Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liugurinuppe.
Kiuliste hüdrogeelide piiramine kitsaste kapillaaridega on bioloogilistes ja biomeditsiinilistes süsteemides väga oluline.Kiuliste hüdrogeelide pinget ja üheteljelist kokkusurumist on põhjalikult uuritud, kuid nende reaktsioon kaheteljelisele retentsioonile kapillaarides on endiselt uurimata.Siin demonstreerime eksperimentaalselt ja teoreetiliselt, et filamentsed geelid reageerivad piirangutele kvalitatiivselt erinevalt kui painduvad kettgeelid, mis on tingitud koostisosade filamentide mehaaniliste omaduste asümmeetriast, mis on kokkusurumisel pehmed ja pinges jäigad.Tugeva retentsiooni korral on kiudgeelil väike pikenemine ja kaheteljelise Poissoni suhte asümptootiline vähenemine nullini, mille tulemuseks on tugev geeli tihenemine ja vedeliku halb läbitungimine läbi geeli.Need tulemused näitavad venitatud oklusiivsete trombide resistentsust terapeutiliste ainete lüüsi suhtes ja stimuleerivad efektiivse endovaskulaarse embolisatsiooni väljakujunemist kiulistest geelidest, et peatada veresoonte verejooks või pärssida kasvajate verevarustust.
Kiudvõrgud on kudede ja elusrakkude peamised struktuursed ja funktsionaalsed ehitusplokid.Aktiin on tsütoskeleti1 põhikomponent;fibriin on haavade paranemise ja trombide moodustumise võtmeelement2 ning kollageen, elastiin ja fibronektiin on loomariigi rakuvälise maatriksi komponendid3.Taastatud kiuliste biopolümeeride võrgud on muutunud materjalideks, millel on koetehnoloogias laialdased rakendused4.
Filamentsed võrgud esindavad eraldi bioloogilise pehme aine klassi, mille mehaanilised omadused erinevad paindlikest molekulaarvõrkudest5.Mõned neist omadustest on evolutsiooni käigus välja kujunenud, et kontrollida bioloogilise aine reaktsiooni deformatsioonile6.Näiteks näitavad kiudvõrgud lineaarset elastsust väikeste tüvede 7, 8 korral, samas kui suurte tüvede korral on neil suurem jäikus 9, 10, säilitades seeläbi koe terviklikkuse.Mõju kiudgeelide muudele mehaanilistele omadustele, nagu negatiivne normaalne stress vastuseks nihkepingele 11, 12, on veel avastamata.
Poolpainduvate kiuliste hüdrogeelide mehaanilisi omadusi on uuritud üheteljelise pinge 13, 14 ja kokkusurumise 8, 15 all, kuid nende vabadusest põhjustatud kaheteljelist kokkusurumist kitsastes kapillaarides või torudes ei ole uuritud.Siin kirjeldame eksperimentaalseid tulemusi ja pakume teoreetiliselt välja mehhanismi kiuliste hüdrogeelide käitumiseks mikrofluidikanalites kaheteljelise retentsiooni korral.
Fibriini mikrogeelid erinevate fibrinogeeni ja trombiini kontsentratsioonide suhetega ja D0 läbimõõduga vahemikus 150 kuni 220 µm loodi mikrofluidilise lähenemisviisi abil (täiendav joonis 1).Joonisel fig.Joonisel 1a on kujutatud fluorokroomiga märgistatud mikrogeelide kujutisi, mis on saadud konfokaalse fluorestsentsmikroskoopia (CFM) abil.Mikrogeelid on sfäärilised, nende polüdisperssus on alla 5% ja nende struktuur on CFM-i (täiendav teave ja filmid S1 ja S2) uuritud skaaladel ühtlane.Mikrogeelide keskmine pooride suurus (määratud Darcy läbilaskvuse mõõtmisega16) vähenes 2280-lt 60 nm-le, fibriinisisaldus suurenes 5,25-lt 37,9 mg/ml-le ja trombiini kontsentratsioon vähenes vastavalt 2,56-lt 0,27 ühikule/ml.(Lisainformatsioon).Riis.2), 3 ja lisatabel 1).Mikrogeeli vastav jäikus suureneb 0, 85-lt 3, 6 kPa-le (täiendav joonis 4).Painduvatest ahelatest moodustatud geelide näidetena kasutatakse erineva jäikusega agaroosi mikrogeele.
