Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Had hidrogel berserabut kepada kapilari sempit adalah sangat penting dalam sistem biologi dan bioperubatan.Ketegangan dan mampatan uniaksial hidrogel berserabut telah dikaji secara meluas, tetapi tindak balasnya terhadap pengekalan dwipaksi dalam kapilari masih belum diterokai.Di sini, kami menunjukkan secara eksperimen dan teori bahawa gel berfilamen bertindak balas secara kualitatif secara berbeza terhadap kekangan daripada gel rantai fleksibel disebabkan oleh asimetri dalam sifat mekanikal filamen konstituen, yang lembut dalam mampatan dan kaku dalam ketegangan.Di bawah pengekalan yang kuat, gel berserabut mempamerkan sedikit pemanjangan dan penurunan asimptotik dalam nisbah Poisson dwipaksi kepada sifar, mengakibatkan pemadatan gel yang kuat dan resapan cecair yang lemah melalui gel.Keputusan ini menunjukkan rintangan thrombi oklusif yang diregangkan kepada lisis oleh agen terapeutik dan merangsang perkembangan embolisasi endovaskular yang berkesan daripada gel berserabut untuk menghentikan pendarahan vaskular atau menghalang bekalan darah tumor.
Rangkaian berserabut ialah blok binaan struktur dan berfungsi asas tisu dan sel hidup.Aktin ialah komponen utama sitoskeleton1;fibrin ialah elemen utama dalam penyembuhan luka dan pembentukan trombus2, dan kolagen, elastin dan fibronektin adalah komponen matriks ekstraselular dalam alam haiwan3.Rangkaian biopolimer gentian pulih telah menjadi bahan dengan aplikasi yang meluas dalam kejuruteraan tisu4.
Rangkaian berfilamen mewakili kelas berasingan bahan lembut biologi dengan sifat mekanikal yang berbeza daripada rangkaian molekul fleksibel5.Sebahagian daripada sifat ini telah berkembang dalam perjalanan evolusi untuk mengawal tindak balas bahan biologi kepada ubah bentuk6.Sebagai contoh, rangkaian berserabut menunjukkan keanjalan linear pada regangan kecil7,8 manakala pada regangan besar ia menunjukkan peningkatan kekakuan9,10, dengan itu mengekalkan integriti tisu.Implikasi untuk sifat mekanikal lain gel berserabut, seperti tegasan normal negatif sebagai tindak balas kepada terikan ricih11,12, masih belum ditemui.
Sifat mekanikal hidrogel gentian separa fleksibel telah dikaji di bawah tegangan uniaxial13,14 dan mampatan8,15, tetapi mampatan dwipaksi yang disebabkan oleh kebebasan mereka dalam kapilari sempit atau tiub belum dikaji.Di sini kami melaporkan keputusan eksperimen dan secara teorinya mencadangkan mekanisme untuk kelakuan hidrogel berserabut di bawah pengekalan dwipaksi dalam saluran mikrofluid.
Mikrogel fibrin dengan pelbagai nisbah kepekatan fibrinogen dan trombin dan diameter D0 antara 150 hingga 220 µm telah dihasilkan menggunakan pendekatan mikrofluid (Tambahan Rajah 1).Pada rajah.1a menunjukkan imej mikrogel berlabel fluorochrome yang diperoleh menggunakan mikroskop pendarfluor confocal (CFM).Mikrogel adalah sfera, mempunyai polidispersi kurang daripada 5%, dan seragam dalam struktur merentasi skala yang diperiksa oleh CFM (Maklumat Tambahan dan Filem S1 dan S2).Saiz liang purata mikrogel (ditentukan dengan mengukur kebolehtelapan Darcy16) menurun daripada 2280 kepada 60 nm, kandungan fibrin meningkat daripada 5.25 kepada 37.9 mg/mL, dan kepekatan trombin menurun daripada 2.56 kepada 0.27 unit/mL, masing-masing.(Maklumat tambahan).nasi.2), 3 dan jadual tambahan 1).Kekukuhan mikrogel yang sepadan meningkat daripada 0.85 kepada 3.6 kPa (Tambahan Rajah 4).Sebagai contoh gel yang terbentuk daripada rantai fleksibel, mikrogel agarose pelbagai kekakuan digunakan.
