Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Vertoon 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig.Gebruik die Vorige en Volgende-knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Die beperking van veselagtige hidrogels tot nou kapillêre is van groot belang in biologiese en biomediese stelsels.Spanning en eenassige kompressie van veselagtige hidrogels is omvattend bestudeer, maar hul reaksie op biaksiale retensie in kapillêre bly onontgin.Hier demonstreer ons eksperimenteel en teoreties dat filamentagtige gels kwalitatief anders reageer op beperking as buigsame kettinggels as gevolg van die asimmetrie in die meganiese eienskappe van die samestellende filamente, wat sag is in kompressie en styf in spanning.Onder sterk retensie toon die veselagtige gel min verlenging en 'n asimptotiese afname in biaksiale Poisson se verhouding tot nul, wat lei tot sterk gelverdigting en swak vloeistofpermeasie deur die gel.Hierdie resultate dui op die weerstand van uitgerekte okklusiewe trombies teen lisis deur terapeutiese middels en stimuleer die ontwikkeling van effektiewe endovaskulêre embolisering vanaf veselagtige gels om vaskulêre bloeding te stop of die bloedtoevoer van gewasse te inhibeer.
Veselagtige netwerke is die basiese strukturele en funksionele boustene van weefsels en lewende selle.Aktien is 'n hoofkomponent van die sitoskelet1;fibrien is 'n sleutelelement in wondgenesing en trombusvorming2, en kollageen, elastien en fibronektien is komponente van die ekstrasellulêre matriks in die diereryk3.Herwonne netwerke van veselagtige biopolimere het materiale geword met wye toepassings in weefselingenieurswese4.
Filamentagtige netwerke verteenwoordig 'n aparte klas biologiese sagte materiaal met meganiese eienskappe wat verskil van buigsame molekulêre netwerke5.Sommige van hierdie eienskappe het in die loop van evolusie ontwikkel om die reaksie van biologiese materie op vervorming te beheer6.Veselagtige netwerke toon byvoorbeeld lineêre elastisiteit by klein stamme7,8 terwyl hulle by groot stamme verhoogde styfheid toon9,10, en daardeur weefselintegriteit behou.Die implikasies vir ander meganiese eienskappe van veselagtige gels, soos negatiewe normale spanning in reaksie op skuifspanning11,12, moet nog ontdek word.
Die meganiese eienskappe van semi-buigsame veselagtige hidrogels is bestudeer onder eenassige spanning13,14 en kompressie8,15, maar hul vryheid-geïnduseerde tweeassige kompressie in nou kapillêre of buise is nie bestudeer nie.Hier rapporteer ons eksperimentele resultate en stel teoreties 'n meganisme voor vir die gedrag van veselagtige hidrogels onder biaksiale retensie in mikrofluïdiese kanale.
Fibrien-mikrogels met verskillende verhoudings van fibrinogeen- en trombienkonsentrasies en 'n D0-deursnee wat wissel van 150 tot 220 µm is gegenereer met behulp van 'n mikrofluïdiese benadering (Aanvullende Figuur 1).Op fig.1a toon beelde van fluorochroom-gemerkte mikrogels wat verkry is met konfokale fluoressensiemikroskopie (CFM).Die mikrogels is sferies, het 'n polidispersiteit van minder as 5%, en is eenvormig in struktuur oor die skale wat deur CFM (Aanvullende Inligting en Flieks S1 en S2) ondersoek is.Die gemiddelde poriegrootte van die mikrogels (bepaal deur die Darcy-deurlaatbaarheid te meet16) het van 2280 tot 60 nm afgeneem, die fibrieninhoud het van 5.25 tot 37.9 mg/mL toegeneem, en die trombienkonsentrasie het onderskeidelik van 2.56 tot 0.27 eenhede/ml afgeneem.(Bykomende inligting).Rys.2), 3 en aanvullende tabel 1).Die ooreenstemmende styfheid van die mikrogel neem toe van 0,85 tot 3,6 kPa (Aanvullende Fig. 4).As voorbeelde van gels wat uit buigsame kettings gevorm word, word agarose-mikrogels van verskillende styfhede gebruik.
