Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Be to, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir JavaScript.
Vienu metu rodoma trijų skaidrių karuselė.Naudokite mygtukus Ankstesnis ir Kitas, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres, arba naudokite slankiklio mygtukus, esančius pabaigoje, norėdami pereiti per tris skaidres vienu metu.
Biologinėse ir biomedicininėse sistemose labai svarbu, kad pluoštiniai hidrogeliai būtų apriboti siaurais kapiliarais.Pluoštinių hidrogelių įtampa ir vienaašis suspaudimas buvo plačiai ištirtas, tačiau jų atsakas į dviašį susilaikymą kapiliaruose lieka neištirtas.Čia eksperimentiškai ir teoriškai parodome, kad gijiniai geliai kokybiškai skirtingai reaguoja į suvaržymą nei lankstūs grandininiai geliai dėl sudedamųjų gijų, kurios yra minkštos gniuždomos ir standžios, mechaninių savybių asimetrijos.Esant stipriam sulaikymui, pluoštinis gelis mažai pailgėja ir asimptotiškai sumažėja dviašis Puasono santykis iki nulio, todėl gelis stipriai sutankina ir prastai prasiskverbia per gelį.Šie rezultatai rodo ištemptų okliuzinių trombų atsparumą terapinių medžiagų lizei ir skatina veiksmingą endovaskulinę embolizaciją iš pluoštinių gelių, kad būtų sustabdytas kraujavimas iš kraujagyslių arba slopinamas navikų aprūpinimas krauju.
Pluoštiniai tinklai yra pagrindiniai struktūriniai ir funkciniai audinių ir gyvų ląstelių blokai.Aktinas yra pagrindinis citoskeleto komponentas1;fibrinas yra pagrindinis žaizdų gijimo ir trombų susidarymo elementas2, o kolagenas, elastinas ir fibronektinas yra tarpląstelinės matricos komponentai gyvūnų karalystėje3.Atkurti pluoštinių biopolimerų tinklai tapo medžiagomis, plačiai pritaikytomis audinių inžinerijoje4.
Filamentiniai tinklai yra atskira biologinių minkštųjų medžiagų klasė, kurios mechaninės savybės skiriasi nuo lanksčių molekulinių tinklų5.Kai kurios iš šių savybių išsivystė evoliucijos eigoje, siekiant kontroliuoti biologinės medžiagos reakciją į deformaciją6.Pavyzdžiui, pluoštiniai tinklai rodo linijinį elastingumą esant mažoms padermėms 7, 8, o esant dideliems įtempimams, jie turi didesnį standumą 9, 10, taip išlaikant audinių vientisumą.Poveikis kitoms pluoštinių gelių mechaninėms savybėms, pvz., neigiamam normaliam įtempimui reaguojant į šlyties įtempimą 11, 12, dar turi būti atrastas.
Pusiau lanksčių pluoštinių hidrogelių mechaninės savybės buvo ištirtos vienaašiu įtempimu 13, 14 ir suspaudimu 8, 15, tačiau jų laisvės sukeltas dviašis suspaudimas siauruose kapiliaruose ar vamzdeliuose nebuvo tirtas.Čia pateikiame eksperimentinius rezultatus ir teoriškai siūlome pluoštinių hidrogelių elgesio mechanizmą dviašiame sulaikyme mikrofluidiniuose kanaluose.
Fibrino mikrogeliai su įvairiais fibrinogeno ir trombino koncentracijų santykiais ir D0 skersmeniu nuo 150 iki 220 µm buvo sukurti naudojant mikrofluidinį metodą (papildomas 1 paveikslas).Ant pav.1a pavaizduoti fluorochromu pažymėtų mikrogelių vaizdai, gauti naudojant konfokalinę fluorescencinę mikroskopiją (CFM).Mikrogeliai yra sferiniai, jų polidispersiškumas yra mažesnis nei 5%, o jų struktūra yra vienoda CFM (papildoma informacija ir filmai S1 ir S2) ištirtose skalėse.Vidutinis mikrogelių porų dydis (nustatytas matuojant Darcy pralaidumą16) sumažėjo nuo 2280 iki 60 nm, fibrino kiekis padidėjo nuo 5,25 iki 37,9 mg/ml, o trombino koncentracija sumažėjo atitinkamai nuo 2,56 iki 0,27 vnt./ml.(Papildoma informacija).Ryžiai.2), 3 ir 1 papildoma lentelė).Atitinkamas mikrogelio standumas padidėja nuo 0,85 iki 3,6 kPa (papildomas 4 pav.).Kaip iš lanksčių grandinių formuojamų gelių pavyzdžiai naudojami įvairaus standumo agarozės mikrogeliai.