TBS-is suspendeeritud fluorestseiini isotiotsüanaadi (FITC) märgistatud PM fluorestsentsmikroskoopiline pilt.Riba skaala on 500 µm.b SM-i (ülemine) ja RM-i (alumine) SEM-kujutised.Skaalariba 500 nm.c Mikrofluidikanali skemaatiline diagramm, mis koosneb suurest kanalist (läbimõõt dl) ja kitsendatud koonusekujulisest piirkonnast, mille sisendnurk α on 15° ja läbimõõt dc = 65 µm.d Vasakult paremale: optilise mikroskoobi kujutised RM-st (läbimõõt D0) suurtes kanalites, koonilises tsoonis ja ahenemises (piirav geeli pikkus Dz).Riba skaala on 100 µm.e, f Deformeerimata RM-i (e) ja ummistunud RM-i (f) TEM-kujutised, fikseeritud üheks tunniks ahenemisega 1/λr = 2,7, millele järgneb 5% massist vabastamine ja fikseerimine.glutaaraldehüüd TBS-is.Deformeerimata CO läbimõõt on 176 μm.Skaalariba on 100 nm.
Keskendusime fibriini mikrogeelidele kõvadusega 0,85, 1,87 ja 3,6 kPa (edaspidi vastavalt pehmed mikrogeelid (SM), keskmise kõvad mikrogeelid (MM) ja kõvad mikrogeelid (RM).See fibriini geeli jäikuse vahemik on samas suurusjärgus kui verehüüvete puhul 18, 19 ja seega on meie töös uuritud fibriingeelid otseselt seotud reaalsete bioloogiliste süsteemidega.Joonisel fig.1b näitab skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) abil saadud SM- ja RM-struktuuride ülemist ja alumist kujutist.Võrreldes RM-struktuuridega moodustavad SM-võrgud paksemad kiud ja vähem harupunkte, mis on kooskõlas varasemate aruannetega 20, 21 (täiendav joonis 5).Hüdrogeeli struktuuri erinevus korreleerub selle omaduste suundumusega: geeli läbilaskvus väheneb pooride suuruse vähenemisega SM-lt MM-le ja RM-le (täiendav tabel 1) ning geeli jäikus muutub vastupidiseks.Pärast 30-päevast säilitamist temperatuuril 4 °C ei täheldatud muutusi mikrogeeli struktuuris (täiendav joonis 6).
Joonisel fig.Joonisel 1c on kujutatud ümmarguse ristlõikega mikrofluidikanali diagramm, mis sisaldab (vasakult paremale): suur kanal läbimõõduga dl, milles mikrogeel jääb deformeerimata, koonusekujuline sektsioon, mille läbimõõt on kitsenev dc < D0, koonus -kujulised sektsioonid ja suured kanalid läbimõõduga dl (täiendav joonis 7).Tüüpilises katses süstiti mikrogeelid mikrofluidikanalitesse positiivse rõhu langusega ΔP 0, 2–16 kPa (täiendav joonis 8).See rõhuvahemik vastab bioloogiliselt olulisele vererõhule (120 mm Hg = 16 kPa)22.Joonisel fig.1d (vasakult paremale) näitab RM-i tüüpilisi pilte suurtes kanalites, koonilistes piirkondades ja kitsendustes.Mikrogeeli liikumine ja kuju registreeriti ja analüüsiti programmi MATLAB abil.Oluline on märkida, et kitsenevates piirkondades ja kitsendustes on mikrogeelid konformaalses kontaktis mikrokanalite seintega (täiendav joonis 8).Mikrogeeli radiaalse retentsiooni aste ahenemise korral D0/dc = 1/λr on vahemikus 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, kus 1/λr on kokkusurumisaste.Mikrogeel läbib kokkutõmbumise, kui ΔP > ΔPtr, kus ΔPtr on translokatsioonirõhu erinevus.Kaheteljeliselt piiratud mikrogeelide pooride pikkuse ja suuruse määrab nende tasakaaluseisund, kuna bioloogilistes süsteemides on väga oluline arvestada geelide viskoelastsust.Agaroosi ja fibriini mikrogeelide tasakaalustamisaeg oli vastavalt 10 minutit ja 30 minutit.Pärast neid ajavahemikke saavutasid piiratud mikrogeelid oma stabiilse positsiooni ja kuju, mis jäädvustati kiire kaameraga ja analüüsiti MATLAB-i abil.
Joonisel fig.1e, 1f näitavad deformeerimata ja kaheteljeliselt piiratud RM-struktuuride transmissioonielektronmikroskoopia (TEM) pilte.Pärast RM-i kokkusurumist vähenes mikrogeeli pooride suurus märkimisväärselt ja nende kuju muutus anisotroopseks, väiksema suurusega kokkusurumise suunas, mis on kooskõlas varasema aruandega 23 .
