Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Näyttää kolmen dian karusellin kerralla.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Kuituisten hydrogeelien rajoittaminen kapillaareihin on erittäin tärkeää biologisissa ja biolääketieteellisissä järjestelmissä.Kuituisten hydrogeelien jännitystä ja yksiaksiaalista puristusta on tutkittu laajasti, mutta niiden vaste biaksiaaliseen pidättymiseen kapillaareissa on edelleen tutkimatta.Tässä osoitamme kokeellisesti ja teoreettisesti, että filamenttigeelit reagoivat laadullisesti eri tavalla rajoituksiin kuin taipuisat ketjugeelit johtuen komponenttifilamenttien mekaanisten ominaisuuksien epäsymmetriasta, koska ne ovat puristuksessa pehmeitä ja jäykkiä.Vahvan retention alaisena kuitumaisessa geelissä on vähän venymistä ja biaksiaalinen Poisson-suhde laskee asymptoottisesti nollaan, mikä johtaa voimakkaaseen geelin tiivistymiseen ja huonoon nesteen läpäisyyn geelin läpi.Nämä tulokset osoittavat venyneiden okklusiivisten trombien vastustuskyvyn terapeuttisten aineiden hajoamiselle ja stimuloivat tehokkaan endovaskulaarisen embolisaation kehittymistä kuitugeeleistä verisuoniverenvuodon pysäyttämiseksi tai kasvainten verenkierron estämiseksi.
Kuituverkostot ovat kudosten ja elävien solujen rakenteellisia ja toiminnallisia perusrakennuspalikoita.Aktiini on sytoskeleton1 pääkomponentti;fibriini on avaintekijä haavan paranemisessa ja veritulpan muodostumisessa2, ja kollageeni, elastiini ja fibronektiini ovat solunulkoisen matriisin komponentteja eläinkunnassa3.Kuitubiopolymeerien talteenotetuista verkostoista on tullut materiaaleja, joilla on laaja käyttösovellus kudostekniikassa4.
Filamenttiverkot edustavat erillistä biologisten pehmeiden aineiden luokkaa, jonka mekaaniset ominaisuudet eroavat joustavista molekyyliverkoista5.Jotkut näistä ominaisuuksista ovat kehittyneet evoluution aikana säätelemään biologisen aineen vastetta muodonmuutokseen6.Esimerkiksi kuituverkostot osoittavat lineaarista joustavuutta pienissä kannoissa 7, 8, kun taas suurilla jännityksillä niillä on lisääntynyt jäykkyys 9, 10, mikä säilyttää kudoksen eheyden.Vaikutuksia muihin kuitugeelien mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten negatiiviseen normaalijännitykseen vasteena leikkausjännitykseen 11, 12, ei ole vielä löydetty.
Puolijoustavien kuitumaisten hydrogeelien mekaanisia ominaisuuksia on tutkittu yksiakselisessa jännityksessä13,14 ja puristuksessa8,15, mutta niiden vapauden aiheuttamaa biaksiaalista puristusta kapeissa kapillaareissa tai putkissa ei ole tutkittu.Tässä raportoimme kokeelliset tulokset ja ehdotamme teoreettisesti mekanismia kuituhydrogeelien käyttäytymiselle biaksiaalisen retention aikana mikrofluidikanavissa.
Fibriinimikrogeelit, joissa oli erilaisia fibrinogeeni- ja trombiinipitoisuuksien suhteita ja D0-halkaisija välillä 150-220 µm, luotiin käyttämällä mikrofluidista lähestymistapaa (täydentävä kuva 1).KuvassaKuva 1a esittää kuvia fluorokromilla leimatuista mikrogeeleistä, jotka on saatu käyttämällä konfokaalista fluoresenssimikroskopiaa (CFM).Mikrogeelit ovat pallomaisia, niiden polydispersiteetti on alle 5 %, ja ne ovat rakenteeltaan yhtenäisiä CFM:n (Supplementary Information and Movies S1 and S2) tutkimissa asteikoissa.Mikrogeelien keskimääräinen huokoskoko (määritetty mittaamalla Darcy-läpäisevyys16) pieneni 2280:sta 60 nm:iin, fibriinipitoisuus nousi 5,25:stä 37,9 mg/ml:aan ja trombiinipitoisuus laski vastaavasti 2,56:sta 0,27 yksikköä/ml.(Lisäinformaatio).Riisi.2), 3 ja lisätaulukko 1).Vastaava mikrogeelin jäykkyys kasvaa 0,85:stä 3,6 kPa:iin (lisäkuva 4).Esimerkkeinä taipuisista ketjuista muodostetuista geeleistä käytetään eri jäykkyyksillä olevia agaroosimikrogeelejä.