Fluoresceino izotiocianato (FITC) pažymėto PM, suspenduoto TBS, fluorescencinės mikroskopijos vaizdas.Juostos skalė yra 500 µm.b SM (viršuje) ir RM (apačioje) SEM vaizdai.Mastelio juosta 500 nm.c Scheminė mikrofluidinio kanalo, susidedančio iš didelio kanalo (skersmuo dl) ir susiaurėjusios kūgio formos srities, kurios įėjimo kampas α yra 15°, o skersmuo dc = 65 µm, schema.d Iš kairės į dešinę: optinio mikroskopo RM vaizdai (skersmuo D0) dideliuose kanaluose, kūginėje zonoje ir susiaurėjime (ribojamas gelio ilgis Dz).Juostos skalė yra 100 µm.e, f Nedeformuoto RM (e) ir užkimšto RM (f) TEM vaizdai, fiksuoti vienai valandai su susiaurėjimu 1/λr = 2,7, po to atleidžiama ir fiksuojama 5% masės.glutaraldehidas TBS.Nedeformuoto CO skersmuo yra 176 μm.Skalės juosta yra 100 nm.
Daugiausia dėmesio skyrėme fibrino mikrogeliams, kurių kietumas yra 0,85, 1,87 ir 3,6 kPa (toliau atitinkamai vadinami minkštais mikrogeliais (SM), vidutinio kietumo mikrogeliais (MM) ir kietaisiais mikrogeliais (RM).Šis fibrino gelio standumo diapazonas yra tokio paties dydžio kaip ir kraujo krešulių 18, 19, todėl mūsų darbe ištirti fibrino geliai yra tiesiogiai susiję su tikromis biologinėmis sistemomis.Ant pav.1b parodytas viršutinis ir apatinis SM ir RM struktūrų vaizdai, gauti atitinkamai naudojant skenuojantį elektronų mikroskopą (SEM).Palyginti su RM struktūromis, SM tinklus sudaro storesni pluoštai ir mažiau šakų taškų, kaip nurodyta ankstesnėse ataskaitose 20, 21 (papildomas 5 pav.).Hidrogelio struktūros skirtumas koreliuoja su jo savybių tendencija: gelio pralaidumas mažėja mažėjant porų dydžiui nuo SM iki MM ir RM (1 papildoma lentelė), o gelio standumas pasikeičia.Po 30 dienų laikymo 4 °C temperatūroje mikrogelio struktūros pokyčių nepastebėta (papildomas 6 pav.).
Ant pav.1c parodyta apskrito skerspjūvio mikrofluidinio kanalo diagrama, kurioje yra (iš kairės į dešinę): didelis kanalas, kurio skersmuo dl, kuriame mikrogelis lieka nedeformuotas, kūgio formos pjūvis su siaurėjančiu skersmeniu dc < D0, kūgis formos sekcijos ir dideli kanalai, kurių skersmuo dl (papildomas 7 pav.).Įprasto eksperimento metu mikrogeliai buvo įšvirkščiami į mikrofluidinius kanalus, kai teigiamas slėgio kritimas ΔP yra 0,2–16 kPa (papildomas 8 pav.).Šis slėgio diapazonas atitinka biologiškai reikšmingą kraujospūdį (120 mm Hg = 16 kPa)22.Ant pav.1d (iš kairės į dešinę) rodo reprezentatyvius RM vaizdus dideliuose kanaluose, kūginėse srityse ir susiaurėjimuose.Mikrogelio judėjimas ir forma buvo užfiksuoti ir analizuojami naudojant MATLAB programą.Svarbu pažymėti, kad siaurėjančiose srityse ir susiaurėjimuose mikrogeliai konformiškai liečiasi su mikrokanalų sienelėmis (papildomas 8 pav.).Radialinio mikrogelio sulaikymo laipsnis susiaurėjus D0/dc = 1/λr yra intervale 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, kur 1/λr yra suspaudimo laipsnis.Mikrogelis susitraukia, kai ΔP > ΔPtr, kur ΔPtr yra translokacijos slėgio skirtumas.Dviašiai suvaržytų mikrogelių porų ilgį ir dydį lemia jų pusiausvyros būsena, nes labai svarbu atsižvelgti į gelių klampumą biologinėse sistemose.Agarozės ir fibrino mikrogelių pusiausvyros laikas buvo atitinkamai 10 min. ir 30 min.Po šių laiko intervalų riboti mikrogeliai pasiekė savo stabilią padėtį ir formą, kuri buvo užfiksuota naudojant didelės spartos kamerą ir analizuojama naudojant MATLAB.