Kaheteljeline kokkusurumine kokkutõmbumise ajal põhjustab mikrogeeli pikenemist piiramatus suunas koefitsiendiga λz = \({D}_{{{{{{\rm{z}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , kus \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) on suletud mikrogeeli pikkus. Joonisel 2a on näidatud λzvs .1/ λr muutus fibriini ja agaroosi mikrogeelide jaoks. Üllataval kombel näitavad fibriini mikrogeelid tugeva kokkusurumise korral 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2 ebaolulist pikenemist 1,12 +/- 0,03 λz, mida mõjutab vaid vähesel määral käitumise 1/λr väärtus. piiratud agaroosi mikrogeelid, mida täheldatakse isegi nõrgema kokkusurumise korral 1/λr = 2,6 kuni suurema pikenemiseni λz = 1,3.
a Agaroosi mikrogeeli katsed erinevate elastsusmoodulitega (2,6 kPa, roheline avatud teemant; 8,3 kPa, pruun avatud ring; 12,5 kPa, oranž avatud ruut; 20,2 kPa, magenta avatud ümberpööratud kolmnurk) ja SM (ühtlane punane) Muutus mõõdetud pikenemises λz ( ringid), MM (tahked mustad ruudud) ja RM (tahked sinised kolmnurgad).Tahked jooned näitavad agaroosi (roheline joon) ja fibriini mikrogeelide (sama värvi jooned ja sümbolid) teoreetiliselt ennustatud λz.b, c Ülemine paneel: agaroosi (b) ja fibriini (c) võrguahelate skemaatiline diagramm enne (vasakul) ja pärast (paremal) kaheteljelist kokkusurumist.Alt: vastava võrgu kuju enne ja pärast deformatsiooni.X ja y tihendussuunad on tähistatud vastavalt magenta ja pruunide nooltega.Ülaltoodud joonisel on nendes x ja y suundades orienteeritud võrkude ahelad näidatud vastavate magenta ja pruunide joontega ning suvalises z-suunas orienteeritud ahelad on kujutatud roheliste joontega.Fibriingeelis (c) painduvad lillad ja pruunid jooned x- ja y-suunas rohkem kui deformeerimata olekus ning rohelised jooned z-suunas painduvad ja venivad.Surumis- ja tõmbesuundade vaheline pinge kandub edasi vahesuundadega keermete kaudu.Agaroosgeelides määravad igas suunas olevad ahelad osmootse rõhu, mis aitab oluliselt kaasa geeli deformeerumisele.d Kaheteljelise Poissoni suhte prognoositud muutus, } }^{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), agaroosi (roheline joon) ja fibriini (punane joon) geelide ekvibiaksiaalseks kokkupressimiseks.Sisend näitab geeli kaheteljelist deformatsiooni.e Translokatsioonirõhu muutus ΔPtr, mis on normaliseeritud geeli jäikusele S, on kujutatud agaroosi ja fibriini mikrogeelide kompressioonisuhte funktsioonina.Sümbolite värvid vastavad punktis a toodud värvidele.Rohelised ja punased jooned kujutavad teoreetilist seost ΔPtr / S ja 1 / λr vahel agaroosi ja fibriini geelide puhul.Punase joone katkendlik osa näitab ΔPtr suurenemist tugeva kokkusurumise korral kiududevaheliste interaktsioonide tõttu.
See erinevus on seotud fibriini ja agaroosi mikrogeelivõrkude erinevate deformatsioonimehhanismidega, mis koosnevad vastavalt painduvatest24 ja jäikadest25 niitidest.Painduvate geelide kaheteljeline kokkusurumine viib nende mahu vähenemiseni ning sellega seotud kontsentratsiooni ja osmootse rõhu suurenemiseni, mis viib geeli pikenemiseni piiramatus suunas.Geeli lõplik pikenemine sõltub venitatud ahelate entroopilise vaba energia suurenemise ja osmoosi vaba energia vähenemise tasakaalust, mis on tingitud madalamast polümeeri kontsentratsioonist venitatud geelis.Tugeva kaheteljelise kokkusurumise korral suureneb geeli pikenemine λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (vt joonis 2a arutelu jaotis 5.3.3).Konformatsioonilised muutused painduvates ahelates ja vastavate võrkude kuju enne ja pärast biaksiaalset retentsiooni on näidatud joonistel fig.2b.