Imej mikroskop pendarfluor fluorescein isothiocyanate (FITC) berlabel PM digantung dalam TBS.Skala bar ialah 500 µm.b imej SEM SM (atas) dan RM (bawah).Bar skala 500 nm.c Gambarajah skematik saluran mikrobendalir yang terdiri daripada saluran besar (diameter dl) dan kawasan berbentuk kon yang sempit dengan sudut kemasukan α 15° dan diameter dc = 65 µm.d Kiri ke kanan: Imej mikroskop optik RM (diameter D0) dalam saluran besar, zon kon dan penyempitan (menghadkan panjang gel Dz).Skala bar ialah 100 µm.e, f imej TEM bagi RM (e) yang tidak cacat dan RM (f) yang terkumpul, ditetapkan selama satu jam dengan penyempitan 1/λr = 2.7, diikuti dengan pelepasan dan penetapan 5% daripada jisim.glutaraldehid dalam TBS.Diameter CO yang tidak cacat ialah 176 μm.Bar skala ialah 100 nm.
Kami memberi tumpuan kepada mikrogel fibrin dengan kekerasan 0.85, 1.87 dan 3.6 kPa (selepas ini dirujuk sebagai mikrogel lembut (SM), mikrogel keras sederhana (MM) dan mikrogel keras (RM), masing-masing).Julat kekakuan gel fibrin ini adalah dalam susunan magnitud yang sama seperti untuk pembekuan darah18,19 dan oleh itu gel fibrin yang dikaji dalam kerja kami berkaitan secara langsung dengan sistem biologi sebenar.Pada rajah.Rajah 1b menunjukkan imej atas dan bawah struktur SM dan RM yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron pengimbasan (SEM), masing-masing.Berbanding dengan struktur RM, rangkaian SM dibentuk oleh gentian yang lebih tebal dan titik cawangan yang lebih sedikit, selaras dengan laporan awal 20, 21 (Tambahan Rajah 5).Perbezaan dalam struktur hidrogel berkorelasi dengan trend sifatnya: kebolehtelapan gel berkurangan dengan saiz liang yang berkurangan dari SM ke MM dan RM (Jadual Tambahan 1), dan kekakuan gel terbalik.Tiada perubahan dalam struktur mikrogel dicatatkan selepas penyimpanan pada 4 ° C selama 30 hari (Tambahan Rajah 6).
Pada rajah.1c menunjukkan gambar rajah saluran mikrobendalir dengan keratan rentas bulat yang mengandungi (dari kiri ke kanan): saluran besar dengan diameter dl di mana mikrogel kekal tidak berubah bentuk, bahagian berbentuk kon dengan penyempitan diameter dc < D0, kon bahagian berbentuk dan saluran besar dengan diameter dl (Tambahan Rajah 7).Dalam eksperimen biasa, mikrogel disuntik ke dalam saluran mikrobendalir pada penurunan tekanan positif ΔP sebanyak 0.2–16 kPa (Tambahan Rajah 8).Julat tekanan ini sepadan dengan tekanan darah yang ketara secara biologi (120 mm Hg = 16 kPa)22.Pada rajah.1d (dari kiri ke kanan) menunjukkan imej perwakilan RM dalam saluran besar, kawasan kon dan penyempitan.Pergerakan dan bentuk mikrogel direkodkan dan dianalisis menggunakan program MATLAB.Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa di kawasan tirus dan penyempitan, mikrogel berada dalam hubungan selaras dengan dinding saluran mikro (Tambahan Rajah 8).Tahap pengekalan jejari mikrogel pada penyempitan D0/dc = 1/λr berada dalam julat 2.4 ≤ 1/λr ≤ 4.2, di mana 1/λr ialah nisbah mampatan.Mikrogel melalui pengecutan apabila ΔP > ΔPtr, di mana ΔPtr ialah perbezaan tekanan translokasi.Panjang dan saiz liang mikrogel yang dikekang secara dwipaksi ditentukan oleh keadaan keseimbangannya, kerana adalah sangat penting untuk mengambil kira kelikatan gel dalam sistem biologi.Masa keseimbangan untuk mikrogel agarose dan fibrin ialah 10 minit dan 30 minit, masing-masing.Selepas selang masa ini, mikrogel terhad mencapai kedudukan dan bentuk yang stabil, yang ditangkap menggunakan kamera berkelajuan tinggi dan dianalisis menggunakan MATLAB.