Fluoresensiemikroskopiebeeld van fluoressensie-isotiosianaat (FITC) gemerk PM gesuspendeer in TBS.Die staafskaal is 500 µm.b SEM-beelde van SM (bo) en RM (onder).Skaalbalk 500 nm.c Skematiese diagram van 'n mikrofluïdiese kanaal wat bestaan uit 'n groot kanaal (deursnee dl) en 'n vernoude keëlvormige gebied met 'n intreehoek α van 15° en 'n deursnee van dc = 65 µm.d Links na regs: Optiese mikroskoopbeelde van RM (deursnee D0) in groot kanale, koniese sone en vernouing (beperk gellengte Dz).Die staafskaal is 100 µm.e, f TEM beelde van 'n onvervormde RM (e) en 'n verstopte RM (f), vasgestel vir een uur met vernouing 1/λr = 2.7, gevolg deur vrystelling en fiksasie van 5% van die massa.glutaaraldehied in TBS.Die deursnee van die onvervormde CO is 176 μm.Die skaalbalk is 100 nm.
Ons het gefokus op fibrienmikrogels met 'n hardheid van 0,85, 1,87 en 3,6 kPa (hierna onderskeidelik sagte mikrogels (SM), medium harde mikrogels (MM) en harde mikrogels (RM) genoem.Hierdie reeks fibriengel-styfheid is van dieselfde orde van grootte as vir bloedklonte18,19 en dus is die fibriengels wat in ons werk bestudeer is, direk verwant aan werklike biologiese sisteme.Op fig.1b toon die boonste en onderste beelde van die SM- en RM-strukture wat onderskeidelik met 'n skandeerelektronmikroskoop (SEM) verkry is.In vergelyking met RM-strukture, word SM-netwerke gevorm deur dikker vesels en minder takpunte, in ooreenstemming met vroeëre verslae 20, 21 (Aanvullende Fig. 5).Die verskil in die struktuur van die hidrogel korreleer met die neiging van sy eienskappe: die deurlaatbaarheid van die gel neem af met dalende poriegrootte van SM na MM en RM (Aanvullende Tabel 1), en die styfheid van die gel keer om.Geen veranderinge in mikrogelstruktuur is opgemerk na berging by 4 °C vir 30 dae nie (Aanvullende Fig. 6).
Op fig.1c toon 'n diagram van 'n mikrofluïdiese kanaal met 'n sirkelvormige deursnit wat bevat (van links na regs): 'n groot kanaal met 'n deursnee dl waarin die mikrogel onvervormd bly, 'n keëlvormige snit met 'n vernouing in deursnee dc < D0, keël -vormige gedeeltes en groot kanale met 'n deursnee dl (Aanvullende Fig. 7).In 'n tipiese eksperiment is mikrogels in mikrovloeistofkanale ingespuit teen 'n positiewe drukval ΔP van 0.2-16 kPa (Aanvullende Fig. 8).Hierdie drukreeks stem ooreen met biologies betekenisvolle bloeddruk (120 mm Hg = 16 kPa)22.Op fig.1d (van links na regs) toon verteenwoordigende beelde van RM in groot kanale, koniese areas en vernouings.Die beweging en vorm van die mikrogel is aangeteken en geanaliseer met behulp van die MATLAB-program.Dit is belangrik om daarop te let dat in die tapse streke en vernouings, die mikrogels in ooreenstemmende kontak met die wande van die mikrokanale is (Aanvullende Fig. 8).Die mate van radiale retensie van die mikrogel by vernouing D0/dc = 1/λr is in die reeks 2.4 ≤ 1/λr ≤ 4.2, waar 1/λr die kompressieverhouding is.Die mikrogel gaan deur krimping wanneer ΔP > ΔPtr, waar ΔPtr die translokasiedrukverskil is.Die lengte en grootte van die porieë van biaksiaal-beperkte mikrogels word bepaal deur hul ewewigstoestand, aangesien dit baie belangrik is om die viskoelastisiteit van gels in biologiese sisteme in ag te neem.Die ekwilibrasietyd vir agarose- en fibrien-mikrogels was onderskeidelik 10 min en 30 min.Na hierdie tydintervalle het die beperkte mikrogels hul stabiele posisie en vorm bereik, wat met 'n hoëspoedkamera vasgelê en met MATLAB ontleed is.
Op fig.1e, 1f toon transmissie-elektronmikroskopie (TEM) beelde van onvervormde en biaksiaal beperkte RM-strukture.Na RM-kompressie het die mikrogel-poriegrootte aansienlik afgeneem en hul vorm het anisotropies geword met kleiner groottes in die rigting van kompressie, wat ooreenstem met 'n vroeëre verslag 23 .
