufleksibilnim biopolimernim gelovima.Nacionalna alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. i sur.Nelinearna elastičnost mreža krutih vlakana: deformacijsko otvrdnjavanje, negativno normalno naprezanje i poravnavanje vlakana u fibrinskim gelovima.J. Fizika.Kemijski.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML i sur.Elastično ponašanje umreženih i vezanih aktinskih mreža.Znanost 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. i sur.Nelinearna mehanika deformacijski kontroliranih svjetlovodnih mreža s kritičnim upravljanjem.Narodna fizika.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. i sur.Elastičnost vlaknastih mreža pri jednoosnom prednaprezanju.Meka tvar 12, 5050-5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Hidraulička propusnost krvnog ugruška kao funkcija gustoće fibrina i trombocita.biofizika.Vjesnik 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. i sur.Raznovrsno ponašanje hidrogelova ograničeno je uskim kapilarama.znanost.Kuća 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Učinak patološke heterogenosti na elastografiju smičnih valova u stadiju duboke venske tromboze.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo kvantifikacija vremenski ovisne induracije krvnih ugrušaka pomoću ultrazvučnog snimanja smicanjem valova u modelu venske tromboze kunića.tromb.spremnik.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Računalna simulacija dinamike polimerizacije fibrina u odnosu na elektronsku mikroskopiju i promatranja zamućenja: struktura i sklop ugruška su kinetički kontrolirani.biofizika.Vjesnik 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW i Lorand, L. Strukturno podrijetlo reologije fibrinskog ugruška.biofizika.J. 77, 2813-2826 (1999).
Vrijeme objave: 23. veljače 2023