Fluoresenssimikroskopiakuva fluoreseiini-isotiosyanaatilla (FITC) leimatusta PM:stä suspendoituna TBS:ään.Pylväsmitta on 500 µm.b SEM-kuvat SM:stä (ylhäältä) ja RM:stä (alhaalta).Mittakaava 500 nm.c Kaavio mikrofluidikanavasta, joka koostuu suuresta kanavasta (halkaisija dl) ja kavennetusta kartion muotoisesta alueesta, jonka sisääntulokulma α on 15° ja halkaisija dc = 65 µm.d Vasemmalta oikealle: Optiset mikroskooppikuvat RM:stä (halkaisija D0) suurissa kanavissa, kartiomaisessa vyöhykkeessä ja supistuksessa (rajoittava geelin pituus Dz).Pylväsmitta on 100 µm.e, f TEM-kuvat muotoutumattomasta RM:stä (e) ja tukkeutuneesta RM:stä (f), kiinnitettynä tunnin ajan supistumisarvolla 1/λr = 2,7, mitä seuraa 5 %:n massasta vapauttaminen ja kiinnittäminen.glutaraldehydi TBS:ssä.Epämuodostumattoman CO:n halkaisija on 176 μm.Asteikkopalkki on 100 nm.
Keskityimme fibriinimikrogeeleihin, joiden kovuus on 0,85, 1,87 ja 3,6 kPa (jäljempänä pehmeät mikrogeelit (SM), keskikovat mikrogeelit (MM) ja kovat mikrogeelit (RM).Tämä fibriinigeelin jäykkyysalue on samaa suuruusluokkaa kuin verihyytymien18,19 ja siten työssämme tutkitut fibriinigeelit liittyvät suoraan todellisiin biologisiin järjestelmiin.KuvassaKuva 1b näyttää ylä- ja alakuvat SM- ja RM-rakenteista, jotka on saatu pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM), vastaavasti.RM-rakenteisiin verrattuna SM-verkot muodostuvat paksummista kuiduista ja harvemmista haarapisteistä aiempien raporttien 20, 21 mukaisesti (täydentävä kuva 5).Ero hydrogeelin rakenteessa korreloi sen ominaisuuksien trendin kanssa: geelin läpäisevyys pienenee huokoskoon pienentyessä SM:stä MM:ään ja RM:ään (lisätaulukko 1), ja geelin jäykkyys kääntyy.Mikrogeelirakenteessa ei havaittu muutoksia 4 °C:ssa 30 päivän varastoinnin jälkeen (lisäkuva 6).
KuvassaKuvassa 1c on kaavio pyöreän poikkileikkauksen omaavasta mikrofluidikanavasta, joka sisältää (vasemmalta oikealle): suuren kanavan, jonka halkaisija on dl ja jossa mikrogeeli pysyy muuttumattomana, kartion muotoisen osan, jonka halkaisija kapenee dc < D0, kartio -muotoiset osat ja suuret kanavat, joiden halkaisija on dl (lisäkuva 7).Tyypillisessä kokeessa mikrogeelejä injektoitiin mikrofluidikanaviin positiivisella painehäviöllä ΔP 0,2–16 kPa (täydentävä kuva 8).Tämä painealue vastaa biologisesti merkittävää verenpainetta (120 mm Hg = 16 kPa)22.Kuvassa1d (vasemmalta oikealle) näyttää edustavia kuvia RM:stä suurissa kanavissa, kartiomaisilla alueilla ja supistumissa.Mikrogeelin liike ja muoto tallennettiin ja analysoitiin MATLAB-ohjelmalla.On tärkeää huomata, että kapenevilla alueilla ja supistumisalueilla mikrogeelit ovat konformisessa kosketuksessa mikrokanavien seinämien kanssa (täydentävä kuva 8).Mikrogeelin säteittäinen retentioaste kaventuessa D0/dc = 1/λr on alueella 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, missä 1/λr on puristussuhde.Mikrogeeli käy läpi kutistumisen, kun ΔP > ΔPtr, missä ΔPtr on translokaatiopaine-ero.Biaksiaalisesti rajoitettujen mikrogeelien huokosten pituus ja koko määräytyy niiden tasapainotilan mukaan, koska on erittäin tärkeää ottaa huomioon geelien viskoelastisuus biologisissa järjestelmissä.Agaroosi- ja fibriinimikrogeelien tasapainotusaika oli 10 minuuttia ja 30 minuuttia, vastaavasti.Näiden aikavälien jälkeen rajoitetut mikrogeelit saavuttivat vakaan asemansa ja muotonsa, joka tallennettiin nopealla kameralla ja analysoitiin MATLABilla.
KuvassaKuvat 1e, 1f esittävät transmissioelektronimikroskooppisia (TEM) kuvia muotoutumattomista ja biaksiaalisesti rajoitetuista RM-rakenteista.RM-puristuksen jälkeen mikrogeelihuokosten koko pieneni merkittävästi ja niiden muoto muuttui anisotrooppiseksi pienemmillä kooilla puristuksen suunnassa, mikä on yhdenmukainen aikaisemman raportin kanssa 23 .