Ant pav.1e, 1f rodo nedeformuotų ir dviašiai ribotų RM struktūrų perdavimo elektronų mikroskopijos (TEM) vaizdus.Po RM suspaudimo mikrogelio porų dydis žymiai sumažėjo, o jų forma tapo anizotropinė su mažesniais dydžiais suspaudimo kryptimi, o tai atitinka ankstesnę ataskaitą 23 .
Dėl dviašio suspaudimo susitraukimo metu mikrogelis pailgėja neribota kryptimi su koeficientu λz = \({D}_{{{{{{\rm{z}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , kur \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) yra uždaro mikrogelio ilgis. 2a paveiksle parodytas λzvs .1/ λr pokytis Fibrino ir agarozės mikrogeliams. Stebėtina, kad stipriai suspaudus 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, fibrino mikrogeliai rodo nedidelį 1,12 +/- 0,03 λz pailgėjimą, kuriam įtakos turi tik 1/λr reikšmė. riboti agarozės mikrogeliai, kurie stebimi net esant silpnesniam suspaudimui 1/λr = 2,6 iki didesnio pailgėjimo λz = 1,3.
a Agarozės mikrogelio eksperimentai su skirtingais elastingumo moduliais (2,6 kPa, žalias atviras deimantas; 8,3 kPa, rudas atviras apskritimas; 12,5 kPa, oranžinis atviras kvadratas; 20,2 kPa, purpurinis atviras apverstas trikampis) ir SM (vientisas raudonas) Išmatuoto pailgėjimo pokytis λz ( apskritimai), MM (vientisi juodi kvadratai) ir RM (vientisi mėlyni trikampiai).Ištisinės linijos rodo teoriškai prognozuojamą λz agarozės (žalios linijos) ir fibrino mikrogeliams (tos pačios spalvos linijos ir simboliai).b, c Viršutinė plokštė: agarozės (b) ir fibrino (c) tinklo grandinių schema prieš (kairėje) ir po (dešinėje) dviašį suspaudimą.Apačia: atitinkamo tinklo forma prieš ir po deformacijos.Suspaudimo kryptys x ir y pažymėtos atitinkamai purpurine ir rudomis rodyklėmis.Aukščiau esančiame paveikslėlyje tinklų grandinės, orientuotos šiomis x ir y kryptimis, pavaizduotos atitinkamomis rausvai raudonomis ir rudomis linijomis, o grandinės, orientuotos savavališkai z kryptimi, vaizduojamos žaliomis linijomis.Fibrino gelyje (c) purpurinės ir rudos linijos x ir y kryptimis lenkia labiau nei nedeformuotame, o žalios linijos z kryptimi lenkia ir išsitempia.Įtampa tarp suspaudimo ir tempimo krypčių perduodama tarpinių krypčių siūlais.Agarozės gelyje grandinės visomis kryptimis lemia osmosinį slėgį, o tai labai prisideda prie gelio deformacijos.d Numatomas dviašio Puasono santykio pokytis, } }^{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), skirtas agarozės (žalia linija) ir fibrino (raudona linija) gelių suspaudimui.Įdėklas rodo dviašę gelio deformaciją.e Translokacijos slėgio pokytis ΔPtr, normalizuotas iki gelio standumo S, vaizduojamas kaip agarozės ir fibrino mikrogelių suspaudimo laipsnio funkcija.Simbolių spalvos atitinka a punkte nurodytas spalvas.Žalia ir raudona linijos rodo teorinį ryšį tarp ΔPtr / S ir 1 / λr atitinkamai agarozės ir fibrino gelių.Brūkšninė raudonos linijos dalis rodo ΔPtr padidėjimą esant stipriam suspaudimui dėl pluoštų sąveikos.
Šis skirtumas yra susijęs su skirtingais fibrino ir agarozės mikrogelio tinklų, sudarytų atitinkamai iš lanksčių24 ir standžių25 gijų, deformacijos mechanizmais.Dviašinis lanksčių gelių suspaudimas sumažina jų tūrį ir kartu padidina koncentraciją bei osmosinį slėgį, dėl ko gelis pailgėja neribota kryptimi.Galutinis gelio pailgėjimas priklauso nuo ištemptų grandinių entropinės laisvosios energijos padidėjimo ir osmoso laisvosios energijos sumažėjimo dėl mažesnės polimero koncentracijos ištemptame gelyje balanso.Esant stipriam dviašiam suspaudimui, gelio pailgėjimas padidėja λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (žr. 2a pav. aptarimas 5.3.3).Konformaciniai lanksčių grandinių pokyčiai ir atitinkamų tinklų forma prieš ir po dviašio sulaikymo parodyti Fig.2b.