Tweeassige kompressie tydens sametrekking veroorsaak dat die mikrogel in 'n onbeperkte rigting verleng met 'n koëffisiënt λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , waar \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) die lengte van die geslote mikrogel is. Figuur 2a toon die verandering in λzvs .1/ λr vir fibrien- en agarose-mikrogels Verbasend genoeg, onder sterk kompressie van 2.4 ≤ 1/λr ≤ 4.2, toon fibrien-mikrogels 'n weglaatbare verlenging van 1.12 +/- 0.03 λz, wat net effens beïnvloed word deur die waarde van 1/λr. beperkte agarose-mikrogels, wat selfs by swakker kompressie 1/λr = 2.6 tot 'n groter verlenging λz = 1.3 waargeneem word.
a Agarose mikrogel eksperimenteer met verskillende elastiese modules (2,6 kPa, groen oop diamant; 8,3 kPa, bruin oop sirkel; 12,5 kPa, oranje oop vierkant; 20,2 kPa, magenta oop omgekeerde driehoek) en SM ( soliede rooi) Verandering in gemete verlenging λz ( sirkels), MM (soliede swart vierkante) en RM (soliede blou driehoeke).Soliede lyne toon die teoreties voorspelde λz vir agarose (groen lyn) en fibrien mikrogels (lyne en simbole van dieselfde kleur).b, c Bopaneel: skematiese diagram van netwerkkettings van agarose (b) en fibrien (c) voor (links) en na (regs) tweeassige kompressie.Onder: Vorm van die ooreenstemmende netwerk voor en na vervorming.Die x- en y-kompressierigtings word onderskeidelik deur magenta en bruin pyle aangedui.In die figuur hierbo word kettings van netwerke wat in hierdie x- en y-rigtings georiënteer is getoon met die ooreenstemmende magenta- en bruin lyne, en kettings wat in 'n arbitrêre z-rigting georiënteer is, word deur groen lyne voorgestel.In die fibriengel (c) buig die pers en bruin lyne in die x- en y-rigtings meer as in die onvervormde toestand, en die groen lyne in die z-rigting buig en rek.Die spanning tussen die rigtings van druk en spanning word deur drade met tussenliggende rigtings oorgedra.In agarosegels bepaal die kettings in alle rigtings die osmotiese druk, wat 'n beduidende bydrae lewer tot die vervorming van die jel.d Voorspelde verandering in tweeassige Poisson se verhouding, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} =-{{{{\rm{ln}}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), vir ekwibiaksiale kompressie van agarose (groen lyn) en fibrien (rooi lyn) gels.Die insetsel toon die biaksiale vervorming van die jel.e Translokasiedrukverandering ΔPtr, genormaliseer na jelstyfheid S, word geplot as 'n funksie van kompressieverhouding vir agarose en fibrien mikrogels.Die simboolkleure stem ooreen met die kleure in (a).Die groen en rooi lyne beeld die teoretiese verwantskap tussen ΔPtr/S en 1/λr vir onderskeidelik agarose en fibriengels uit.Die gestippelde deel van die rooi lyn toon die toename in ΔPtr onder sterk kompressie as gevolg van interveselinteraksies.
Hierdie verskil word geassosieer met verskillende meganismes van vervorming van fibrien- en agarose-mikrogelnetwerke, wat onderskeidelik uit buigsame24- en rigie25-drade bestaan.Tweeassige kompressie van buigsame gels lei tot 'n afname in hul volume en 'n gepaardgaande toename in konsentrasie en osmotiese druk, wat lei tot 'n verlenging van die gel in 'n onbeperkte rigting.Die finale verlenging van die gel hang af van die balans van 'n toename in die entropiese vrye energie van die gestrekte kettings en 'n afname in die vrye energie van osmose as gevolg van die laer polimeerkonsentrasie in die gestrekte gel.Onder sterk tweeassige kompressie neem die verlenging van die gel toe met λz ≈ 0.6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (sien Fig. 2a in besprekingsafdeling 5.3.3).Die konformasieveranderinge in buigsame kettings en die vorm van die ooreenstemmende netwerke voor en na biaksiale retensie word in Fig.2b.