Biaksiaalinen puristus supistuksen aikana saa mikrogeelin pidentymään rajoittamattomaan suuntaan kertoimella λz = \({D}_{{{{{{\rm{z}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , jossa \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) on suljetun mikrogeelin pituus. Kuva 2a esittää λzvs .1/ λr:n muutoksen fibriini- ja agaroosimikrogeeleille Yllättäen voimakkaassa puristuksessa 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2 fibriinimikrogeelit osoittavat mitätöntä venymää 1,12 +/- 0,03 λz, johon vaikuttaa vain vähän 1/λr:n arvo. rajoitetut agaroosimikrogeelit, jotka havaitaan jopa heikomman puristuksen yhteydessä 1/λr = 2,6 suurempaan venymään λz = 1,3.
a Agaroosimikrogeelikokeet erilaisilla kimmomoduuleilla (2,6 kPa, vihreä avoin vinoneliö; 8,3 kPa, ruskea avoin ympyrä; 12,5 kPa, oranssi avoin neliö; 20,2 kPa, magenta avoin käänteinen kolmio) ja SM (tasainen punainen) Muutos mitatussa venymässä λz ( ympyrät), MM (kiinteät mustat neliöt) ja RM (kiinteät siniset kolmiot).Kiinteät viivat osoittavat teoreettisesti ennustetun λz:n agaroosille (vihreä viiva) ja fibriinimikrogeelille (samanväriset viivat ja symbolit).b, c Yläpaneeli: kaavio agaroosin (b) ja fibriinin (c) verkkoketjuista ennen (vasemmalla) ja sen jälkeen (oikealla) biaksiaalista puristusta.Pohja: Vastaavan verkon muoto ennen muodonmuutosta ja sen jälkeen.X- ja y-pakkaussuunnat on merkitty magenta- ja ruskeilla nuolilla.Yllä olevassa kuvassa näihin x- ja y-suuntiin suuntautuneiden verkkojen ketjut on esitetty vastaavilla magenta- ja ruskeilla viivoilla, ja mielivaltaiseen z-suuntaan suuntautuneet ketjut on esitetty vihreillä viivoilla.Fibriinigeelissä (c) violetit ja ruskeat viivat x- ja y-suunnassa taipuvat enemmän kuin epämuodostuneessa tilassa ja vihreät z-suunnassa taipuvat ja venyvät.Puristus- ja jännityssuuntien välinen jännitys välittyy välisuuntaisten kierteiden kautta.Agaroosigeeleissä ketjut kaikkiin suuntiin määräävät osmoottisen paineen, mikä vaikuttaa merkittävästi geelin muodonmuutokseen.d Ennustettu muutos biaksiaalisessa Poisson-suhteessa, } }^{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), agaroosi (vihreä viiva) ja fibriini (punainen viiva) geelien equibiaksiaaliseen puristamiseen.Sisäosa näyttää geelin biaksiaalisen muodonmuutoksen.e Translokaatiopaineen muutos ΔPtr, joka on normalisoitu geelin jäykkyyteen S, piirretään agaroosi- ja fibriinimikrogeelien puristussuhteen funktiona.Symbolien värit vastaavat kohdan (a) värejä.Vihreät ja punaiset viivat kuvaavat teoreettista suhdetta ΔPtr/S:n ja 1/λr:n välillä agaroosi- ja vastaavasti fibriinigeeleille.Punaisen viivan katkoviiva osoittaa ΔPtr:n kasvun vahvassa puristuksessa kuitujen välisistä vuorovaikutuksista johtuen.
Tämä ero liittyy fibriini- ja agaroosimikrogeeliverkostojen erilaisiin muodonmuutosmekanismeihin, jotka koostuvat vastaavasti joustavista24- ja jäykistä25-langoista.Joustavien geelien biaksiaalinen puristus johtaa niiden tilavuuden pienenemiseen ja siihen liittyvään pitoisuuden ja osmoottisen paineen nousuun, mikä johtaa geelin pidentymiseen rajoittamattomaan suuntaan.Geelin lopullinen venymä riippuu venytettyjen ketjujen entrooppisen vapaan energian kasvun ja osmoosin vapaan energian vähenemisen tasapainosta venytetyn geelin alhaisemmasta polymeeripitoisuudesta johtuen.Voimakkaassa biaksiaalisessa puristuksessa geelin venymä kasvaa λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (katso kuva 2a keskustelun kohta 5.3.3).Joustavien ketjujen konformaatiomuutokset ja vastaavien verkkojen muoto ennen ja jälkeen biaksiaalisen retention on esitetty kuvissa 1 ja 2.2b.
