Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
La limitació dels hidrogels fibrosos als capil·lars estrets és de gran importància en els sistemes biològics i biomèdics.La tensió i la compressió uniaxial d'hidrogels fibrosos s'han estudiat àmpliament, però la seva resposta a la retenció biaxial als capil·lars segueix sense explorar-se.Aquí, demostrem experimentalment i teòricament que els gels filamentosos responen de manera qualitativa diferent a la restricció que els gels de cadena flexible a causa de l'asimetria en les propietats mecàniques dels filaments constituents, que són suaus en compressió i rígids en tensió.Sota una forta retenció, el gel fibrós presenta poc allargament i una disminució asimptòtica de la relació de Poisson biaxial a zero, donant lloc a una forta compactació del gel i una mala permeació de líquids a través del gel.Aquests resultats indiquen la resistència dels trombis oclusius estirats a la lisi per agents terapèutics i estimulen el desenvolupament d'embolització endovascular efectiva a partir de gels fibrosos per aturar l'hemorràgia vascular o inhibir el subministrament de sang dels tumors.
Les xarxes fibroses són els elements bàsics estructurals i funcionals dels teixits i les cèl·lules vives.L'actina és un component principal del citoesquelet1;la fibrina és un element clau en la cicatrització de ferides i la formació de trombes2, i el col·lagen, l'elastina i la fibronectina són components de la matriu extracel·lular en el regne animal3.Les xarxes recuperades de biopolímers fibrosos s'han convertit en materials amb àmplies aplicacions en enginyeria de teixits4.
Les xarxes filamentoses representen una classe separada de matèria tova biològica amb propietats mecàniques diferents de les xarxes moleculars flexibles5.Algunes d'aquestes propietats han evolucionat al llarg de l'evolució per controlar la resposta de la matèria biològica a la deformació6.Per exemple, les xarxes fibroses mostren elasticitat lineal a les soques petites7,8 mentre que a les soques grans presenten una rigidesa augmentada9,10, mantenint així la integritat del teixit.Les implicacions per a altres propietats mecàniques dels gels fibrosos, com ara l'estrès normal negatiu en resposta a la tensió de cisalla11,12, encara no s'han descobert.
Les propietats mecàniques dels hidrogels fibrosos semiflexibles s'han estudiat sota tensió uniaxial13,14 i compressió8,15, però no s'ha estudiat la seva compressió biaxial induïda per la llibertat en capil·lars o tubs estrets.Aquí informem resultats experimentals i proposem teòricament un mecanisme per al comportament dels hidrogels fibrosos sota retenció biaxial en canals microfluídics.
Es van generar microgels de fibrina amb diverses proporcions de concentracions de fibrinogen i trombina i un diàmetre D0 que oscil·lava entre 150 i 220 µm mitjançant un enfocament microfluídic (figura suplementària 1).A la fig.La figura 1a mostra imatges de microgels marcats amb fluorocrom obtinguts mitjançant microscòpia de fluorescència confocal (CFM).Els microgels són esfèrics, tenen una polidispersitat inferior al 5% i tenen una estructura uniforme a les escales examinades per CFM (Informació suplementària i pel·lícules S1 i S2).La mida mitjana dels porus dels microgels (determinada mesurant la permeabilitat de Darcy16) va disminuir de 2280 a 60 nm, el contingut de fibrina va augmentar de 5,25 a 37,9 mg/mL i la concentració de trombina va disminuir de 2,56 a 0,27 unitats/mL, respectivament.(Informació adicional).Arròs.2), 3 i taula complementària 1).La rigidesa corresponent del microgel augmenta de 0,85 a 3,6 kPa (figura suplementària 4).Com a exemples de gels formats a partir de cadenes flexibles, s'utilitzen microgels d'agarosa de diverses rigideses.