Daarteenoor reageer veselagtige gels soos fibrien inherent anders op biaksiale retensie.Die filamente wat oorwegend parallel aan die rigting van kompressie buig (waardeur die afstand tussen die kruisverbindings verminder word), terwyl die filamente oorwegend loodreg op die rigting van kompressie reguit en rek onder die werking van die elastiese krag, wat veroorsaak dat die jel verleng ( Fig. 1).2c) Die strukture van die onvervormde SM, MM en RM is gekenmerk deur die ontleding van hul SEM en CFM beelde (Aanvullende Bespreking Afdeling IV en Aanvullende Figuur 9).Deur die elastiese modulus (E), deursnee (d), profiellengte (R0), afstand tussen ente (L0 ≈ R0) en sentrale hoek (ψ0) van die stringe in onvervormde fibrienmikrogels (Aanvullende Tabel 2) – 4, te bepaal), ons vind dat draadbuigingsmodulus \({k}_{{{{{{\rm{b))))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) is aansienlik minder as sy trekmodulus\({k}_{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), dus kb/ks ≈ 0.1 (Aanvullende Tabel 4).Dus, onder toestande van biaksiale jel-retensie, word fibrienstringe maklik gebuig, maar weerstaan strek.Die verlenging van 'n filamentagtige netwerk wat aan biaksiale kompressie onderwerp is, word in Aanvullende Fig. 17 getoon.
Ons ontwikkel 'n teoretiese affiene model (Aanvullende Bespreking Afdeling V en Aanvullende Figure 10–16) waarin die verlenging van 'n veselagtige gel bepaal word uit die plaaslike ewewig van die elastiese kragte wat in die gel inwerk en voorspel dat in 'n sterk biaksiale vervorming λz - 1 onder die beperking
Vergelyking (1) toon dat selfs onder sterk kompressie (\({\lambda }_{{{\mbox{r)))\,\tot \,0\)) daar 'n effense jeluitsetting en daaropvolgende verlengingsvervorming op versadiging λz–1 = 0.15 ± 0.05.Hierdie gedrag hou verband met (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0.15−0.4 en (ii) die term tussen vierkantige hakies benader \(1{{\mbox{/}}} \sqrt asimptoties { 3 }\) vir sterk tweeassige bindings. Dit is belangrik om daarop te let dat die prefactor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{) s))))\right)}^{1/ 2 }\) het niks te doen met die styfheid van die draad E nie, maar word slegs bepaal deur die aspekverhouding van die draad d/L0 en die sentrale hoek van die boog ψ0, wat soortgelyk is aan SM, MM en RM (Aanvullende Tabel 4).
Om die verskil in vryheid-geïnduseerde spanning tussen buigsame en filamenteuse gels verder uit te lig, stel ons die tweeaksiale Poisson-verhouding \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\tot 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) beskryf 'n onbeperkte oriëntasie van gelvervorming in reaksie op gelyke vervorming in twee radiale rigtings, en brei dit uit na groot eenvormige vervormings \ rm{b }}}}}}}}^{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln))))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Op fig.2d wys \({{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{{\rm { eff }}}}}}}\) vir eenvormige tweeassige kompressie van buigsame (soos agarose) en rigiede (soos fibrien) gels (Aanvullende bespreking, Afdeling 5.3.4), en beklemtoon die verband tussen sterk verskille in reaksies op bevalling. Vir agarose gels onder sterk beperkings neem {\rm{eff}}}}}}}}\) toe tot die asimptotiese waarde 2/3, en vir fibriengels verminder dit tot nul, aangesien lnλz/lnλr → 0, aangesien λz toeneem met versadiging soos λr toeneem.Let daarop dat in eksperimente, geslote sferiese mikrogels inhomogeen vervorm, en hul sentrale deel ervaar sterker kompressie;ekstrapolasie na 'n groot waarde van 1/λr maak dit egter moontlik om die eksperiment met die teorie vir eenvormig vervormde gels te vergelyk.