Priešingai, pluoštiniai geliai, tokie kaip fibrinas, savaime skirtingai reaguoja į dviašį sulaikymą.Gijos orientuotos daugiausia lygiagrečiai suspaudimo lankstumo krypčiai (taip sumažinant atstumą tarp kryžminių jungčių), o gijos, daugiausia statmenos suspaudimo krypčiai, ištiesina ir išsitempia veikiant elastinei jėgai, todėl gelis pailgėja ( 1 pav.).2c) Nedeformuotų SM, MM ir RM struktūros buvo apibūdintos analizuojant jų SEM ir CFM vaizdus (IV papildomas diskusijų skyrius ir papildomas 9 paveikslas).Nedeformuotuose fibrininiuose mikrogeliuose nustatant sruogų tamprumo modulį (E), skersmenį (d), profilio ilgį (R0), atstumą tarp galų (L0 ≈ R0) ir centrinį kampą (ψ0) (2 papildoma lentelė) – 4), randame sriegio lenkimo modulį \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) yra žymiai mažesnis nei jo tempimo modulis\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), taigi kb/ks ≈ 0,1 (4 papildoma lentelė).Taigi, esant dviašiam gelio sulaikymo sąlygoms, fibrino sruogos lengvai sulenkamos, tačiau priešinasi tempimui.Siūlinio tinklo, kuriam taikomas dviašis suspaudimas, pailgėjimas parodytas papildomame 17 pav.
Sukuriame teorinį afininį modelį (V papildomos diskusijos skyrius ir papildomi 10–16 paveikslai), kuriame pluoštinio gelio pailgėjimas nustatomas pagal gelyje veikiančių tamprumo jėgų vietinę pusiausvyrą ir prognozuojama, kad esant stipriai dviašiai deformacijai λz - 1 pagal apribojimą
(1) lygtis rodo, kad net esant stipriam gniuždymui (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) yra nedidelis gelio išsiplėtimas ir vėlesnė pailgėjimo deformacija. prisotinimas λz–1 = 0,15 ± 0,05.Šis elgesys yra susijęs su (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm) { s }}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15–0,4 ir (ii) terminas laužtiniuose skliaustuose asimptotiškai apytikslis \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) stiprioms dviašėms jungtims. Svarbu atkreipti dėmesį, kad prefaktorius \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) neturi nieko bendra su sriegio E standumu, bet jį lemia tik sriegio kraštinių santykis d/L0 ir centrinis lanko kampas ψ0, kuris yra panašus į SM, MM ir RM (4 papildoma lentelė).
Norėdami dar labiau pabrėžti laisvės sukeltos deformacijos skirtumą tarp lanksčių ir siūlinių gelių, pristatome dviašį Puasono santykį \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}, \) apibūdina neribotą gelio deformacijos orientacija reaguojant į vienodą įtempimą dviem radialinėmis kryptimis ir išplečiama iki didelių vienodų deformacijų \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r))))))))))}\) .Ant pav.2d rodo \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) vienodam dviašiam lanksčių (pvz., agarozės) ir standžių (pvz., fibrino) gelių suspaudimui (papildoma diskusija, 5.3.4 skirsnis), ir pabrėžia ryšį tarp didelių atsakų į uždarymą skirtumų. Agarozės geliams, kuriems taikomi griežti apribojimai, {\rm{eff}}}}}}}}\) padidėja iki asimptotinės vertės 2/3, o fibrino geliams sumažėja iki nulio, nes lnλz/lnλr → 0, nes λz didėja prisotinimas didėjant λr.Atkreipkite dėmesį, kad eksperimentuose uždari sferiniai mikrogeliai deformuojasi nehomogeniškai, o jų centrinė dalis patiria stipresnį suspaudimą;tačiau ekstrapoliacija į didelę 1/λr reikšmę leidžia palyginti eksperimentą su vienodai deformuotų gelių teorija.