Imatge de microscòpia de fluorescència d'isotiocianat de fluoresceïna (FITC) marcat PM suspès en TBS.L'escala de la barra és de 500 µm.b Imatges SEM de SM (superior) i RM (inferior).Barra d'escala 500 nm.c Diagrama esquemàtic d'un canal microfluídic format per un canal gran (diàmetre dl) i una regió estreta en forma de con amb un angle d'entrada α de 15° i un diàmetre de dc = 65 µm.d D'esquerra a dreta: imatges de microscopi òptic de RM (diàmetre D0) en grans canals, zona cònica i constricció (limitant la longitud del gel Dz).L'escala de la barra és de 100 µm.e, f Imatges TEM d'un RM no deformat (e) i un RM oclusiu (f), fixats durant una hora amb constricció 1/λr = 2, 7, seguit d'alliberament i fixació del 5% de la massa.glutaraldehid en TBS.El diàmetre del CO no deformat és de 176 μm.La barra d'escala és de 100 nm.
Ens vam centrar en microgels de fibrina amb una duresa de 0,85, 1,87 i 3,6 kPa (d'ara endavant anomenats microgels tous (SM), microgels de duresa mitjana (MM) i microgels durs (RM), respectivament).Aquest rang de rigidesa del gel de fibrina és del mateix ordre de magnitud que els coàguls sanguinis18,19 i, per tant, els gels de fibrina estudiats en el nostre treball estan directament relacionats amb sistemes biològics reals.A la fig.La figura 1b mostra les imatges superior i inferior de les estructures SM i RM obtingudes mitjançant un microscopi electrònic d'exploració (SEM), respectivament.En comparació amb les estructures RM, les xarxes SM estan formades per fibres més gruixudes i menys punts de branca, d'acord amb els informes anteriors 20, 21 (figura suplementària 5).La diferència en l'estructura de l'hidrogel es correlaciona amb la tendència de les seves propietats: la permeabilitat del gel disminueix amb la disminució de la mida dels porus de SM a MM i RM (Taula suplementària 1) i la rigidesa del gel s'inverteix.No es van observar canvis en l'estructura del microgel després de l'emmagatzematge a 4 ° C durant 30 dies (figura suplementària 6).
A la fig.La figura 1c mostra un diagrama d'un canal microfluídic amb una secció transversal circular que conté (d'esquerra a dreta): un gran canal amb un diàmetre dl en el qual el microgel roman sense deformar, una secció en forma de con amb un estrenyiment de diàmetre dc < D0, con -seccions en forma i grans canals amb un diàmetre dl (figura suplementària 7).En un experiment típic, es van injectar microgels en canals microfluídics amb una caiguda de pressió positiva ΔP de 0, 2-16 kPa (figura suplementària 8).Aquest rang de pressió correspon a una pressió arterial biològicament significativa (120 mm Hg = 16 kPa)22.A la fig.1d (d'esquerra a dreta) mostra imatges representatives de RM en grans canals, àrees còniques i constriccions.El moviment i la forma del microgel es van registrar i analitzar mitjançant el programa MATLAB.És important tenir en compte que a les regions de constricció i constriccions, els microgels estan en contacte conforme amb les parets dels microcanals (figura suplementària 8).El grau de retenció radial del microgel a l'estrenyiment D0/dc = 1/λr està en el rang 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, on 1/λr és la relació de compressió.El microgel passa per contracció quan ΔP > ΔPtr, on ΔPtr és la diferència de pressió de translocació.La longitud i la mida dels porus dels microgels biaxialment restringits estan determinades pel seu estat d'equilibri, ja que és molt important tenir en compte la viscoelasticitat dels gels en sistemes biològics.El temps d'equilibri dels microgels d'agarosa i fibrina va ser de 10 min i 30 min, respectivament.Després d'aquests intervals de temps, els microgels limitats van assolir la seva posició i forma estables, que es van capturar amb una càmera d'alta velocitat i es van analitzar mitjançant MATLAB.
A la fig.Les figures 1e, 1f mostren imatges de microscòpia electrònica de transmissió (TEM) d'estructures RM no deformades i limitades biaxialment.Després de la compressió RM, la mida dels porus del microgel va disminuir significativament i la seva forma es va convertir en anisotròpica amb mides més petites en la direcció de la compressió, cosa que és coherent amb un informe anterior 23 .