Nog 'n verskil in die gedrag van buigsame kettinggels en filamentiese gels is gevind as gevolg van hul beweging tydens sametrekking.Die translokasiedruk ΔPtr, genormaliseer na jelstyfheid S, het toegeneem met toenemende kompressie (Fig. 2e), maar by 2.0 ≤ 1/λr ≤ 3.5 het fibrien-mikrogels aansienlik laer waardes van ΔPtr/S af tydens krimping getoon.Retensie van die agarose-mikrogel lei tot 'n toename in osmotiese druk, wat lei tot die strek van die gel in die lengterigting soos die polimeermolekules gerek word (Fig. 2b, links) en 'n toename in translokasiedruk deur ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Inteendeel, die vorm van geslote fibrien-mikrogels word bepaal deur die energiebalans van die drade van radiale kompressie en longitudinale spanning, wat lei tot die maksimum longitudinale vervorming λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ {) \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Vir 1/λr ≫ 1 word die verandering in translokasiedruk geskaal as 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (Aanvullende Bespreking, Afdeling 5.4), soos getoon deur die soliede rooi lyn in Fig. 2e.Dus, ΔPtr is minder beperk as in agarose gels.Vir kompressies met 1/λr > 3.5, beperk 'n beduidende toename in die volume fraksie van filamente en die interaksie van naburige filamente verdere vervorming van die jel en lei tot afwykings van eksperimentele resultate vanaf voorspellings (rooi stippellyn in Fig. 2e).Ons kom tot die gevolgtrekking dat vir dieselfde 1/λr en Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}}_{{{\rm{fibrin}}} ))) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) sal die agarosegel deur die mikrokanaal gevang word, en die fibriengel met dieselfde styfheid sal daardeur beweeg.Vir ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)))))))))_{{{{{\rm{fibrien)))))))))}\ ), Twee Beide gels sal die kanaal blokkeer, maar die fibriengel sal dieper druk en meer effektief saamdruk, wat vloeistofvloei meer effektief blokkeer.Die resultate wat in Figuur 2 getoon word, toon dat die veselgel kan dien as 'n effektiewe prop om bloeding te verminder of die bloedtoevoer na gewasse te inhibeer.
Aan die ander kant vorm fibrien 'n klontsteier wat lei tot trombo-embolisme, 'n patologiese toestand waarin 'n trombus 'n vat by ΔP < ΔPtr afsluit, soos in sommige tipes isgemiese beroerte (Fig. 3a).Die swakker beperking-geïnduseerde verlenging van fibrienmikrogels het gelei tot 'n sterker toename in fibrienkonsentrasie van C/C fibrinogeen in vergelyking met buigsame kettinggels, waar C en C fibrinogeen onderskeidelik beperkte en onvervormde mikrogels is.Polimeerkonsentrasie in die gel.Figuur 3b toon dat fibrinogeen C/C in SM, MM en RM meer as sewevoudig toegeneem het by 1/λr ≈ 4.0, aangedryf deur beperking en dehidrasie (Aanvullende Fig. 16).
Skematiese illustrasie van okklusie van die middel serebrale arterie in die brein.b Beperking-gemedieerde relatiewe toename in fibrienkonsentrasie in obstruktiewe SM (soliede rooi sirkels), MM (soliede swart blokkies) en RM (soliede blou driehoeke).c Eksperimentele ontwerp wat gebruik word om die splitsing van beperkte fibriengels te bestudeer.'n Oplossing van fluorescent gemerkte tPA in TBS is ingespuit teen 'n vloeitempo van 5.6 × 107 µm3/s en 'n addisionele drukval van 0.7 Pa vir kanale wat loodreg op die lang-as van die hoofmikrokanaal geleë is.d Gepoelde multikanaal mikroskopiese beeld van obstruktiewe MM (D0 = 200 µm) by Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa en tydens splitsing.Vertikale stippellyne wys die aanvanklike posisies van die posterior en anterior rande van die MM by tlys = 0. Groen en pienk kleure stem ooreen met FITC-dekstran (70 kDa) en tPA gemerk met AlexaFluor633, onderskeidelik.e Tydveranderende relatiewe volume van geokkludeerde RM'e met D0 van 174 µm (blou oop omgekeerde driehoek), 199 µm (blou oop driehoek) en 218 µm (blou oop driehoek), onderskeidelik, in 'n koniese mikrokanaal met Xf = 28 ± 1 µm.die seksies het onderskeidelik ΔP 1200, 1800 en 3000 Pa, en Q = 1860 ± 70 µm3/s.Die insetsel wys RM (D0 = 218 µm) wat die mikrokanaal inprop.f Tydvariasie van die relatiewe volume van SM, MM of RM geplaas by Xf = 32 ± 12 µm, by ΔP 400, 750 en 1800 Pa en ΔP 12300 Pa en Q 12300 in die koniese gebied van die mikrokanaal, onderskeidelik 28300 en µm /s.Xf verteenwoordig die voorste posisie van die mikrogel en bepaal sy afstand vanaf die begin van krimping.V(tlys) en V0 is onderskeidelik die tydelike volume van die geliseerde mikrogel en die volume van die onversteurde mikrogel.Die karakterkleure stem ooreen met die kleure in b.Swart pyle op e, f stem ooreen met die laaste oomblik van tyd voor die deurgang van mikrogels deur die mikrokanaal.Die skaalbalk in d, e is 100 µm.