Seevastu kiulised geelid, nagu fibriin, reageerivad kaheteljelisele retentsioonile oma olemuselt erinevalt.Kiud on orienteeritud valdavalt paralleelselt kokkusurumispainde suunaga (vähendades seeläbi ristsidemete vahelist kaugust), samas kui valdavalt kokkusurumissuunaga risti olevad kiud sirguvad ja venivad elastse jõu mõjul, põhjustades geeli pikenemist ( joonis 1).2c) Deformeerimata SM-i, MM-i ja RM-i struktuure iseloomustati nende SEM- ja CFM-piltide analüüsimisega (täiendav arutelu IV jaotis ja täiendav joonis 9).Määrates deformeerimata fibriini mikrogeelides kiudude elastsusmooduli (E), läbimõõdu (d), profiili pikkuse (R0), otste vahelise kauguse (L0 ≈ R0) ja kesknurga (ψ0) (täiendav tabel 2) – 4), leiame, et keerme painutusmoodul \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) on oluliselt väiksem kui selle tõmbemoodul\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), seega kb/ks ≈ 0,1 (täiendav tabel 4).Seega kaheteljelise geeli peetuse tingimustes painduvad fibriini kiud kergesti, kuid on venitamisele vastu.Kaheteljelise kokkusurumise all oleva filamentse võrgu pikenemine on näidatud täiendaval joonisel 17.
Töötame välja teoreetilise afiinse mudeli (täiendav arutelu V jaotis ja täiendavad joonised 10–16), milles kiulise geeli pikenemine määratakse geelis toimivate elastsusjõudude lokaalse tasakaalu järgi ja ennustab, et tugeva kaheteljelise tüve λz - 1 piirangu all
Võrrand (1) näitab, et isegi tugeva kokkusurumise korral (\({\lambda }_{{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) esineb kerge geeli paisumine ja sellele järgnev pikenemise deformatsioon. küllastus λz–1 = 0,15 ± 0,05.See käitumine on seotud (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm) { s }}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15–0,4 ja (ii) nurksulgudes olev termin on asümptootiliselt ligikaudne \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) tugevate kaheteljeliste sidemete jaoks. Oluline on märkida, et eeltegur \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) ei ole kuidagi seotud keerme E jäikusega, vaid selle määrab ainult keerme kuvasuhe d/L0 ja kaare kesknurk ψ0, mis on sarnane SM, MM ja RM-ga (täiendav tabel 4).
Painduvate ja filamentsete geelide vabadusest põhjustatud pinge erinevuse veelgi rõhutamiseks tutvustame kaheteljelist Poissoni suhet \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}, \) kirjeldab piiramata geeli deformatsiooni orientatsioon vastusena võrdsele pingele kahes radiaalses suunas ja laiendab seda suurte ühtlaste deformatsioonideni \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r))))))))))))}\) .Joonisel fig.2d näitab \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) painduvate (nt agaroos) ja jäikade (nt fibriin) geelide ühtlaseks kaheteljeliseks kokkusurumiseks (täiendav arutelu, jaotis 5.3.4) ning tõstab esile seose tugevate erinevuste vahel sünnitusele reageerimises. Tugevate piirangutega agaroosgeelide puhul suureneb {\rm{eff}}}}}}}}\) asümptootilise väärtuseni 2/3 ja fibriingeelide puhul väheneb see nullini, kuna lnλz/lnλr → 0, kuna λz suureneb küllastus, kui λr suureneb.Pange tähele, et katsetes deformeeruvad suletud sfäärilised mikrogeelid ebahomogeenselt ja nende keskosa kogeb tugevamat kokkusurumist;aga ekstrapoleerimine suurele väärtusele 1/λr võimaldab võrrelda katset ühtlaselt deformeerunud geelide teooriaga.
Veel üks erinevus painduvate kettgeelide ja filamentsete geelide käitumises leiti nende liikumise tõttu kokkutõmbumisel.Geeli jäikusele S normaliseeritud translokatsioonirõhk ΔPtr suurenes kokkusurumise suurenemisega (joonis 2e), kuid 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5 juures näitasid fibriini mikrogeelid ΔPtr/S oluliselt madalamaid väärtusi kokkutõmbumise ajal.Agaroosi mikrogeeli kinnijäämine toob kaasa osmootse rõhu tõusu, mis viib polümeeri molekulide venitamisel geeli pikisuunas venimiseni (joonis 2b, vasakul) ja translokatsioonirõhu suurenemiseni ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Vastupidi, suletud fibriini mikrogeelide kuju määrab radiaalse kokkusurumise ja pikisuunalise pinge niitide energiabilanss, mis viib maksimaalse pikisuunalise deformatsioonini λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).1/λr ≫ 1 korral on translokatsioonirõhu muutus skaleeritud 1-ks }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}^{{-} 1} \right)\) (täiendav arutelu, jaotis 5.4), nagu on näidatud pideva punase joonega joonisel 2e.Seega on ΔPtr vähem piiratud kui agaroosgeelides.Kompressioonide puhul, mille 1/λr > 3,5, piirab filamentide mahuosa märkimisväärne suurenemine ja naaberfilamentide vastastikmõju geeli edasist deformatsiooni ja põhjustab katsetulemuste kõrvalekaldeid prognoosidest (punane punktiirjoon joonisel 2e).Me järeldame, et sama 1/λr ja Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) agaroosgeel haarab kinni mikrokanali ja sama jäikusega fibriinigeel liigub sellest läbi.ΔP jaoks < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))))))_{{{{{\rm{fibriin))))))))))}\ ), Kaks Mõlemad geelid blokeerivad kanali, kuid fibriini geel surub sügavamale ja surub tõhusamalt kokku, blokeerides tõhusamalt vedeliku voolu.Joonisel 2 näidatud tulemused näitavad, et kiuline geel võib toimida tõhusa korgina verejooksu vähendamiseks või kasvajate verevarustuse pärssimiseks.