Pada rajah.1e, 1f menunjukkan imej mikroskop elektron penghantaran (TEM) bagi struktur RM yang tidak cacat dan terhad secara dwipaksi.Selepas pemampatan RM, saiz liang mikrogel berkurangan dengan ketara dan bentuknya menjadi anisotropik dengan saiz yang lebih kecil ke arah pemampatan, yang konsisten dengan laporan terdahulu 23 .
Mampatan dwipaksi semasa penguncupan menyebabkan mikrogel memanjang ke arah yang tidak terhad dengan pekali λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , dengan \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) ialah panjang mikrogel tertutup Rajah 2a menunjukkan perubahan dalam λzvs .1/ λr untuk mikrogel fibrin dan agarosa. Anehnya, di bawah mampatan kuat 2.4 ≤ 1/λr ≤ 4.2, mikrogel fibrin menunjukkan pemanjangan yang boleh diabaikan sebanyak 1.12 +/- 0.03 λz, yang hanya dipengaruhi sedikit oleh nilai 1/λr. mikrogel agarose terhad, yang diperhatikan walaupun pada pemampatan yang lebih lemah 1/λr = 2.6 kepada pemanjangan yang lebih besar λz = 1.3.
a Eksperimen mikrogel Agarose dengan moduli anjal yang berbeza (2.6 kPa, berlian terbuka hijau; 8.3 kPa, bulatan terbuka coklat; 12.5 kPa, segi empat sama terbuka oren; 20.2 kPa, segi tiga terbalik terbuka magenta) dan SM (merah pepejal) Perubahan dalam pemanjangan yang diukur λz ( bulatan), MM (petak hitam pejal) dan RM (segi tiga biru pepejal).Garis pepejal menunjukkan λz yang diramalkan secara teori untuk agarose (garisan hijau) dan mikrogel fibrin (garisan dan simbol warna yang sama).b, c Panel atas: rajah skematik rantai rangkaian agarose (b) dan fibrin (c) sebelum (kiri) dan selepas (kanan) mampatan dwipaksi.Bawah: Bentuk rangkaian yang sepadan sebelum dan selepas ubah bentuk.Arah mampatan x dan y ditunjukkan oleh anak panah magenta dan coklat, masing-masing.Dalam rajah di atas, rantai rangkaian yang berorientasikan arah x dan y ini ditunjukkan dengan garis magenta dan coklat yang sepadan, dan rantai yang berorientasikan arah z sewenang-wenangnya diwakili oleh garis hijau.Dalam gel fibrin (c), garisan ungu dan coklat dalam arah x dan y lebih bengkok berbanding dalam keadaan tidak cacat, dan garisan hijau dalam arah z bengkok dan regangan.Ketegangan antara arah mampatan dan tegangan dihantar melalui benang dengan arah perantaraan.Dalam gel agarose, rantaian dalam semua arah menentukan tekanan osmotik, yang memberikan sumbangan penting kepada ubah bentuk gel.d Ramalan perubahan dalam nisbah Poisson dwipaksi, } }^{{{{\rm{eff}}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), untuk mampatan equibiaxial agarose (garisan hijau) dan fibrin (garisan merah).Inset menunjukkan ubah bentuk dwipaksi gel.e Perubahan tekanan translokasi ΔPtr, dinormalkan kepada kekakuan gel S, diplot sebagai fungsi nisbah mampatan untuk mikrogel agarose dan fibrin.Warna simbol sepadan dengan warna dalam (a).Garis hijau dan merah menggambarkan hubungan teori antara ΔPtr/S dan 1/λr untuk gel agarose dan fibrin, masing-masing.Bahagian putus-putus garis merah menunjukkan peningkatan dalam ΔPtr di bawah mampatan kuat disebabkan oleh interaksi interfiber.