Om die effek van beperking op vloeistofvloeivermindering oor obstruktiewe fibriengels te ondersoek, het ons die lysis van SM, MM en RM bestudeer wat geïnfiltreer is met die trombolitiese middel weefselplasminogeenaktiveerder (tPA).Figuur 3c toon die eksperimentele ontwerp wat vir die lisis-eksperimente gebruik is. By ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en 'n vloeitempo, Q = 2400 μm3/s, van Tris-gebufferde soutoplossing (TBS) gemeng met 0.1 mg/mL (fluoressensie isothiocyanate) FITC-Dextran, het die mikrogel die tapse mikrokanaal afgesluit streek. By ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en 'n vloeitempo, Q = 2400 μm3/s, van Tris-gebufferde soutoplossing (TBS) gemeng met 0.1 mg/mL (fluoressensie isothiocyanate) FITC-Dextran, het die mikrogel die tapse mikrokanaal afgesluit streek. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), мкмешного солевого раствора (TBS), смешного (TBS), eинизотиоцианата) FITC-dekstasie, mikroгель перекрывал сужающийся микроканал. By ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en 'n vloeitempo, Q = 2400 µm3/s, van Tris-gebufferde soutoplossing (TBS) gemeng met 0.1 mg/mL (fluoressensie-isotiosianaat) FITC-dekstraan, het die mikrogel die konvergerende mikrokanaal afgesluit.streek.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（异硫觠喡酡獫氰（异硫氳混合时，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) met 0,1 mг/ml (flankeerds-fiets)-fiets ри ΔP = 700 Па (<ΔPtr) en скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. Mikrogels het ingeprop toe Tris-gebufferde soutoplossing (TBS) gemeng is met 0.1mg/mL (fluoressensie-isotiosianaat) FITC-dekstraan by ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en vloeitempo Q = 2400 µm3/s Koniese streke van mikrokanale.Die voorste posisie Xf van die mikrogel bepaal sy afstand vanaf die aanvanklike krimppunt X0.Om lisis te induseer, is 'n oplossing van fluorescent gemerkte tPA in TBS ingespuit vanaf 'n kanaal wat ortogonaal tot die lang-as van die hoofmikrokanaal geleë is.
Toe die tPA-oplossing die okklusale MM bereik het, het die posterior rand van die mikrogel vervaag, wat aandui dat fibriensplyting begin het op tyd tlys = 0 (Fig. 3d en Aanvullende Fig. 18).Tydens fibrinolise versamel kleurstof-gemerkte tPA binne die MM en bind aan fibrienstringe, wat lei tot 'n geleidelike toename in die intensiteit van die pienk kleur van die mikrogels.By tlys = 60 min trek die MM saam as gevolg van die ontbinding van sy agterste deel, en die posisie van sy voorrand Xf verander min.Na 160 min het die sterk gekontrakteerde MM aangehou om te kontrakteer, en by tlys = 161 min het dit sametrekking ondergaan, waardeur vloeistofvloei deur die mikrokanaal herstel word (Fig. 3d en Aanvullende Fig. 18, regterkolom).
Op fig.3e toon die lysis-gemedieerde tydafhanklike afname in volume V(tlys) genormaliseer na die aanvanklike volume V0 van verskillende grootte fibrienmikrogels.CO met D0 174, 199 of 218 µm is in 'n mikrokanaal met ΔP 1200, 1800 of 3000 Pa onderskeidelik geplaas en Q = 1860 ± 70 µm3/s om die mikrokanaal te blokkeer (Fig. 3e, inlas).voeding.Die mikrogels krimp geleidelik totdat hulle klein genoeg is om deur die kanale te gaan.'n Afname in die kritieke volume CO met 'n groter aanvanklike deursnee vereis 'n langer lysistyd.As gevolg van die soortgelyke vloei deur verskillende groottes RM's, vind splitsing teen dieselfde tempo plaas, wat lei tot vertering van kleiner fraksies van groter RM's en hul vertraagde translokasie.Op fig.3f toon die relatiewe vermindering in V(tlys)/V0 as gevolg van splitsing vir SM, MM en RM by D0 = 197 ± 3 µm geplot as 'n funksie van tlys.Vir SM, MM en RM, plaas elke mikrogel in 'n mikrokanaal met ΔP 400, 750 of 1800 Pa en Q 12300, 2400 of 1860 µm3/s, onderskeidelik.Alhoewel die druk wat op die SM toegepas is 4.5 keer laer was as dié van die RM, was die vloei deur die SM meer as ses keer sterker as gevolg van die hoër deurlaatbaarheid van die SM, en die krimping van die mikrogel het van SM na MM en RM afgeneem. .Byvoorbeeld, by tlys = 78 min, het SM meestal opgelos en verplaas, terwyl MM en PM voortgegaan het om die mikrokanale te verstop, ten spyte daarvan dat hulle onderskeidelik net 16% en 20% van hul oorspronklike volume behou het.Hierdie resultate dui op die belangrikheid van konveksie-gemedieerde lise van vernoue veselagtige gels en korreleer met verslae van vinniger vertering van klonte met laer fibrieninhoud.