Kitas lanksčių grandininių gelių ir siūlinių gelių elgsenos skirtumas buvo nustatytas dėl jų judėjimo susitraukimo metu.Translokacijos slėgis ΔPtr, normalizuotas iki gelio standumo S, didėjo didėjant suspaudimui (2e pav.), tačiau esant 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5, fibrino mikrogeliai rodė žymiai mažesnes ΔPtr/S reikšmes susitraukimo metu.Dėl agarozės mikrogelio susilaikymo padidėja osmosinis slėgis, dėl kurio, tempiant polimero molekules, gelis ištempiamas išilgine kryptimi (2b pav., kairėje), o translokacijos slėgis padidėja ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Priešingai, uždarų fibrininių mikrogelių formą lemia radialinio gniuždymo ir išilginio įtempimo gijų energijos balansas, o tai lemia didžiausią išilginę deformaciją λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Esant 1/λr ≫ 1, translokacijos slėgio pokytis yra lygus 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}^{{-} 1} \right)\) (papildoma diskusija, 5.4 skyrius), kaip parodyta ištisine raudona linija 2e pav.Taigi ΔPtr yra mažiau suvaržytas nei agarozės geliuose.Suspaudimo atveju, kai 1/λr > 3,5, reikšmingas gijų tūrio dalies padidėjimas ir gretimų gijų sąveika riboja tolesnę gelio deformaciją ir lemia eksperimentinių rezultatų nukrypimus nuo prognozių (raudona punktyrinė linija 2e pav.).Darome išvadą, kad tais pačiais 1/λr ir Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) agarozės gelis bus užfiksuotas mikrokanalu, o per jį praeis tokio pat standumo fibrino gelis.ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))))))_{{{{{\rm{fibrin))))))))))}\ ), Du Abu geliai užblokuos kanalą, tačiau fibrino gelis stumsis giliau ir efektyviau suspaus, veiksmingiau blokuodamas skysčio tekėjimą.2 paveiksle pateikti rezultatai rodo, kad pluoštinis gelis gali būti veiksmingas kamštis, mažinantis kraujavimą arba slopinantis kraujo tiekimą į navikus.
Kita vertus, fibrinas sudaro krešulio karkasą, kuris sukelia tromboemboliją – patologinę būklę, kai trombas užkemša kraujagyslę, kai ΔP < ΔPtr, pvz., kai kurių tipų išeminio insulto atveju (3a pav.).Silpnesnis fibrininių mikrogelių pailgėjimas lėmė stipresnį C / C fibrinogeno fibrino koncentracijos padidėjimą, palyginti su lanksčios grandinės geliais, kur C ir C fibrinogenas yra atitinkamai riboti ir nedeformuoti mikrogeliai.Polimero koncentracija gelyje.3b paveiksle parodyta, kad fibrinogeno C/C SM, MM ir RM padidėjo daugiau nei septynis kartus, kai 1/λr ≈ 4,0, dėl apribojimo ir dehidratacijos (papildomas 16 pav.).
Smegenų vidurinės smegenų arterijos okliuzijos schema.b Restrikcijos sąlygotas santykinis fibrino koncentracijos padidėjimas obstrukciniuose SM (vientisi raudoni apskritimai), MM (vientisi juodi kvadratai) ir RM (vientisi mėlyni trikampiai).c Eksperimentinis dizainas, naudojamas riboto fibrino gelių skilimui tirti.Fluorescenciniu būdu pažymėto tPA tirpalas TBS buvo įpurškiamas 5, 6 × 107 µm3 / s srautu ir papildomai 0, 7 Pa slėgio kritimu kanalams, esantiems statmenai pagrindinio mikrokanalo ilgajai ašiai.d Bendras daugiakanalis mikroskopinis obstrukcinio MM vaizdas (D0 = 200 µm), kai Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa ir padalijimo metu.Vertikalios punktyrinės linijos rodo pradinę užpakalinio ir priekinio MM kraštų padėtį, kai tlys = 0. Žalia ir rožinė spalvos atitinka FITC-dekstrano (70 kDa) ir tPA, pažymėtus atitinkamai AlexaFluor633.e Laike kintantis santykinis uždarytų RM tūris, kurių D0 yra atitinkamai 174 µm (mėlynas atviras apverstas trikampis), 199 µm (mėlynas atviras trikampis) ir 218 µm (mėlynas atviras trikampis), kūginiame mikrokanale, kurio Xf = 28 ± 1 µm.sekcijų ΔP yra atitinkamai 1200, 1800 ir 3000 Pa, o Q = 1860 ± 70 µm3/s.Įdėkle pavaizduotas RM (D0 = 218 µm), užkimšantis mikrokanalą.f Santykinio SM, MM arba RM tūrio, esančio Xf = 32 ± 12 µm, ΔP 400, 750 ir 1800 Pa ir ΔP 12300 Pa ir Q 12300, tūrio svyravimas kūginėje mikrokanalo srityje, atitinkamai 2400 ir 18300 µm /s.Xf rodo priekinę mikrogelio padėtį ir nustato jo atstumą nuo susitraukimo pradžios.V (tlys) ir V0 yra atitinkamai laikinas lizuoto mikrogelio tūris ir netrikdomo mikrogelio tūris.Simbolių spalvos atitinka b spalvas.Juodos rodyklės ant e, f atitinka paskutinį laiko momentą prieš mikrogeliams praleidžiant mikrokanalą.Skalės juosta d, e yra 100 µm.