Teisest küljest moodustab fibriin trombi karkassi, mis põhjustab trombembooliat – patoloogilist seisundit, mille puhul tromb ummistab veresoone ΔP < ΔPtr juures, näiteks teatud tüüpi isheemilise insuldi korral (joonis 3a).Fibriini mikrogeelide nõrgem restriktsioonist põhjustatud pikenemine põhjustas C / C fibrinogeeni fibriini kontsentratsiooni tugevama tõusu võrreldes painduva ahelaga geelidega, kus C ja C fibrinogeen on vastavalt piiratud ja deformeerimata mikrogeelid.Polümeeri kontsentratsioon geelis.Joonisel fig 3b on näidatud, et fibrinogeeni C/C suurenes SM-s, MM-is ja RM-s 1/λr ≈ 4,0 juures rohkem kui seitse korda, mis on tingitud piirangust ja dehüdratsioonist (täiendav joonis 16).
Aju keskmise ajuarteri oklusiooni skemaatiline illustratsioon.b Restriktsioonist tingitud fibriini kontsentratsiooni suhteline suurenemine obstruktiivses SM-is (ühtlased punased ringid), MM-is (ühtlased mustad ruudud) ja RM-is (ühtlased sinised kolmnurgad).c Piiratud fibriini geelide lõhustumise uurimiseks kasutatud katsekujundus.Fluorestseeruvalt märgistatud tPA lahust TBS-is süstiti voolukiirusega 5, 6 × 107 µm3 / s ja täiendava rõhulangusega 0, 7 Pa kanalite jaoks, mis paiknesid põhimikrokanali pikiteljega risti.d Obstruktiivse MM-i (D0 = 200 µm) ühendatud mitmekanaliline mikroskoopiline kujutis Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa ja poolitamise ajal.Vertikaalsed punktiirjooned näitavad MM-i tagumise ja eesmise serva algset asukohta tlys = 0 juures. Rohelised ja roosad värvid vastavad vastavalt FITC-dekstraanile (70 kDa) ja tPA-le, mis on märgistatud AlexaFluor633-ga.e Ajaliselt muutuv ummistunud RM-ide suhteline maht D0-ga vastavalt 174 µm (sinine avatud ümberpööratud kolmnurk), 199 µm (sinine avatud kolmnurk) ja 218 µm (sinine avatud kolmnurk) koonilises mikrokanalis, mille Xf = 28 ± 1 µm.sektsioonide ΔP on vastavalt 1200, 1800 ja 3000 Pa ning Q = 1860 ± 70 µm3/s.Sisend näitab RM-i (D0 = 218 µm), mis ühendab mikrokanali.f SM-i, MM-i või RM-i suhtelise ruumala ajaline kõikumine, mis on paigutatud Xf = 32 ± 12 µm, ΔP 400, 750 ja 1800 Pa ning ΔP 12300 Pa ja Q 12300 juures mikrokanali koonilises piirkonnas, vastavalt 24600 ja 18300 µm /s.Xf tähistab mikrogeeli eesmist asendit ja määrab selle kauguse kokkutõmbumise algusest.V(tlys) ja V0 on vastavalt lüüsitud mikrogeeli ajutine maht ja häirimatu mikrogeeli maht.Märgi värvid vastavad b värvidele.Mustad nooled e, f vastavad viimasele ajahetkele enne mikrogeelide läbimist mikrokanalist.Skaalariba d, e on 100 µm.