Dus, ons werk demonstreer eksperimenteel en teoreties die meganisme waardeur filamenteuse gels reageer op tweeassige opsluiting.Die gedrag van veselagtige gels in 'n beperkte ruimte word bepaal deur die sterk asimmetrie van die vervormingsenergie van die filamente (sag in kompressie en hard in spanning) en slegs deur die aspekverhouding en kromming van die filamente.Hierdie reaksie lei tot minimale verlenging van veselagtige gels wat in nou kapillêre voorkom, hul tweeassige Poisson-verhouding neem af met toenemende kompressie en minder ligte bietjie druk.
Aangesien tweeassige insluiting van sagte vervormbare deeltjies in 'n wye reeks tegnologieë gebruik word, stimuleer ons resultate die ontwikkeling van nuwe veselagtige materiale.Veral die biaksiale retensie van filamentagtige gels in nou kapillêre of buise lei tot hul sterk verdigting en 'n skerp afname in deurlaatbaarheid.Die sterk inhibisie van vloeistofvloei deur okklusiewe veselagtige gels het voordele wanneer dit as proppe gebruik word om bloeding te voorkom of die bloedtoevoer na maligniteite te verminder33,34,35.Aan die ander kant gee 'n afname in vloeistofvloei deur die okklusale fibriengel, waardeur konvektief-gemedieerde trombolise inhibeer, 'n aanduiding van die stadige lise van okklusale klonte [27, 36, 37].Ons modelleringstelsel is die eerste stap in die rigting van die begrip van die implikasies van die meganiese reaksie van veselagtige biopolimeer hidrogels op biaksiale retensie.Die inkorporering van bloedselle of bloedplaatjies in obstruktiewe fibriengels sal hul beperkingsgedrag beïnvloed 38 en sal die volgende stap wees om die gedrag van meer komplekse biologies beduidende stelsels te ontbloot.
Reagense wat gebruik word om fibrien-mikrogels voor te berei en MF-toestelle te vervaardig, word beskryf in Aanvullende Inligting (Aanvullende Metodes Afdelings 2 en 4).Fibrien-mikrogels is voorberei deur 'n gemengde oplossing van fibrinogeen, Tris-buffer en trombien in 'n vloeifokuserende MF-toestel te emulgeer, gevolg deur druppelgelering.Beesfibrinogeenoplossing (60 mg/ml in TBS), Tris-buffer en beestrombienoplossing (5 U/ml in 10 mM CaCl2-oplossing) is toegedien met behulp van twee onafhanklik beheerde spuitpompe (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Spuitpomp).om MF, VSA, te blokkeer).F-olie aaneenlopende fase wat 1 gew.% blokkopolimeer PFPE-P(EO-PO)-PFPE bevat, is in die MF-eenheid ingebring met behulp van 'n derde spuitpomp.Druppels wat in die MF-toestel gevorm word, word in 'n 15 ml sentrifugebuis wat F-olie bevat, versamel.Plaas die buise in 'n waterbad by 37 °C vir 1 uur om fibriengelering te voltooi.FITC-gemerkte fibrien-mikrogels is berei deur onderskeidelik beesfibrinogeen en FITC-gemerkte menslike fibrinogeen in 'n 33:1 gewigsverhouding te meng.Die prosedure is dieselfde as vir die voorbereiding van fibrien-mikrogels.
Dra die mikrogels van olie F na TBS oor deur die dispersie vir 2 min by 185 g te sentrifugeer.Die gepresipiteerde mikrogels is gedispergeer in olie F gemeng met 20 gew.% perfluoroktielalkohol, dan gedispergeer in heksaan wat 0.5 gew.% Span 80, heksaan, 0.1 gew.% Triton X in water en TBS bevat.Laastens is die mikrogels versprei in TBS wat 0.01 gew.% Tween 20 bevat en by 4°C gestoor vir ongeveer 1-2 weke voor eksperimente.