La compressió biaxial durant la contracció fa que el microgel s'allarga en una direcció il·limitada amb un coeficient λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\), on \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) és la longitud del microgel tancat La figura 2a mostra el canvi en λzvs .1/ λr per a microgels de fibrina i agarosa Sorprenentment, sota una forta compressió de 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, els microgels de fibrina mostren un allargament insignificant d'1,12 +/- 0,03 λz, que només es veu lleugerament afectat pel valor d'1/λr. microgels d'agarosa limitats, que s'observen fins i tot amb una compressió més feble 1/λr = 2,6 fins a un allargament més gran λz = 1,3.
a Experiments de microgel d'agarosa amb diferents mòduls elàstics (2,6 kPa, diamant verd obert; 8,3 kPa, cercle obert marró; 12,5 kPa, quadrat obert taronja; 20,2 kPa, triangle invertit obert magenta) i SM (vermell sòlid) Canvi de l'allargament mesurat λz ( cercles), MM (quadrats negres sòlids) i RM (triangles blaus sòlids).Les línies sòlides mostren la λz prevista teòricament per als microgels d'agarosa (línia verda) i de fibrina (línies i símbols del mateix color).b, c Panell superior: diagrama esquemàtic de les cadenes de xarxa d'agarosa (b) i fibrina (c) abans (esquerra) i després (dreta) de la compressió biaxial.Inferior: Forma de la xarxa corresponent abans i després de la deformació.Les direccions de compressió x i y s'indiquen amb fletxes magenta i marrons, respectivament.A la figura anterior, les cadenes de xarxes orientades en aquestes direccions x i y es mostren amb les línies magenta i marrons corresponents, i les cadenes orientades en una direcció z arbitrària es representen amb línies verdes.Al gel de fibrina (c), les línies morades i marrons en les direccions x i y es dobleguen més que en l'estat no deformat, i les línies verdes en la direcció z es dobleguen i s'estiren.La tensió entre les direccions de compressió i tensió es transmet a través de fils amb direccions intermèdies.En els gels d'agarosa, les cadenes en totes direccions determinen la pressió osmòtica, la qual cosa contribueix de manera important a la deformació del gel.d Canvi previst en la relació de Poisson biaxial, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), per a la compressió equibiaxial de gels d'agarosa (línia verda) i fibrina (línia vermella).El requadre mostra la deformació biaxial del gel.e El canvi de pressió de translocació ΔPtr, normalitzat a la rigidesa del gel S, es representa en funció de la relació de compressió dels microgels d'agarosa i fibrina.Els colors dels símbols corresponen als colors de (a).Les línies verdes i vermelles representen la relació teòrica entre ΔPtr/S i 1/λr per als gels d'agarosa i fibrina, respectivament.La part discontínua de la línia vermella mostra l'augment de ΔPtr sota una forta compressió a causa de les interaccions entre fibres.
Aquesta diferència està associada a diferents mecanismes de deformació de les xarxes de microgels de fibrina i agarosa, que consisteixen en fils flexibles24 i rígids25, respectivament.La compressió biaxial dels gels flexibles comporta una disminució del seu volum i un augment associat de la concentració i la pressió osmòtica, la qual cosa comporta un allargament del gel en una direcció il·limitada.L'allargament final del gel depèn de l'equilibri d'un augment de l'energia lliure entròpica de les cadenes estirades i una disminució de l'energia lliure d'osmosi a causa de la menor concentració de polímer en el gel estirat.Sota una forta compressió biaxial, l'allargament del gel augmenta amb λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (vegeu la figura 2a a secció de discussió 5.3.3).Els canvis conformacionals de les cadenes flexibles i la forma de les xarxes corresponents abans i després de la retenció biaxial es mostren a les Figs.2b.