Sitä vastoin kuitumaiset geelit, kuten fibriini, reagoivat luonnostaan eri tavalla biaksiaaliseen retentioon.Pääasiassa puristusjouston suunnan suuntaisesti suuntautuneet filamentit (pienentäen siten ristisidosten välistä etäisyyttä), kun taas pääosin puristussuuntaan nähden kohtisuorassa olevat filamentit suoristuvat ja venyvät elastisen voiman vaikutuksesta, jolloin geeli pidentyy ( kuva 1).2c) Epämuodostumattomien SM:n, MM:n ja RM:n rakenteet karakterisoitiin analysoimalla niiden SEM- ja CFM-kuvia (lisäkeskusteluosio IV ja täydentävä kuva 9).Määrittämällä muotoutumattomien fibriinimikrogeelien säikeiden kimmomoduuli (E), halkaisija (d), profiilin pituus (R0), päiden välinen etäisyys (L0 ≈ R0) ja keskikulma (ψ0) (lisätaulukko 2) – 4), löydämme kierteen taivutusmoduulin \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) on huomattavasti pienempi kuin sen vetomoduuli\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), joten kb/ks ≈ 0,1 (lisätaulukko 4).Siten biaksiaalisen geelin retention olosuhteissa fibriininauhat taipuvat helposti, mutta vastustavat venymistä.Biaksiaalisen puristuksen alaisen filamenttiverkon venymä on esitetty lisäkuvassa 17.
Kehitämme teoreettisen affiinimallin (lisäkeskusteluosio V ja lisäkuvat 10–16), jossa kuitugeelin venymä määritetään geelissä vaikuttavien kimmovoimien paikallisesta tasapainosta ja ennustaa, että vahvassa biaksiaalisessa jännityksessä λz - 1 rajoituksen alaisena
Yhtälö (1) osoittaa, että jopa voimakkaassa puristuksessa (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) tapahtuu lievää geelin laajenemista ja sitä seuraavaa venymän muodonmuutosta saturaatio λz–1 = 0,15 ± 0,05.Tämä käyttäytyminen liittyy (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm) { s }}}}}}\oikea)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 ja (ii) hakasulkeissa oleva termi on asymptoottisesti likimääräinen \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) vahvoille biaksiaalisille sidoksille. On tärkeää huomata, että esitekijä \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) ei liity mitenkään kierteen E jäykkyyteen, vaan se määräytyy vain kierteen d/L0 sivusuhteen ja kaaren keskikulman perusteella. ψ0, joka on samanlainen kuin SM, MM ja RM (lisätaulukko 4).
Joustavien ja filamenttigeelien vapauden aiheuttaman jännityksen eron korostamiseksi lisäämme biaksiaalisen Poissonin suhteen \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}, \) kuvaa rajaamatonta geelijännityksen orientaatio vasteena yhtäläiselle jännitykselle kahdessa säteittäisessä suunnassa ja laajentaa tämän suuriin tasaisiin venymiin \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r))))))))))}\) .Kuvassa2d näyttää \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) joustavien (kuten agaroosi) ja jäykkien (kuten fibriini) geelien tasaiseen biaksiaaliseen puristamiseen (lisäkeskustelu, kohta 5.3.4), ja korostaa voimakkaiden erojen välistä suhdetta synnytysreaktioissa. Agaroosigeeleillä, joiden rajoitukset ovat tiukat saturaatio λr:n kasvaessa.Huomaa, että kokeissa suljetut pallomaiset mikrogeelit deformoituvat epähomogeenisesti ja niiden keskiosa kokee voimakkaamman puristuksen;kuitenkin ekstrapolointi suureen arvoon 1/λr mahdollistaa kokeen vertaamisen tasaisesti muotoutuneiden geelien teoriaan.
Toinen ero taipuisten ketjugeelien ja filamenttigeelien käyttäytymisessä havaittiin johtuen niiden liikkumisesta supistumisen yhteydessä.Geelin jäykkyyteen S normalisoitu translokaatiopaine ΔPtr nousi puristuksen lisääntyessä (kuva 2e), mutta arvolla 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5 fibriinimikrogeelit osoittivat merkittävästi pienempiä ΔPtr/S-arvoja kutistumisen aikana.Agaroosimikrogeelin retentio johtaa osmoottisen paineen nousuun, mikä johtaa geelin venymiseen pituussuunnassa polymeerimolekyylien venyessä (kuva 2b, vasemmalla) ja translokaatiopaineen nousuun ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Päinvastoin, suljettujen fibriinimikrogeelien muodon määrää säteittäisen puristuksen ja pituussuuntaisen jännityksen lankojen energiatasapaino, mikä johtaa maksimaaliseen pituussuuntaiseen muodonmuutokseen λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Arvolla 1/λr ≫ 1 translokaatiopaineen muutos skaalataan arvoon 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}^{{-} 1} \right)\) (lisäkeskustelu, osio 5.4), kuten näkyy yhtenäisellä punaisella viivalla kuvassa 2e.Siten ΔPtr on vähemmän rajoitettu kuin agaroosigeeleissä.Puristuksilla, joiden arvo on 1/λr > 3,5, filamenttien tilavuusosuuden merkittävä kasvu ja viereisten filamenttien vuorovaikutus rajoittaa geelin muodonmuutosta edelleen ja johtaa koetulosten poikkeamiin ennusteista (punainen katkoviiva kuvassa 2e).Päättelemme, että samalle 1/λr:lle ja Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) mikrokanava vangitsee agaroosigeelin ja saman jäykkyyden omaava fibriinigeeli kulkee sen läpi.ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))))))_{{{{{\rm{fibriini)))))))))}\ ), Kaksi Molemmat geelit tukkivat kanavan, mutta fibriinigeeli työntyy syvemmälle ja puristuu tehokkaammin, mikä estää nesteen virtauksen tehokkaammin.Kuviossa 2 esitetyt tulokset osoittavat, että kuitugeeli voi toimia tehokkaana tulpana vähentämään verenvuotoa tai estämään verenkiertoa kasvaimiin.