Die vervaardiging van die MF-toestel word beskryf in die Aanvullende Inligting (Aanvullende Metodes Afdeling 5).In 'n tipiese eksperiment word die positiewe waarde van ΔP bepaal deur die relatiewe hoogte van die reservoirs wat voor en na die MF-toestel gekoppel is om mikrogels met 'n deursnee van 150 < D0 < 270 µm in die mikrokanale in te voer.Die onversteurde grootte van die mikrogels is bepaal deur hulle in die makrokanaal te visualiseer.Die mikrogel stop in 'n koniese area by die ingang van die vernouing.Wanneer die punt van die anterior mikrogel onveranderd bly vir 2 minute, gebruik die MATLAB-program om die posisie van die mikrogel langs die x-as te bepaal.Met 'n stapsgewyse toename in ΔP, beweeg die mikrogel langs die wigvormige gebied totdat dit die vernouing binnegaan.Sodra die mikrogel volledig ingesit en saamgepers is, daal ΔP vinnig tot nul, wat die watervlak tussen die reservoirs balanseer, en die geslote mikrogel bly stilstaande onder kompressie.Die lengte van die obstruktiewe mikrogel is gemeet 30 min nadat die vernouing opgehou het.
Tydens fibrinolise-eksperimente dring oplossings van t-PA en FITC-gemerkte dektraan geblokkeerde mikrogels binne.Die vloei van elke vloeistof is gemonitor met behulp van enkelkanaal fluoressensie beelding.TAP gemerk met AlexaFluor 633 wat aan fibrienvesels geheg is en binne saamgeperste fibrienmikrogels opgehoop het (TRITC-kanaal in Aanvullende Fig. 18).Die dektraanoplossing gemerk met FITC beweeg sonder ophoping in die mikrogel.
Data wat die resultate van hierdie studie ondersteun, is op aanvraag by die onderskeie outeurs beskikbaar.Rou SEM-beelde van fibriengels, rou TEM-beelde van fibriengels voor en na inenting, en die hoofinvoerdata vir Figure 1 en 2. 2 en 3 word in die roudatalêer verskaf.Hierdie artikel verskaf die oorspronklike data.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. en Weisel JV fibrinogeen en fibrien.In Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (red. Harris, JR en Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (Springer en Cham, 2021).
Bosman FT en Stamenkovich I. Funksionele struktuur en samestelling van die ekstrasellulêre matriks.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prince E. en Kumacheva E. Ontwerp en toepassing van kunsmatige biomimetiese veselhidrogels.Nasionale Matt Rooi.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Modellering van semi-buigsame polimeernetwerke.Priester Mod.fisika.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. en Piku, KR Meganiese modellering van semi-buigsame biopolimeernetwerke: nie-affiene vervorming en die teenwoordigheid van langafstandafhanklikhede.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlyn, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D, en Mahadevan L. Stres-geïnduseerde belyning van kollageengels.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS, en Gianmi PA Nie-lineêre elastisiteit van biogels.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stres beheer die meganismes van die kollageennetwerk.proses.Nasionale Akademie vir Wetenskap.die wetenskap.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et al.Negatiewe normale spanning in semi-buigsame biopolimeer gels.Nasionale alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.Nie-lineêre elastisiteit van stywe veselnetwerke: spanningsverharding, negatiewe normale spanning en veselbelyning in fibriengels.J. Fisika.Chemies.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.Elastiese gedrag van kruisgebonde en gebonde aktiennetwerke.Science 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Nie-lineêre meganika van spanningsbeheerde optieseveselnetwerke met kritieke beheer.Nasionale fisika.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.Elastisiteit van veselnetwerke onder eenassige voorspanning.Sagte Materie 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Bloedklont hidrouliese deurlaatbaarheid as 'n funksie van fibrien en bloedplaatjie digtheid.biofisika.Tydskrif 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et al.Die veelsydige gedrag van hidrogels word beperk deur nou kapillêre.die wetenskap.Huis 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Effek van patologiese heterogeniteit op skuifgolf-elastografie in diepveneuse trombose-stadiëring.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo kwantifisering van tydafhanklike verharding van bloedklonte met behulp van skuifgolf-ultraklankbeelding in 'n konynveneuse trombosemodel.trombus.opgaartenk.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Rekenaarsimulasie van fibrienpolimerisasiedinamika in verband met elektronmikroskopie en troebelheidswaarnemings: klontstruktuur en samestelling word kineties beheer.biofisika.Tydskrif 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW en Lorand, L. Strukturele oorsprong van fibrienklontreologie.biofisika.J. 77, 2813–2826 (1999).
Postyd: 23 Februarie 2023