En canvi, els gels fibrosos com la fibrina responen de manera inherent de manera diferent a la retenció biaxial.Els filaments orientats predominantment paral·lels a la direcció de compressió es flexionen (reduint així la distància entre els enllaços creuats), mentre que els filaments predominantment perpendiculars a la direcció de compressió s'estiren i s'estiren sota l'acció de la força elàstica, fent que el gel s'allarga ( Fig. 1).2c) Les estructures dels SM, MM i RM no deformats es van caracteritzar mitjançant l'anàlisi de les seves imatges SEM i CFM (Secció de discussió suplementària IV i figura suplementària 9).En determinar el mòdul elàstic (E), el diàmetre (d), la longitud del perfil (R0), la distància entre els extrems (L0 ≈ R0) i l'angle central (ψ0) de les cadenes en microgels de fibrina no deformats (taula suplementària 2) - 4), trobem que el mòdul de flexió del fil \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) és significativament menor que el seu mòdul de tracció\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), de manera que kb/ks ≈ 0,1 (Taula suplementària 4).Així, en condicions de retenció de gel biaxial, les cadenes de fibrina es dobleguen fàcilment, però resisteixen l'estirament.L'allargament d'una xarxa filamentosa sotmesa a compressió biaxial es mostra a la figura suplementària 17.
Desenvolupem un model afí teòric (Secció de discussió suplementària V i figures suplementàries 10-16) en què l'allargament d'un gel fibrós es determina a partir de l'equilibri local de les forces elàstiques que actuen al gel i prediu que en una forta deformació biaxial λz - 1 sota la restricció
L'equació (1) mostra que fins i tot sota una forta compressió (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) hi ha una lleugera expansió del gel i la posterior deformació per elongació. saturació λz–1 = 0,15 ± 0,05.Aquest comportament està relacionat amb (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm {s }}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 i (ii) el terme entre claudàtors s'aproxima asimptòticament \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) per a enllaços biaxials forts. És important tenir en compte que el prefactor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) no té res a veure amb la rigidesa del fil E, però només està determinat per la relació d'aspecte del fil d/L0 i l'angle central de l'arc ψ0, que és similar a SM, MM i RM (taula suplementària 4).
Per destacar encara més la diferència de tensió induïda per la llibertat entre gels flexibles i filamentosos, introduïm la relació biaxial de Poisson \({\nu }_{{{({\rm{b))))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\a 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) descriu un no limitat orientació de la tensió del gel en resposta a una tensió igual en dues direccions radials, i l'estén a grans soques uniformes \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .A la fig.El 2d mostra \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) per a la compressió biaxial uniforme de gels flexibles (com l'agarosa) i rígids (com la fibrina) (Discussió suplementària, secció 5.3.4) i destaca la relació entre fortes diferències en les respostes al confinament. Per als gels d'agarosa sota restriccions fortes, {\rm{eff}}}}}}}\) augmenta fins al valor asimptòtic 2/3, i per als gels de fibrina disminueix a zero, ja que lnλz/lnλr → 0, ja que λz augmenta amb saturació a mesura que augmenta λr.Tingueu en compte que en els experiments, els microgels esfèrics tancats es deformen de manera no homogènia i la seva part central experimenta una compressió més forta;tanmateix, l'extrapolació a un gran valor d'1/λr permet comparar l'experiment amb la teoria de gels deformats uniformement.
Una altra diferència en el comportament dels gels de cadena flexible i els gels filamentosos es va trobar a causa del seu moviment en contracció.La pressió de translocació ΔPtr, normalitzada a la rigidesa del gel S, va augmentar amb l'augment de la compressió (Fig. 2e), però a 2, 0 ≤ 1/λr ≤ 3, 5, els microgels de fibrina van mostrar valors significativament més baixos de ΔPtr/S durant la contracció.La retenció del microgel d'agarosa condueix a un augment de la pressió osmòtica, que condueix a l'estirament del gel en la direcció longitudinal a mesura que s'estiren les molècules del polímer (Fig. 2b, esquerra) i un augment de la pressió de translocació per ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Per contra, la forma dels microgels de fibrina tancats ve determinada pel balanç energètic dels fils de compressió radial i tensió longitudinal, que condueix a la màxima deformació longitudinal λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Per a 1/λr ≫ 1, el canvi en la pressió de translocació s'escala com a 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (Discussió suplementària, secció 5.4), tal com mostra la línia vermella sòlida de la figura 2e.Així, ΔPtr està menys restringit que en els gels d'agarosa.Per a compressions amb 1/λr > 3, 5, un augment significatiu de la fracció de volum dels filaments i la interacció dels filaments veïns limita la deformació addicional del gel i condueix a desviacions dels resultats experimentals de les prediccions (línia de punts vermella a la figura 2e).Concloem que per a la mateixa 1/λr i Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrina}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr)))))))}}}_{{{{\rm{agarosa}} }} } } } }}\) el gel d'agarosa serà capturat pel microcanal, i el gel de fibrina amb la mateixa rigidesa hi passarà.Per a ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))))))_{{{{{\rm{fibrina)))))))))}\ ), Dos Els dos gels bloquejaran el canal, però el gel de fibrina empènyera més profundament i es comprimirà de manera més eficaç, bloquejant el flux de fluids de manera més eficaç.Els resultats que es mostren a la figura 2 demostren que el gel fibrós pot servir com a tap eficaç per reduir el sagnat o inhibir el subministrament de sang als tumors.