Et uurida piirangu mõju vedeliku voolu vähenemisele obstruktiivsetes fibriinigeelides, uurisime trombolüütilise aine koeplasminogeeni aktivaatoriga (tPA) infiltreeritud SM-i, MM-i ja RM-i lüüsi.Joonisel fig 3c on näidatud lüüsikatsetes kasutatud eksperimentaalne ülesehitus. ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja voolukiirusel Q = 2400 μm3/s Tris-puhverdatud soolalahuse (TBS) ja 0,1 mg/mL (fluorestseiini isotiotsüanaadi) FITC-dekstraani segamisel sulges mikrogeel koonilise mikrokanali. piirkond. ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja voolukiirusel Q = 2400 μm3/s Tris-puhverdatud soolalahuse (TBS) ja 0,1 mg/mL (fluorestseiini isotiotsüanaadi) FITC-dekstraani segamisel sulges mikrogeel koonilise mikrokanali. piirkond. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) ja скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), смешаннолго, смешаннолго зотиоцианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. 0,1 mg/mL (fluorestseiini isotiotsüanaadi) FITC-dekstraaniga segatud Tris-puhverdatud soolalahuse (TBS) voolukiirusel ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja voolukiirusel Q = 2400 µm3/s sulges mikrogeel koonduva mikrokanali.piirkond.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s 的Tris 缓冲盐水(TBS) 与 0,1 mg/mL 缉（异灁贚賡Ａ混合时，微凝胶堵塞了锥形微通道地区.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s了锥形微通道地区. Микрогели закупориваются при смешивании трис-буферного солевого раствора (TBS) с 0,1 мг/мл FI (флуоресцеиниз-акупориваются) P = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. Mikrogeelid ummistusid, kui Tris-puhverdatud soolalahust (TBS) segati 0,1 mg/ml (fluorestseiini isotiotsüanaat) FITC-dekstraaniga rõhul ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja voolukiirusel Q = 2400 µm3/s Mikrokanalite koonilised piirkonnad.Mikrogeeli esiasend Xf määrab selle kauguse esialgsest kokkutõmbumispunktist X0.Lüüsi esilekutsumiseks süstiti peamise mikrokanali pikitelje suhtes ortogonaalselt paiknevast kanalist fluorestseeruvalt märgistatud tPA lahust TBS-s.
Kui tPA lahus jõudis oklusaalsesse MM-i, muutus mikrogeeli tagumine serv häguseks, mis näitab, et fibriini lõhustumine oli alanud ajal tlys = 0 (joonis 3d ja täiendav joonis 18).Fibrinolüüsi ajal koguneb värvainega märgistatud tPA MM-i ja seondub fibriini ahelatega, mis viib mikrogeelide roosa värvi intensiivsuse järkjärgulise suurenemiseni.Tlys = 60 min tõmbub MM kokku selle tagaosa lahustumise tõttu ja selle esiserva Xf asend muutub vähe.160 minuti pärast jätkas tugevalt kokkutõmbunud MM kokkutõmbumist ja tlys = 161 min juures läbis see kokkutõmbumise, taastades seeläbi vedeliku voolu läbi mikrokanali (joonis 3d ja täiendav joonis 18, parem veerg).
Joonisel fig.Joonisel 3e on näidatud lüüsi poolt vahendatud ajast sõltuv mahu V (tlys) vähenemine, mis on normaliseeritud erineva suurusega fibriini mikrogeelide esialgse mahuga Vo.CO koos D0 174, 199 või 218 µm asetati mikrokanalisse, mille ΔP oli vastavalt 1200, 1800 või 3000 Pa ja Q = 1860 ± 70 µm3/s, et blokeerida mikrokanal (joonis 3e, sisestus).toitumine.Mikrogeelid kahanevad järk-järgult, kuni need on piisavalt väikesed, et kanaleid läbida.Suurema algläbimõõduga CO kriitilise mahu vähenemine nõuab pikemat lüüsiaega.Sarnase voolu tõttu läbi erineva suurusega RM-de toimub lõhustumine sama kiirusega, mille tulemuseks on suuremate RM-ide väiksemate fraktsioonide seedimine ja nende translokatsiooni hilinemine.Joonisel fig.Joonisel 3f on näidatud V(tlys)/V0 suhteline vähenemine, mis on tingitud SM, MM ja RM jagamisest D0 = 197 ± 3 µm juures, mis on kujutatud tlys funktsioonina.SM, MM ja RM puhul asetage iga mikrogeel mikrokanalisse, mille ΔP on vastavalt 400, 750 või 1800 Pa ja Q 12300, 2400 või 1860 µm3/s.Kuigi SM-ile rakendatud rõhk oli RM-ist 4,5 korda madalam, oli SM-i läbiv vool SM-i suurema läbilaskvuse tõttu enam kui kuus korda tugevam ning mikrogeeli kokkutõmbumine vähenes SM-lt MM-ile ja RM-ile. .Näiteks tlys = 78 min juures SM enamasti lahustus ja nihkus, samas kui MM ja PM jätkasid mikrokanalite ummistumist, hoolimata sellest, et säilitasid vastavalt vaid 16% ja 20% oma esialgsest mahust.Need tulemused viitavad kitsendatud kiuliste geelide konvektsiooni poolt vahendatud lüüsi tähtsusele ja on korrelatsioonis madalama fibriinisisaldusega trombide kiirema seedimise teadetega.