Toisaalta fibriini muodostaa hyytymisrungon, joka johtaa tromboemboliaan, patologiseen tilaan, jossa veritulppa tukkii suonen ΔP < ΔPtr, kuten joissakin iskeemisissä aivohalvaustyypeissä (kuvio 3a).Fibriinimikrogeelien heikompi restriktio-indusoitu pidennys johti voimakkaampaan C/C-fibrinogeenin fibriinipitoisuuden nousuun verrattuna joustavaketjuisiin geeleihin, joissa C- ja C-fibrinogeeni ovat vastaavasti rajoitettuja ja epämuodostumattomia mikrogeelejä.Polymeeripitoisuus geelissä.Kuva 3b osoittaa, että fibrinogeeni C/C SM:ssä, MM:ssä ja RM:ssä lisääntyi yli seitsenkertaiseksi arvolla 1/λr ≈ 4,0 rajoituksen ja dehydraation johdosta (täydentävä kuva 16).
Kaaviokuva aivojen keskimmäisen aivovaltimon tukkeutumisesta.b Restriktiovälitteinen suhteellinen fibriinipitoisuuden nousu obstruktiivisessa SM:ssä (kiinteät punaiset ympyrät), MM:ssä (kiinteät mustat neliöt) ja RM (kiinteät siniset kolmiot).c Rajoitettujen fibriinigeelien pilkkoutumisen tutkimiseen käytetty kokeellinen suunnittelu.Fluoresoivasti leimatun tPA:n liuos TBS:ssä injektoitiin virtausnopeudella 5,6 × 107 µm3/s ja lisäpainehäviöllä 0,7 Pa kanaville, jotka sijaitsevat kohtisuorassa päämikrokanavan pitkää akselia vastaan.d Yhdistetty monikanavainen mikroskooppinen kuva obstruktiivisesta MM:stä (D0 = 200 µm) Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa ja jakamisen aikana.Pystysuorat katkoviivat osoittavat MM:n taka- ja etureunojen alkuasennon, kun tlys = 0. Vihreä ja vaaleanpunainen väri vastaavat FITC-dekstraania (70 kDa) ja tPA:ta, joka on merkitty AlexaFluor633:lla, vastaavasti.e Ajassa vaihteleva suhteellinen tilavuus tukkeutuneiden RM:ien D0:lla 174 µm (sininen avoin käänteinen kolmio), 199 µm (sininen avoin kolmio) ja 218 µm (sininen avoin kolmio) kartiomaisessa mikrokanavassa, jonka Xf = 28 ± 1 µm.osien ΔP 1200, 1800 ja 3000 Pa, vastaavasti, ja Q = 1860 ± 70 µm3/s.Sisäpuolella näkyy RM (D0 = 218 µm), joka sulkee mikrokanavan.f SM:n, MM:n tai RM:n suhteellisen tilavuuden aikavaihtelu, kun Xf = 32 ± 12 µm, ΔP 400, 750 ja 1800 Pa ja ΔP 12300 Pa ja Q 12300 mikrokanavan kartiomaisella alueella, vastaavasti 2400 ja 18600 µm /s.Xf edustaa mikrogeelin etuasemaa ja määrittää sen etäisyyden kutistumisen alkamisesta.V(tlys) ja V0 ovat lyysatun mikrogeelin tilapäinen tilavuus ja vastaavasti häiriintymättömän mikrogeelin tilavuus.Merkkien värit vastaavat kohdan b värejä.Mustat nuolet kohdissa e, f vastaavat viimeistä ajanhetkeä ennen mikrogeelien kulkemista mikrokanavan läpi.Mittakaava d, e on 100 µm.