D'altra banda, la fibrina forma una bastida de coàguls que condueix a un tromboembolisme, una condició patològica en què un trombe oclueix un vas a ΔP < ΔPtr, com en alguns tipus d'ictus isquèmic (Fig. 3a).L'allargament més feble dels microgels de fibrina induït per restriccions va donar lloc a un augment més fort de la concentració de fibrina de fibrinogen C/C en comparació amb els gels de cadena flexible, on el fibrinogen C i C són microgels restringits i no deformats, respectivament.Concentració de polímers al gel.La figura 3b mostra que el fibrinogen C/C a SM, MM i RM va augmentar més de set vegades a 1/λr ≈ 4, 0, impulsat per la restricció i la deshidratació (figura suplementària 16).
Il·lustració esquemàtica de l'oclusió de l'artèria cerebral mitjana al cervell.b Augment relatiu mediat per la restricció de la concentració de fibrina en SM obstructiva (cercles vermells sòlids), MM (quadrats negres sòlids) i RM (triangles blaus sòlids).c Disseny experimental utilitzat per estudiar la divisió de gels de fibrina restringits.Es va injectar una solució de tPA marcat fluorescentment en TBS a un cabal de 5, 6 × 107 µm3/s i una caiguda de pressió addicional de 0, 7 Pa per als canals situats perpendicularment a l'eix llarg del microcanal principal.d Imatge microscòpica multicanal agrupada de MM obstructiva (D0 = 200 µm) a Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa i durant la divisió.Les línies de punts verticals mostren les posicions inicials de les vores posterior i anterior del MM a tlys = 0. Els colors verd i rosa corresponen a FITC-dextra (70 kDa) i tPA etiquetats amb AlexaFluor633, respectivament.e Volum relatiu variable en el temps dels RM oclusos amb D0 de 174 µm (triangle blau obert invertit), 199 µm (triangle blau obert) i 218 µm (triangle blau obert), respectivament, en un microcanal cònic amb Xf = 28 ± 1 µm.les seccions tenen ΔP 1200, 1800 i 3000 Pa, respectivament, i Q = 1860 ± 70 µm3/s.L'inserció mostra RM (D0 = 218 µm) connectant el microcanal.f Variació temporal del volum relatiu de SM, MM o RM situat a Xf = 32 ± 12 µm, a ΔP 400, 750 i 1800 Pa i ΔP 12300 Pa i Q 12300 a la regió cònica del microcanal, respectivament 2400 i µm360 /s.Xf representa la posició frontal del microgel i determina la seva distància des de l'inici de la contracció.V(tlys) i V0 són el volum temporal del microgel lisat i el volum del microgel no alterat, respectivament.Els colors dels caràcters corresponen als colors de b.Les fletxes negres a e, f corresponen a l'últim moment de temps abans del pas dels microgels pel microcanal.La barra d'escala en d, e és de 100 µm.