Seega näitab meie töö eksperimentaalselt ja teoreetiliselt mehhanismi, mille abil filamentsed geelid reageerivad kaheteljelisele suletusele.Kiudgeelide käitumise piiratud ruumis määrab niitide pingeenergia tugev asümmeetria (kokkusurumisel pehme ja pinges kõva) ning ainult filamentide kuvasuhe ja kumerus.Selle reaktsiooni tulemuseks on kitsastes kapillaarides sisalduvate kiuliste geelide minimaalne pikenemine, nende kaheteljeline Poissoni suhe väheneb koos tihendamise ja väiksema kerge biti survega.
Kuna pehmete deformeeruvate osakeste biaksiaalset piiramist kasutatakse paljudes tehnoloogiates, stimuleerivad meie tulemused uute kiudmaterjalide väljatöötamist.Eelkõige põhjustab filamentsete geelide kaheteljeline kinnipidamine kitsastes kapillaarides või torudes nende tugevat tihenemist ja läbilaskvuse järsu vähenemise.Vedeliku voolu tugev pärssimine läbi oklusiivsete kiudgeelide omab eeliseid, kui seda kasutatakse verejooksu vältimiseks või pahaloomuliste kasvajate verevarustuse vähendamiseks33, 34, 35.Teisest küljest näitab vedeliku voolu vähenemine läbi oklusaalse fibriini geeli, inhibeerides seeläbi konvektiiv-vahendatud trombi lüüsi, oklusaalsete trombide aeglasest lüüsist [27, 36, 37].Meie modelleerimissüsteem on esimene samm kiuliste biopolümeeride hüdrogeelide mehaanilise reaktsiooni mõju mõistmiseks biaksiaalsele retentsioonile.Vererakkude või trombotsüütide lisamine obstruktiivsetesse fibriingeelidesse mõjutab nende piirangukäitumist 38 ja on järgmine samm keerulisemate bioloogiliselt oluliste süsteemide käitumise avastamisel.
Fibriini mikrogeelide valmistamiseks ja MF-seadmete valmistamiseks kasutatavaid reaktiive kirjeldatakse täiendavas teabes (täiendavad meetodid, jaotised 2 ja 4).Fibriini mikrogeelid valmistati fibrinogeeni, Tris-puhvri ja trombiini segalahuse emulgeerimisel voolu fokusseerivas MF-seadmes, millele järgnes tilkgeelistumine.Veise fibrinogeeni lahust (60 mg/ml TBS-s), Tris-puhvrit ja veise trombiinilahust (5 U/ml 10 mM CaCl2 lahuses) manustati kahe sõltumatult juhitava süstlapumbaga (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 süstlapump).blokeerida MF, USA).F-õli pidev faas, mis sisaldas 1 massiprotsenti plokk-kopolümeeri PFPE-P(EO-PO)-PFPE, viidi MF-i kolmanda süstlapumba abil.MF-seadmes moodustunud tilgad kogutakse F-õli sisaldavasse 15 ml tsentrifuugituubi.Asetage katseklaasid 1 tunniks veevanni temperatuuril 37 °C, et viia fibriini geelistumine lõpule.FITC-märgistatud fibriini mikrogeelid valmistati veise fibrinogeeni ja FITC-märgistatud inimese fibrinogeeni segamisel massisuhtes 33:1.Protseduur on sama, mis fibriini mikrogeelide valmistamisel.
Viige mikrogeelid õlist F TBS-i, tsentrifuugides dispersiooni 185 g juures 2 minutit.Sadestunud mikrogeelid dispergeeriti õlis F, mis oli segatud 20 massiprotsendi perfluorooktüülalkoholiga, seejärel dispergeeriti heksaanis, mis sisaldas 0,5 massiprotsenti Span 80, heksaani, 0,1 massiprotsenti Triton X vees ja TBS-is.Lõpuks dispergeeriti mikrogeelid TBS-is, mis sisaldas 0, 01 massiprotsenti Tween 20, ja säilitati enne katseid 4 °C juures umbes 1–2 nädalat.