Norėdami ištirti apribojimo poveikį skysčių srauto mažinimui per obstrukcinius fibrino gelius, ištyrėme SM, MM ir RM, infiltruotų tromboliziniu agentu audinių plazminogeno aktyvatoriumi (tPA), lizę.3c paveiksle parodytas lizės eksperimentams naudojamas eksperimentinis planas. Esant ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ir srauto greičiui Q = 2400 μm3/s Tris-buferinio fiziologinio tirpalo (TBS), sumaišyto su 0,1 mg/mL (fluoresceino izotiocianato) FITC-dekstrano, mikrogelis užkimšo kūginį mikrokanalą. regione. Esant ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ir srauto greičiui Q = 2400 μm3/s Tris-buferinio fiziologinio tirpalo (TBS), sumaišyto su 0,1 mg/mL (fluoresceino izotiocianato) FITC-dekstrano, mikrogelis užkimšo kūginį mikrokanalą. regione. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), смешаннолго ( смешаннолго, 1 зотиоцианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. Esant ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ir srauto greičiui Q = 2400 µm3/s Tris buferinio fiziologinio tirpalo (TBS), sumaišyto su 0,1 mg/mL (fluoresceino izotiocianato) FITC-dekstrano, mikrogelis užkimšo susiliejantį mikrokanalą.regione.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（异灁 賴 缡混合时，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) ir скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. Mikrogeliai užsikimšę, kai Tris buferinis fiziologinis tirpalas (TBS) buvo sumaišytas su 0,1 mg/mL (fluoresceino izotiocianatas) FITC-dekstrano esant ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ir srauto greičiui Q = 2400 µm3/s Mikrokanalų kūginės sritys.Priekinė mikrogelio padėtis Xf nustato jo atstumą nuo pradinio susitraukimo taško X0.Norėdami sukelti lizę, fluorescenciniu būdu pažymėto tPA tirpalas TBS buvo švirkščiamas iš kanalo, esančio statmenai pagrindinio mikrokanalo ilgajai ašiai.
Kai tPA tirpalas pasiekė okliuzinį MM, užpakalinis mikrogelio kraštas pasidarė neryškus, o tai rodo, kad fibrino skilimas prasidėjo tuo metu, kai tlys = 0 (3d pav. ir papildomas 18 pav.).Fibrinolizės metu dažais pažymėtas tPA kaupiasi MM viduje ir jungiasi prie fibrino gijų, todėl palaipsniui didėja rausvos mikrogelių spalvos intensyvumas.Esant tlys = 60 min, MM susitraukia dėl jo galinės dalies ištirpimo, o jo priekinio krašto Xf padėtis mažai keičiasi.Po 160 min. stipriai susitraukęs MM toliau traukėsi, o esant tlys = 161 min., jis susitraukė, taip atkurdamas skysčio tekėjimą per mikrokanalą (3d pav. ir papildomas 18 pav., dešinysis stulpelis).
Ant pav.3e parodytas nuo lizės sukeltas nuo laiko priklausomas tūrio V (tlys) sumažėjimas, normalizuotas iki pradinio tūrio V0 skirtingo dydžio fibrino mikrogeliuose.CO, kurio D0 yra 174, 199 arba 218 µm, buvo patalpintas į mikrokanalą, kurio ΔP atitinkamai 1200, 1800 arba 3000 Pa, o Q = 1860 ± 70 µm3/s, kad būtų užblokuotas mikrokanalas (3e pav., įdėta).mityba.Mikrogeliai palaipsniui mažėja, kol yra pakankamai maži, kad galėtų praeiti pro kanalus.Norint sumažinti kritinį CO tūrį, esant didesniam pradiniam skersmeniui, reikalingas ilgesnis lizės laikas.Dėl panašaus srauto per skirtingų dydžių RM, skilimas vyksta tuo pačiu greičiu, todėl mažesnės didesnių RM frakcijos virškinamos ir jų perkėlimas vėluoja.Ant pav.3f parodytas santykinis V(tlys)/V0 sumažėjimas dėl SM, MM ir RM padalijimo, kai D0 = 197 ± 3 µm, pavaizduotas kaip tlys funkcija.SM, MM ir RM atveju kiekvieną mikrogelį įdėkite į mikrokanalą, kurio ΔP 400, 750 arba 1800 Pa ir Q 12300, 2400 arba 1860 µm3/s, atitinkamai.Nors slėgis SM buvo 4,5 karto mažesnis nei RM, srautas per SM buvo daugiau nei šešis kartus stipresnis dėl didesnio SM pralaidumo, o mikrogelio susitraukimas sumažėjo nuo SM iki MM ir RM .Pavyzdžiui, esant tlys = 78 min., SM dažniausiai ištirpo ir pasislinko, o MM ir PM toliau užkimšo mikrokanalus, nepaisant to, kad išlaikė atitinkamai tik 16% ir 20% pradinio tūrio.Šie rezultatai rodo konvekcijos sukeltos susiaurėjusių pluoštinių gelių lizės svarbą ir koreliuoja su pranešimais apie greitesnį krešulių, kurių fibrino kiekis, virškinimą.