Perbezaan ini dikaitkan dengan mekanisme ubah bentuk yang berbeza bagi rangkaian mikrogel fibrin dan agarose, yang masing-masing terdiri daripada benang fleksibel24 dan tegar25.Mampatan dwipaksi gel fleksibel membawa kepada pengurangan dalam jumlahnya dan peningkatan yang berkaitan dalam kepekatan dan tekanan osmotik, yang membawa kepada pemanjangan gel dalam arah yang tidak terhad.Pemanjangan akhir gel bergantung pada keseimbangan peningkatan tenaga bebas entropik rantai yang diregangkan dan penurunan tenaga bebas osmosis disebabkan oleh kepekatan polimer yang lebih rendah dalam gel yang diregangkan.Di bawah mampatan dwipaksi yang kuat, pemanjangan gel bertambah dengan λz ≈ 0.6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (lihat Rajah 2a dalam bahagian perbincangan 5.3.3).Perubahan konformasi dalam rantai fleksibel dan bentuk rangkaian yang sepadan sebelum dan selepas pengekalan dwipaksi ditunjukkan dalam Rajah.2b.
Sebaliknya, gel berserabut seperti fibrin sememangnya bertindak balas secara berbeza terhadap pengekalan dwipaksi.Filamen berorientasikan kebanyakannya selari dengan arah lentur mampatan (dengan itu mengurangkan jarak antara pautan silang), manakala filamen kebanyakannya berserenjang dengan arah mampatan meluruskan dan meregangkan di bawah tindakan daya kenyal, menyebabkan gel memanjang ( Rajah 1).2c) Struktur SM, MM dan RM yang tidak cacat telah dicirikan dengan menganalisis imej SEM dan CFM mereka (Bahagian Perbincangan Tambahan IV dan Rajah Tambahan 9).Dengan menentukan modulus keanjalan (E), diameter (d), panjang profil (R0), jarak antara hujung (L0 ≈ R0) dan sudut pusat (ψ0) helai dalam mikrogel fibrin yang tidak cacat (Jadual Tambahan 2) - 4), kita dapati modulus lentur benang \({k}_{{{{{{\rm{b))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) adalah jauh lebih rendah daripada modulus tegangannya\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), jadi kb/ks ≈ 0.1 (Jadual Tambahan 4).Oleh itu, dalam keadaan pengekalan gel dwipaksi, helai fibrin mudah bengkok, tetapi menahan regangan.Pemanjangan rangkaian berfilamen yang tertakluk kepada mampatan dwipaksi ditunjukkan dalam Rajah Tambahan 17.
Kami membangunkan model afin teoritis (Bahagian Perbincangan Tambahan V dan Rajah Tambahan 10–16) di mana pemanjangan gel berserabut ditentukan daripada keseimbangan tempatan daya elastik yang bertindak dalam gel dan meramalkan bahawa dalam ketegangan dwipaksi yang kuat λz - 1 di bawah kekangan
Persamaan (1) menunjukkan bahawa walaupun di bawah mampatan kuat (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) terdapat sedikit pengembangan gel dan ubah bentuk pemanjangan berikutnya apabila ketepuan λz–1 = 0.15 ± 0.05.Tingkah laku ini berkaitan dengan (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}}\kanan)}^{1/2}\) ≈ 0.15−0.4 dan (ii) sebutan dalam kurungan segi empat sama hampir secara asimptotik \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) untuk ikatan dwipaksi yang kuat. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa prefactor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\kanan)}^{1/ 2 }\) tiada kaitan dengan kekakuan benang E, tetapi hanya ditentukan oleh nisbah aspek benang d/L0 dan sudut pusat lengkok ψ0, yang serupa dengan SM, MM dan RM (Jadual Tambahan 4).