Per investigar l'efecte de la restricció en la reducció del flux de fluids a través dels gels de fibrina obstructius, vam estudiar la lisi de SM, MM i RM infiltrats amb l'activador del plasminogen tissular de l'agent trombolític (tPA).La figura 3c mostra el disseny experimental utilitzat per als experiments de lisi. A ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i un cabal, Q = 2400 μm3/s, de solució salina tamponada amb Tris (TBS) barrejada amb 0,1 mg/mL de FITC-Dextran (isotiocianat de fluoresceïna), el microgel va ocluir el microcanal cònic. regió. A ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i un cabal, Q = 2400 μm3/s, de solució salina tamponada amb Tris (TBS) barrejada amb 0,1 mg/mL de FITC-Dextran (isotiocianat de fluoresceïna), el microgel va ocluir el microcanal cònic. regió. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого растого растого солевого растого солевого растого), скорости потока, трис-буферного), скорости потока, трис-буферного), скорости потока, 0 л (флуоресцеинизотиоцианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. A ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i un cabal, Q = 2400 µm3/s, de solució salina tamponada Tris (TBS) barrejada amb 0, 1 mg/ml (isotiocianat de fluoresceïna) FITC-dextra, el microgel va ocluir el microcanal convergent.regió.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s 的Tris 缓冲盐水(TBS) 与0,1 mg/mL 的（异硫氰（异硫氰（异硫民TC-FITC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 мешивании трис-буферного солевого раствора (TBS) с 0,1 мг/мил т) FITC-декстрана при ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические областова областрова. Els microgels es van endollar quan es va barrejar solució salina tamponada Tris (TBS) amb 0, 1 mg/ml (isotiocianat de fluoresceïna) FITC-dextra a ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) i un cabal Q = 2400 µm3/s. Regions còniques de microcanals.La posició cap endavant Xf del microgel determina la seva distància des del punt de contracció inicial X0.Per induir la lisi, es va injectar una solució de tPA marcat fluorescentment en TBS des d'un canal situat ortogonalment a l'eix llarg del microcanal principal.
Quan la solució de tPA va arribar al MM oclusal, la vora posterior del microgel es va desdibuixar, cosa que indica que la ruptura de fibrina havia començat en el moment tlys = 0 (Fig. 3d i Fig. 18 suplementària).Durant la fibrinòlisi, el tPA marcat amb colorant s'acumula dins del MM i s'uneix a les cadenes de fibrina, la qual cosa comporta un augment gradual de la intensitat del color rosat dels microgels.A tlys = 60 min, el MM es contrau a causa de la dissolució de la seva part posterior, i la posició de la seva vora davantera Xf canvia poc.Després de 160 min, el MM fortament contret va continuar contraint-se i, a tlys = 161 min, va patir una contracció, restaurant així el flux de fluid a través del microcanal (figura 3d i figura suplementària 18, columna dreta).
A la fig.La figura 3e mostra la disminució depenent del temps mediada per la lisi del volum V (tlys) normalitzat al volum inicial V0 de microgels de fibrina de diferents mides.El CO amb D0 174, 199 o 218 µm es va col·locar en un microcanal amb ΔP 1200, 1800 o 3000 Pa, respectivament, i Q = 1860 ± 70 µm3/s per bloquejar el microcanal (Fig. 3e, requadre).nutrició.Els microgels es redueixen gradualment fins que són prou petits per passar pels canals.Una disminució del volum crític de CO amb un diàmetre inicial més gran requereix un temps de lisi més llarg.A causa del flux similar a través de RM de diferents mides, la divisió es produeix a la mateixa velocitat, donant lloc a la digestió de fraccions més petites de RM més grans i la seva translocació retardada.A la fig.La figura 3f mostra la reducció relativa de V (tlys) / V0 a causa de la divisió per a SM, MM i RM a D0 = 197 ± 3 µm representats en funció de tlys.Per a SM, MM i RM, col·loqueu cada microgel en un microcanal amb ΔP 400, 750 o 1800 Pa i Q 12300, 2400 o 1860 µm3/s, respectivament.Tot i que la pressió aplicada al SM era 4,5 vegades menor que la del RM, el flux a través del SM era més de sis vegades més fort a causa de la major permeabilitat del SM, i la contracció del microgel va disminuir de SM a MM i RM. .Per exemple, a tlys = 78 min, SM es va dissoldre i es va desplaçar majoritàriament, mentre que MM i PM van continuar obstruint els microcanals, tot i conservar només un 16% i un 20% del seu volum original, respectivament.Aquests resultats suggereixen la importància de la lisi mediada per convecció de gels fibrosos restringits i es correlacionen amb informes de digestió més ràpida de coàguls amb menor contingut de fibrina.