Taigi mūsų darbas eksperimentiškai ir teoriškai parodo mechanizmą, kuriuo siūliniai geliai reaguoja į dviašį uždarymą.Pluoštinių gelių elgseną ribotoje erdvėje lemia stipri gijų įtempimo energijos asimetrija (minkšta gniuždant ir kieta įtempta) ir tik gijų kraštinių santykis bei kreivumas.Dėl šios reakcijos siauruose kapiliaruose esantys pluoštiniai geliai pailgėja, o jų dviašis Puasono santykis mažėja didėjant suspaudimui ir mažėjant šviesos bitų spaudimui.
Kadangi dviašis minkštųjų deformuojamų dalelių izoliavimas naudojamas įvairiose technologijose, mūsų rezultatai skatina naujų pluoštinių medžiagų kūrimą.Visų pirma, gijinių gelių dviašis susilaikymas siauruose kapiliaruose arba vamzdeliuose lemia stiprų jų tankinimą ir staigų pralaidumo sumažėjimą.Stiprus skysčių srauto per okliuzinius pluoštinius gelius slopinimas turi pranašumų, kai jie naudojami kaip kamščiai, siekiant išvengti kraujavimo arba sumažinti kraujo tiekimą piktybiniams navikams33, 34, 35.Kita vertus, sumažėjęs skysčio srautas per sąkandžio fibrino gelį, taip slopindamas konvekcinę trombų lizę, rodo lėtą sąkandžio krešulių lizę [27, 36, 37].Mūsų modeliavimo sistema yra pirmasis žingsnis siekiant suprasti pluoštinių biopolimerų hidrogelių mechaninio atsako į dviašį sulaikymą pasekmes.Kraujo ląstelių arba trombocitų įtraukimas į obstrukcinius fibrino gelius turės įtakos jų ribojimo elgesiui 38 ir bus kitas žingsnis atskleidžiant sudėtingesnių biologiškai reikšmingų sistemų elgesį.
Reagentai, naudojami fibrino mikrogeliams ir MF įtaisams gaminti, aprašyti papildomoje informacijoje (2 ir 4 skyriai papildomi metodai).Fibrino mikrogeliai buvo paruošti emulsuojant mišrų fibrinogeno, Tris buferio ir trombino tirpalą srauto fokusavimo MF įrenginyje, po kurio buvo lašelių gelis.Galvijų fibrinogeno tirpalas (60 mg/ml TBS), Tris buferis ir galvijų trombino tirpalas (5 V/ml 10 mM CaCl2 tirpale) buvo švirkščiami naudojant du nepriklausomai valdomus švirkštinius siurblius (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 švirkšto siurblys).blokuoti MF, JAV).F-alyvos ištisinė fazė, turinti 1 masės % blokinio kopolimero PFPE-P(EO-PO)-PFPE, buvo įvesta į MF įrenginį, naudojant trečiąjį švirkšto siurblį.MF įrenginyje susidarę lašeliai surenkami į 15 ml centrifugos mėgintuvėlį su F alyva.Mėgintuvėlius 1 valandai padėkite į 37 °C temperatūros vandens vonią, kad baigtųsi fibrino želė.FITC pažymėti fibrino mikrogeliai buvo paruošti sumaišant galvijų fibrinogeną ir FITC pažymėtą žmogaus fibrinogeną atitinkamai 33:1 svorio santykiu.Procedūra tokia pati kaip ir fibrininių mikrogelių ruošimo.
Perkelkite mikrogelius iš aliejaus F į TBS, centrifuguodami dispersiją 185 g 2 minutes.Nusodinti mikrogeliai buvo disperguoti aliejuje F, sumaišytame su 20 masės % perfluoroktilo alkoholio, tada disperguoti heksane, kuriame yra 0,5 masės % Span 80, heksane, 0,1 masės % Triton X vandenyje ir TBS.Galiausiai, mikrogeliai buvo disperguoti TBS, kuriame yra 0, 01 masės% Tween 20, ir laikomi 4 ° C temperatūroje maždaug 1–2 savaites prieš eksperimentą.