Tutkiaksemme rajoituksen vaikutusta nestevirtauksen vähenemiseen obstruktiivisten fibriinigeelien läpi, tutkimme trombolyyttisellä aineella, kudosplasminogeeniaktivaattorilla (tPA) infiltroituneiden SM:n, MM:n ja RM:n hajoamista.Kuva 3c esittää lyysikokeissa käytettyä koesuunnitelmaa. ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja virtausnopeudella, Q = 2400 μm3/s, Tris-puskuroitua suolaliuosta (TBS) sekoitettuna 0,1 mg/ml (fluoreseiini-isotiosyanaatti) FITC-dekstraaniin, mikrogeeli tukkisi kapenevan mikrokanavan alueella. ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja virtausnopeudella, Q = 2400 μm3/s, Tris-puskuroitua suolaliuosta (TBS) sekoitettuna 0,1 mg/ml (fluoreseiini-isotiosyanaatti) FITC-dekstraaniin, mikrogeeli tukkisi kapenevan mikrokanavan alueella. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), смешанулнолго ( смешаннолго, 1 зотиоцианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. Tris-puskuroitua suolaliuosta (TBS) sekoitettuna 0,1 mg/ml (fluoreseiini-isotiosyanaatti) FITC-dekstraanin kanssa virtausnopeudella Q = 700 Pa (<APtr) ja virtausnopeudella Q = 2400 µm3/s mikrogeeli tukkisi suppenevan mikrokanavan.alueella.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s 的Tris 缓冲盐水(TBS) 与0,1 mg/mL 缡（异灁氧顁速賴賡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) P = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. Mikrogeelit tukkeutuivat, kun Tris-puskuroitu suolaliuos (TBS) sekoitettiin 0,1 mg/ml (fluoreseiini-isotiosyanaatti) FITC-dekstraanin kanssa ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ja virtausnopeus Q = 2400 µm3/s Mikrokanavien kartiomaiset alueet.Mikrogeelin etuasento Xf määrittää sen etäisyyden alkuperäisestä kutistumispisteestä X0.Lyysin indusoimiseksi fluoresoivasti leimatun tPA:n liuos TBS:ssä injektoitiin kanavasta, joka oli kohtisuorassa päämikrokanavan pitkää akselia vastaan.
Kun tPA-liuos saavutti okklusaalisen MM:n, mikrogeelin takareuna hämärtyi, mikä osoitti, että fibriinin pilkkoutuminen oli alkanut hetkellä tlys = 0 (kuva 3d ja täydentävä kuva 18).Fibrinolyysin aikana väriaineleimattu tPA kerääntyy MM:n sisään ja sitoutuu fibriinijuosteisiin, mikä johtaa mikrogeelien vaaleanpunaisen värin asteittaiseen lisääntymiseen.Kohdassa tlys = 60 min MM supistuu takaosan hajoamisen vuoksi ja sen etureunan Xf asema muuttuu vähän.160 minuutin kuluttua voimakkaasti supistunut MM jatkoi supistumista, ja tlys = 161 min kohdalla se supistui, mikä palauttaa nesteen virtauksen mikrokanavan läpi (kuva 3d ja täydentävä kuva 18, oikea sarake).
KuvassaKuva 3e esittää lyysivälitteisen ajasta riippuvan tilavuuden V(tlys) pienenemisen normalisoituna erikokoisten fibriinimikrogeelien alkuperäiseen tilavuuteen Vo.CO, jonka D0 oli 174, 199 tai 218 µm, asetettiin mikrokanavaan, jonka ΔP 1200, 1800 tai 3000 Pa, ja Q = 1860 ± 70 µm3/s mikrokanavan sulkemiseksi (kuva 3e, upotettu).ravitsemus.Mikrogeelit kutistuvat vähitellen, kunnes ne ovat tarpeeksi pieniä kulkeakseen kanavien läpi.CO:n kriittisen tilavuuden pieneneminen suuremmalla alkuhalkaisijalla vaatii pidemmän hajoamisajan.Johtuen samankaltaisesta virtauksesta erikokoisten RM:ien läpi, pilkkoutuminen tapahtuu samalla nopeudella, mikä johtaa suurempien RM:iden pienempien fraktioiden pilkkoutumiseen ja niiden viivästymiseen.KuvassaKuva 3f esittää V(tlys)/V0:n suhteellista vähenemistä SM:n, MM:n ja RM:n jakamisesta D0 = 197 ± 3 µm tlys:n funktiona.Aseta SM:n, MM:n ja RM:n osalta kukin mikrogeeli mikrokanavaan, jonka ΔP 400, 750 tai 1800 Pa ja Q 12300, 2400 tai 1860 µm3/s, vastaavasti.Vaikka SM:ään kohdistettu paine oli 4,5 kertaa pienempi kuin RM:n, virtaus SM:n läpi oli yli kuusi kertaa voimakkaampi SM:n suuremman läpäisevyyden vuoksi ja mikrogeelin kutistuminen väheni SM:stä MM:ään ja RM:ään. .Esimerkiksi tlys = 78 min kohdalla SM enimmäkseen liukeni ja siirtyi, kun taas MM ja PM jatkoivat mikrokanavien tukkimista huolimatta siitä, että ne säilyttivät vain 16% ja 20% alkuperäisestä tilavuudestaan.Nämä tulokset viittaavat supistuneiden kuitugeelien konvektiovälitteisen lyysin tärkeyteen ja korreloivat raporttien kanssa, jotka koskevat alhaisemman fibriinipitoisuuden omaavien hyytymien nopeampaa pilkkomista.