Així, el nostre treball demostra experimentalment i teòricament el mecanisme pel qual els gels filamentosos responen al confinament biaxial.El comportament dels gels fibrosos en un espai limitat està determinat per la forta asimetria de l'energia de deformació dels filaments (suau en compressió i dur en tensió) i només per la relació d'aspecte i la curvatura dels filaments.Aquesta reacció dóna com a resultat un allargament mínim dels gels fibrosos continguts en capil·lars estrets, la seva relació de Poisson biaxial disminueix amb l'augment de la compressió i la pressió del bit menys lleugera.
Atès que la contenció biaxial de partícules suaus deformables s'utilitza en una àmplia gamma de tecnologies, els nostres resultats estimulen el desenvolupament de nous materials fibrosos.En particular, la retenció biaxial de gels filamentosos en capil·lars o tubs estrets condueix a la seva forta compactació i a una forta disminució de la permeabilitat.La forta inhibició del flux de fluids a través de gels fibrosos oclusivs té avantatges quan s'utilitza com a taps per prevenir l'hemorràgia o reduir el subministrament de sang a les malalties malignes33,34,35.D'altra banda, una disminució del flux de líquid a través del gel de fibrina oclusal, inhibint així la lisi del trombe mediada per convecció, dóna una indicació de la lenta lisi dels coàguls oclusals [27, 36, 37].El nostre sistema de modelització és el primer pas per entendre les implicacions de la resposta mecànica dels hidrogels de biopolímers fibrosos a la retenció biaxial.La incorporació de cèl·lules sanguínies o plaquetes en gels de fibrina obstructives afectarà el seu comportament de restricció 38 i serà el següent pas per descobrir el comportament de sistemes biològicament significatius més complexos.
Els reactius utilitzats per preparar microgels de fibrina i fabricar dispositius MF es descriuen a la informació complementària (Mètodes suplementaris, seccions 2 i 4).Els microgels de fibrina es van preparar emulsionant una solució mixta de fibrinogen, tampó Tris i trombina en un dispositiu MF que enfoca el flux, seguit de gelificació de gotes.Es van administrar solució de fibrinogen boví (60 mg/ml en TBS), tampó Tris i solució de trombina bovina (5 U/ml en solució de CaCl2 10 mM) mitjançant dues bombes de xeringa controlades de manera independent (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).per bloquejar MF, EUA).La fase contínua d'oli F que contenia 1% en pes de copolímer de blocs PFPE-P(EO-PO)-PFPE es va introduir a la unitat MF mitjançant una tercera bomba de xeringa.Les gotes formades al dispositiu MF es recullen en un tub de centrífuga de 15 ml que conté oli F.Col·loqueu els tubs en un bany maria a 37 ° C durant 1 h per completar la gelificació de fibrina.Els microgels de fibrina marcats amb FITC es van preparar barrejant fibrinogen boví i fibrinogen humà marcat amb FITC en una proporció de pes de 33: 1, respectivament.El procediment és el mateix que per a la preparació de microgels de fibrina.
Transferiu els microgels de l'oli F a TBS centrifugant la dispersió a 185 g durant 2 min.Els microgels precipitats es van dispersar en oli F barrejat amb 20% en pes d'alcohol perfluoroocílic, després es van dispersar en hexà que contenia 0,5% en pes de Span 80, hexà, 0,1% en pes de Triton X en aigua i TBS.Finalment, els microgels es van dispersar en TBS que contenien 0, 01% en pes de Tween 20 i es van emmagatzemar a 4 ° C durant aproximadament 1-2 setmanes abans dels experiments.