MF įrenginio gamyba aprašyta papildomoje informacijoje (papildomi metodai, 5 skyrius).Įprastame eksperimente teigiama ΔP vertė nustatoma pagal santykinį rezervuarų aukštį, prijungtą prieš ir po MF prietaiso, skirto mikrogeliams, kurių skersmuo 150 < D0 < 270 µm, įvesti į mikrokanalus.Netrukdomas mikrogelių dydis buvo nustatytas vizualizuojant juos makrokanale.Mikrogelis sustoja kūginėje srityje prie įėjimo į susiaurėjimą.Kai priekinio mikrogelio galiukas nepakitęs 2 minutes, naudokite MATLAB programą, kad nustatytumėte mikrogelio padėtį išilgai x ašies.Laipsniškai didėjant ΔP, mikrogelis juda išilgai pleišto formos srities, kol patenka į susiaurėjimą.Kai mikrogelis yra visiškai įdėtas ir suspaustas, ΔP greitai nukrenta iki nulio, subalansuodamas vandens lygį tarp rezervuarų, o uždarytas mikrogelis suspaudžiamas lieka nejudantis.Obstrukcinio mikrogelio ilgis buvo matuojamas praėjus 30 min., kai susiaurėjimas nutrūko.
Atliekant fibrinolizės eksperimentus, t-PA ir FITC pažymėto dekstrano tirpalai prasiskverbia į užblokuotus mikrogelius.Kiekvieno skysčio srautas buvo stebimas naudojant vieno kanalo fluorescencinį vaizdą.TAP, pažymėtas AlexaFluor 633, pritvirtintas prie fibrino skaidulų ir kaupiamas suspausto fibrino mikrogeliuose (TRITC kanalas papildomame 18 pav.).Dekstrano tirpalas, pažymėtas FITC, juda nesikaupdamas mikrogele.
Duomenis, patvirtinančius šio tyrimo rezultatus, atitinkami autoriai gali gauti paprašę.Neapdoroti fibrino gelių SEM vaizdai, neapdoroti fibrino gelių TEM vaizdai prieš ir po inokuliacijos ir pagrindiniai įvesties duomenys 1 ir 2 paveikslams. 2 ir 3 pateikiami neapdorotų duomenų faile.Šiame straipsnyje pateikiami pirminiai duomenys.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. ir Weisel JV fibrinogenas ir fibrinas.In Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (red. Harris, JR ir Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 ( Springer ir Cham, 2021).
Bosman FT ir Stamenkovich I. Ekstraląstelinės matricos funkcinė struktūra ir sudėtis.J. Pasolis.200, 423–428 (2003).
Prince E. ir Kumacheva E. Dirbtinių biomimetinių pluoštų hidrogelių projektavimas ir pritaikymas.Nacionalinis Mattas Redas.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Pusiau lanksčių polimerinių tinklų modeliavimas.Kunigas Mod.fizika.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. ir Piku, KR Pusiau lanksčių biopolimerų tinklų mechaninis modeliavimas: neafininė deformacija ir ilgalaikių priklausomybių buvimas.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlynas, Heidelbergas, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D ir Mahadevan L. Streso sukeltas kolageno gelių lygiavimas.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS ir Gianmi PA Netiesinis biogelių elastingumas.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stresas kontroliuoja kolageno tinklo mechanizmus.procesas.Nacionalinė mokslų akademija.Mokslas.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA ir kt.Neigiamas normalus įtempis pusiau lanksčiuose biopolimeriniuose geliuose.Nacionalinė alma mater.6, 48–51 (2007).
Kang, H. ir kt.Netiesinis standžiųjų skaidulų tinklų elastingumas: deformacijos sukietėjimas, neigiamas normalus įtempis ir pluošto išlyginimas fibrino gelyje.J. Fizika.Cheminis.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML ir kt.Kryžminių ir surištų aktino tinklų elastingas elgesys.Mokslas 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. ir kt.Netiesinė įtempimo valdomų šviesolaidinių tinklų mechanika su kritiniu valdymu.Nacionalinė fizika.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. ir kt.Šviesolaidinių tinklų elastingumas vienaašiu išankstiniu įtempimu.Minkštoji medžiaga 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Kraujo krešulio hidraulinis pralaidumas kaip fibrino ir trombocitų tankio funkcija.biofizika.Žurnalas 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. ir kt.Hidrogelių universalumą riboja siauri kapiliarai.Mokslas.5 namas, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Patologinio heterogeniškumo poveikis šlyties bangų elastografijai giliųjų venų trombozės stadijoje.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. Kiekybinis nuo laiko priklausomo kraujo krešulių sukietėjimo in vivo įvertinimas naudojant šlyties bangos ultragarsinį vaizdą triušio venų trombozės modelyje.trombas.saugojimo bakas.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Fibrino polimerizacijos dinamikos kompiuterinis modeliavimas, susijęs su elektronų mikroskopija ir drumstumo stebėjimais: krešulio struktūra ir surinkimas yra kinetiškai valdomi.biofizika.Žurnalas 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW ir Lorand, L. Fibrino krešulio reologijos struktūrinė kilmė.biofizika.J. 77, 2813–2826 (1999).
Paskelbimo laikas: 2023-02-23