Siten työmme osoittaa kokeellisesti ja teoreettisesti mekanismin, jolla filamenttigeelit reagoivat biaksiaaliseen sulkeutumiseen.Kuitugeelien käyttäytyminen rajoitetussa tilassa määräytyy filamenttien jännitysenergian voimakkaasta epäsymmetriasta (pehmeä puristuksessa ja kova jännityksessä) ja vain filamenttien muotosuhteesta ja kaarevuudesta.Tämä reaktio johtaa kapeiden kapillaareiden sisältämien kuitugeelien minimaaliseen venymiseen, jolloin niiden biaksiaalinen Poissonin suhde pienenee puristuksen lisääntyessä ja kevyemmän bittipaineen myötä.
Koska pehmeiden muotoutuvien hiukkasten biaksiaalista eristämistä käytetään monissa teknologioissa, tuloksemme stimuloivat uusien kuitumateriaalien kehitystä.Erityisesti filamenttigeelien biaksiaalinen retentio kapillaareissa tai putkissa johtaa niiden voimakkaaseen tiivistymiseen ja läpäisevyyden voimakkaaseen heikkenemiseen.Nesteen virtauksen voimakkaalla estymisellä okklusiivisten kuitugeelien läpi on etuja, kun niitä käytetään tulppiena verenvuodon estämiseksi tai pahanlaatuisten kasvainten verenkierron vähentämiseksi33, 34, 35.Toisaalta okklusaalisen fibriinigeelin läpi kulkevan nesteen virtauksen väheneminen, mikä estää konvektiovälitteisen veritulpan hajoamisen, antaa osoituksen okklusaalisten hyytymien hitaasta hajoamisesta [27, 36, 37].Mallinnusjärjestelmämme on ensimmäinen askel kohti kuitubiopolymeerihydrogeelien mekaanisen vasteen vaikutusta biaksiaaliseen retentioon.Verisolujen tai verihiutaleiden sisällyttäminen obstruktiivisiin fibriinigeeleihin vaikuttaa niiden restriktiokäyttäytymiseen 38 ja on seuraava askel monimutkaisempien biologisesti merkittävien järjestelmien käyttäytymisen paljastamisessa.
Fibriinimikrogeelien valmistukseen ja MF-laitteiden valmistukseen käytetyt reagenssit on kuvattu lisätiedoissa (lisämenetelmät, kohdat 2 ja 4).Fibriinimikrogeelit valmistettiin emulgoimalla fibrinogeenin, Tris-puskurin ja trombiinin sekoitettu liuos virtausfokusoivassa MF-laitteessa, mitä seurasi pisarageeliytys.Naudan fibrinogeeniliuosta (60 mg/ml TBS:ssä), Tris-puskuria ja naudan trombiiniliuosta (5 U/ml 10 mM CaCl2-liuoksessa) annettiin käyttämällä kahta itsenäisesti ohjattua ruiskupumppua (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).estää MF:n, USA).F-öljyn jatkuva faasi, joka sisälsi 1 paino-% lohkokopolymeeriä PFPE-P(EO-PO)-PFPE, syötettiin MF-yksikköön käyttämällä kolmatta ruiskupumppua.MF-laitteessa muodostuneet pisarat kerätään 15 ml:n sentrifugiputkeen, joka sisältää F-öljyä.Aseta putket vesihauteeseen 37 °C:seen 1 tunniksi fibriinin geeliytymisen loppuunsaattamiseksi.FITC-leimattuja fibriinimikrogeelejä valmistettiin sekoittamalla naudan fibrinogeeni ja FITC-leimattu ihmisen fibrinogeeni painosuhteessa 33:1, vastaavasti.Menettely on sama kuin fibriinimikrogeelien valmistuksessa.
Siirrä mikrogeelit öljystä F TBS:ään sentrifugoimalla dispersiota 185 g:ssä 2 minuuttia.Saostuneet mikrogeelit dispergoitiin öljyyn F, johon oli sekoitettu 20 painoprosenttia perfluori-oktyylialkoholia, sitten dispergoitiin heksaaniin, joka sisälsi 0,5 painoprosenttia Span 80:tä, heksaania, 0,1 painoprosenttia Triton X:ää vedessä ja TBS:ssä.Lopuksi mikrogeelit dispergoitiin TBS:ään, joka sisälsi 0,01 paino-% Tween 20:tä, ja säilytettiin 4 °C:ssa noin 1-2 viikkoa ennen kokeita.