MF-seadme valmistamist on kirjeldatud täiendavas teabes (täiendavad meetodid 5. jaotis).Tüüpilises katses määratakse ΔP positiivne väärtus reservuaaride suhtelise kõrgusega, mis on ühendatud enne ja pärast MF-seadet mikrogeelide läbimõõduga 150 < D0 < 270 µm mikrokanalitesse sisestamiseks.Mikrogeelide häirimatu suurus määrati nende visualiseerimise teel makrokanalis.Mikrogeel peatub kitsenduse sissepääsu juures koonilisel alal.Kui eesmise mikrogeeli ots jääb 2 minutiks muutumatuks, kasutage programmi MATLAB, et määrata mikrogeeli asukoht piki x-telge.ΔP järkjärgulise suurenemisega liigub mikrogeel piki kiilukujulist piirkonda, kuni see siseneb ahenemisse.Kui mikrogeel on täielikult sisestatud ja kokku surutud, langeb ΔP kiiresti nullini, tasakaalustades veetaset reservuaaride vahel ja suletud mikrogeel jääb kokkusurumisel paigale.Obstruktiivse mikrogeeli pikkust mõõdeti 30 minutit pärast ahenemise lõppemist.
Fibrinolüüsi katsete ajal tungivad t-PA ja FITC-märgistatud dekstraani lahused blokeeritud mikrogeelidesse.Iga vedeliku voolu jälgiti ühe kanali fluorestsentskujutise abil.TAP, mis on märgistatud AlexaFluor 633-ga, mis on kinnitatud fibriinikiududele ja kogunenud kokkusurutud fibriini mikrogeelidesse (TRITC kanal täiendaval joonisel 18).FITC-ga märgistatud dekstraanilahus liigub mikrogeelis kogunemata.
Selle uuringu tulemusi toetavad andmed on soovi korral saadaval vastavatelt autoritelt.Toorandmete failis on fibriinigeelide töötlemata SEM-kujutised, fibriinigeelide töötlemata TEM-pildid enne ja pärast inokuleerimist ning peamised sisendandmed jooniste 1 ja 2 jaoks. 2 ja 3.See artikkel sisaldab algandmeid.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. ja Weisel JV fibrinogeen ja fibriin.Teoses Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (toim. Harris, JR ja Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 ( Springer ja Cham, 2021).
Bosman FT ja Stamenkovich I. Ekstratsellulaarse maatriksi funktsionaalne struktuur ja koostis.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prints E. ja Kumacheva E. Kunstlike biomimeetiliste kiudude hüdrogeelide disain ja rakendamine.Rahvuslik Matt Red.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Poolpainduvate polümeervõrkude modelleerimine.Preester Mod.Füüsika.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. ja Piku, KR Poolpainduvate biopolümeeride võrkude mehaaniline modelleerimine: mitteafiinne deformatsioon ja kaugsõltuvuste olemasolu.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berliin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D ja Mahadevan L. Stress-induced alignment of kollageen geelid.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS ja Gianmi PA Biogeelide mittelineaarne elastsus.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress kontrollib kollageenivõrgustiku mehhanisme.protsessi.Riiklik Teaduste Akadeemia.teadus.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA jt.Negatiivne normaalpinge poolpainduvates biopolümeersetes geelides.Rahvuslik alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.Jäikade kiudvõrkude mittelineaarne elastsus: deformatsiooni kõvenemine, negatiivne normaalpinge ja kiudude joondamine fibriingeelides.J. Füüsika.Keemiline.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.Ristseotud ja seotud aktiinivõrkude elastne käitumine.Science 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Kriitilise juhtimisega pingekontrolliga fiiberoptiliste võrkude mittelineaarne mehaanika.Rahvuslik füüsika.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.Kiudvõrkude elastsus üheteljelise eelpinge all.Soft Matter 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Verehüüvete hüdrauliline läbilaskvus fibriini ja trombotsüütide tiheduse funktsioonina.biofüüsika.Ajakiri 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et al.Hüdrogeelide mitmekülgset käitumist piiravad kitsad kapillaarid.teadus.Maja 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Patoloogilise heterogeensuse mõju nihkelaine elastograafiale süvaveenide tromboosi staadiumis.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. Verehüüvete ajast sõltuva induratsiooni in vivo kvantifitseerimine, kasutades nihkelaine ultrahelikujutist küüliku venoosse tromboosi mudelis.tromb.mahuti.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Fibriini polümerisatsiooni dünaamika arvutisimulatsioon seoses elektronmikroskoopia ja hägususe vaatlustega: trombide struktuur ja kokkupanek on kineetiliselt kontrollitud.biofüüsika.Journal 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW ja Lorand, L. Fibriini trombide reoloogia struktuurne päritolu.biofüüsika.J. 77, 2813–2826 (1999).
Postitusaeg: 23.02.2023