La fabricació del dispositiu MF es descriu a la informació complementària (Secció 5 de mètodes suplementaris).En un experiment típic, el valor positiu de ΔP es determina per l'alçada relativa dels dipòsits connectats abans i després del dispositiu MF per introduir microgels amb un diàmetre de 150 < D0 < 270 µm als microcanals.La mida no alterada dels microgels es va determinar visualitzant-los al macrocanal.El microgel s'atura en una zona cònica a l'entrada de la constricció.Quan la punta del microgel anterior es manté sense canvis durant 2 minuts, utilitzeu el programa MATLAB per determinar la posició del microgel al llarg de l'eix x.Amb un augment gradual de ΔP, el microgel es mou al llarg de la regió en forma de falca fins que entra a la constricció.Un cop el microgel està completament inserit i comprimit, ΔP cau ràpidament a zero, equilibrant el nivell d'aigua entre els dipòsits, i el microgel tancat roman estacionari sota compressió.La durada del microgel obstructiu es va mesurar 30 minuts després que cessés la constricció.
Durant els experiments de fibrinòlisi, les solucions de dextran marcat amb t-PA i FITC penetren en microgels bloquejats.El flux de cada líquid es va controlar mitjançant imatges de fluorescència d'un sol canal.TAP etiquetat amb AlexaFluor 633 unit a fibres de fibrina i acumulat dins de microgels de fibrina comprimits (canal TRITC a la figura suplementària 18).La solució de dextran marcada amb FITC es mou sense acumulació al microgel.
Les dades que donen suport als resultats d'aquest estudi estan disponibles als autors respectius a petició.Les imatges SEM en brut de gels de fibrina, les imatges TEM en brut de gels de fibrina abans i després de la inoculació i les dades d'entrada principals de les figures 1 i 2. 2 i 3 es proporcionen al fitxer de dades en brut.Aquest article proporciona les dades originals.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. i Weisel JV fibrinogen i fibrina.A Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (ed. Harris, JR i Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 ( Springer i Cham, 2021).
Bosman FT i Stamenkovich I. Estructura funcional i composició de la matriu extracel·lular.J. Pascual.200, 423–428 (2003).
Prince E. i Kumacheva E. Disseny i aplicació d'hidrogels de fibra biomimètica artificial.Vermell mat nacional.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP i Mackintosh, FC Modelatge de xarxes de polímers semiflexibles.Sacerdot Mod.física.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. i Piku, KR Modelització mecànica de xarxes de biopolímers semiflexibles: deformació no afí i presència de dependències de llarg abast.A Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlín, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D i Mahadevan L. Alineació induïda per l'estrès dels gels de col·lagen.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS i Gianmi PA Elasticitat no lineal dels biogels.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress controla els mecanismes de la xarxa de col·lagen.procés.Acadèmia Nacional de Ciències.la ciència.EUA 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et al.Estrès normal negatiu en gels de biopolímer semiflexibles.alma mater nacional.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.Elasticitat no lineal de xarxes de fibres rígides: enduriment per tensió, tensió normal negativa i alineació de fibres en gels de fibrina.J. Física.Química.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.Comportament elàstic de xarxes d'actina entrecreuades i lligades.Science 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Mecànica no lineal de xarxes de fibra òptica controlada per tensió amb control crític.Física nacional.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.Elasticitat de xarxes de fibra sota pretensat uniaxial.Matèria suau 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Permeabilitat hidràulica dels coàguls de sang en funció de la fibrina i la densitat plaquetària.biofísica.Diari 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et al.El comportament versàtil dels hidrogels està limitat pels capil·lars estrets.la ciència.Casa 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. i Wen, C. Efecte de l'heterogeneïtat patològica sobre l'elastografia d'ona de cisalla en l'estadificació de la trombosi venosa profunda.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. i Cloutier, G. Quantificació in vivo de la induració de coàguls de sang depenent del temps mitjançant imatges d'ecografia d'ona de cisalla en un model de trombosi venosa de conill.trombe.dipòsit d'emmagatzematge.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW i Nagaswami, C. Simulació per ordinador de la dinàmica de polimerització de fibrina en relació amb la microscòpia electrònica i les observacions de terbolesa: l'estructura i el conjunt del coàgul estan controlats cinèticament.biofísica.Diari 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW i Lorand, L. Origen estructural de la reologia del coàgul de fibrina.biofísica.J. 77, 2813–2826 (1999).
Hora de publicació: 23-feb-2023