MF-laitteen valmistus on kuvattu lisätiedoissa (lisämenetelmät, jakso 5).Tyypillisessä kokeessa AP:n positiivinen arvo määräytyy niiden säiliöiden suhteellisella korkeudella, jotka on liitetty ennen ja jälkeen MF-laitetta mikrogeelien, joiden halkaisija on 150 < D0 < 270 µm, viemiseksi mikrokanaviin.Mikrogeelien häiriötön koko määritettiin visualisoimalla ne makrokanavassa.Mikrogeeli pysähtyy kartiomaiselle alueelle supistuksen sisäänkäynnin kohdalla.Kun etummaisen mikrogeelin kärki pysyy muuttumattomana 2 minuuttia, käytä MATLAB-ohjelmaa mikrogeelin sijainnin määrittämiseen x-akselilla.Kun ΔP kasvaa asteittain, mikrogeeli liikkuu kiilan muotoista aluetta pitkin, kunnes se tulee supistukseen.Kun mikrogeeli on asetettu ja puristettu kokonaan sisään, ΔP putoaa nopeasti nollaan tasapainottaen vesitasoa säiliöiden välillä ja suljettu mikrogeeli pysyy paikallaan puristettaessa.Obstruktiivisen mikrogeelin pituus mitattiin 30 minuuttia supistumisen lakkaamisen jälkeen.
Fibrinolyysikokeiden aikana t-PA:n ja FITC-leimatun dekstraanin liuokset tunkeutuvat tukkeutuneisiin mikrogeeleihin.Kunkin nesteen virtausta seurattiin käyttämällä yksikanavaista fluoresenssikuvausta.TAP, joka on leimattu fibriinikuituihin kiinnitetyllä AlexaFluor 633:lla ja kerääntynyt puristettujen fibriinimikrogeelien sisään (TRITC-kanava lisäkuvassa 18).FITC:llä leimattu dekstraaniliuos liikkuu kerääntymättä mikrogeeliin.
Tämän tutkimuksen tuloksia tukevat tiedot ovat saatavilla asianomaisilta kirjoittajilta pyynnöstä.Raaka-SEM-kuvat fibriinigeeleistä, raaka-TEM-kuvat fibriinigeeleistä ennen ja jälkeen siirrostuksen ja tärkeimmät syöttötiedot kuvioille 1 ja 2. 2 ja 3 ovat raakadatatiedostossa.Tämä artikkeli sisältää alkuperäiset tiedot.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. ja Weisel JV fibrinogeeni ja fibriini.Teoksessa 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. Solunulkoisen matriisin toiminnallinen rakenne ja koostumus.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Prince E. ja Kumacheva E. Keinotekoisten biomimeettisten kuituhydrogeelien suunnittelu ja käyttö.Kansallinen Matt Red.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Puolijoustavien polymeeriverkkojen mallintaminen.Priest Mod.fysiikka.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. ja Piku, KR Puolijoustavien biopolymeeriverkkojen mekaaninen mallinnus: ei-affiininen muodonmuutos ja pitkän kantaman riippuvuuksien esiintyminen.Teoksessa Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berliini, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D ja Mahadevan L. Stressin aiheuttama kollageenigeelien kohdistus.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS ja Gianmi PA Biogeelien epälineaarinen elastisuus.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress ohjaa kollageeniverkoston mekanismeja.käsitellä asiaa.Kansallinen tiedeakatemia.Tiede.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et ai.Negatiivinen normaalijännitys puolijoustavissa biopolymeerigeeleissä.Kansallinen alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et ai.Jäykkien kuituverkkojen epälineaarinen elastisuus: jännityskovettuminen, negatiivinen normaalijännitys ja kuitujen kohdistus fibriinigeeleissä.J. Physics.Kemiallinen.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et ai.Silloittuneiden ja sitoutuneiden aktiiniverkkojen elastinen käyttäytyminen.Science 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et ai.Jännitysohjattujen valokuituverkkojen epälineaarinen mekaniikka kriittisellä ohjauksella.Kansallinen fysiikka.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et ai.Kuituverkkojen elastisuus yksiakselisella esijännityksellä.Soft Matter 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Veritulpan hydraulinen läpäisevyys fibriinin ja verihiutaleiden tiheyden funktiona.biofysiikka.Journal 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et ai.Kapeat kapillaarit rajoittavat hydrogeelien monipuolista käyttäytymistä.Tiede.House 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Patologisen heterogeenisyyden vaikutus leikkausaaltoelalastografiaan syvälaskimotromboosin stagingissä.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. Verihyytymien ajasta riippuvaisen kovettuman in vivo kvantifiointi käyttämällä leikkausaallon ultraäänikuvausta kanin laskimotromboosimallissa.veritulppa.varastosäiliö.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Fibriinipolymeroinnin dynamiikan tietokonesimulointi suhteessa elektronimikroskopiaan ja sameushavainnot: hyytymän rakenne ja kokoonpano ovat kineettisesti ohjattuja.biofysiikka.Journal 63, 111-128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW ja Lorand, L. Fibriinihyytymän reologian rakenteellinen alkuperä.biofysiikka.J. 77, 2813-2826 (1999).
Postitusaika: 23.2.2023