Untuk menyerlahkan lagi perbezaan dalam ketegangan yang disebabkan oleh kebebasan antara gel fleksibel dan berfilamen, kami memperkenalkan nisbah Poisson dwipaksi \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\hingga 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) menerangkan tanpa sempadan orientasi terikan gel sebagai tindak balas kepada terikan yang sama dalam dua arah jejari, dan memanjangkannya kepada terikan seragam besar \ rm{b }}}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Pada rajah.2d menunjukkan \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) untuk mampatan dwipaksi seragam bagi gel fleksibel (seperti agarose) dan tegar (seperti fibrin) (Perbincangan tambahan, Bahagian 5.3.4), dan menyerlahkan hubungan antara perbezaan yang kuat dalam tindak balas terhadap kurungan. Untuk gel agarose di bawah sekatan kuat {\rm{eff}}}}}}}}\) meningkat kepada nilai asimptotik 2/3, dan untuk gel fibrin ia berkurangan kepada sifar, kerana lnλz/lnλr → 0, kerana λz meningkat dengan ketepuan apabila λr meningkat.Ambil perhatian bahawa dalam eksperimen, mikrogel sfera tertutup berubah bentuk secara tidak homogen, dan bahagian tengahnya mengalami mampatan yang lebih kuat;walau bagaimanapun, ekstrapolasi kepada nilai besar 1/λr memungkinkan untuk membandingkan eksperimen dengan teori untuk gel cacat seragam.
Satu lagi perbezaan dalam tingkah laku gel rantai fleksibel dan gel berfilamen didapati disebabkan oleh pergerakannya semasa penguncupan.Tekanan translokasi ΔPtr, dinormalkan kepada kekakuan gel S, meningkat dengan peningkatan mampatan (Rajah 2e), tetapi pada 2.0 ≤ 1/λr ≤ 3.5, mikrogel fibrin menunjukkan nilai ΔPtr/S yang jauh lebih rendah semasa pengecutan.Pengekalan mikrogel agarose membawa kepada peningkatan tekanan osmotik, yang membawa kepada regangan gel dalam arah membujur apabila molekul polimer diregangkan (Rajah 2b, kiri) dan peningkatan tekanan translokasi sebanyak ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Sebaliknya, bentuk mikrogel fibrin tertutup ditentukan oleh keseimbangan tenaga benang mampatan jejarian dan tegangan membujur, yang membawa kepada ubah bentuk membujur maksimum λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}}\).Untuk 1/λr ≫ 1, perubahan dalam tekanan translokasi diskalakan sebagai 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \kanan)\) (Perbincangan Tambahan, Bahagian 5.4), seperti yang ditunjukkan oleh garis merah pepejal dalam Rajah 2e.Oleh itu, ΔPtr kurang terkekang daripada gel agarose.Untuk mampatan dengan 1/λr > 3.5, peningkatan ketara dalam pecahan volum filamen dan interaksi filamen jiran mengehadkan ubah bentuk selanjutnya gel dan membawa kepada sisihan keputusan eksperimen daripada ramalan (garis putus-putus merah dalam Rajah 2e).Kami membuat kesimpulan bahawa untuk 1/λr dan Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}} yang sama{{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))}}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) gel agarose akan ditangkap oleh saluran mikro, dan gel fibrin dengan kekakuan yang sama akan melaluinya.Untuk ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)))))))))_{{{{{\rm{fibrin)))))))))}\ ), Dua Kedua-dua gel akan menyekat saluran, tetapi gel fibrin akan menolak lebih dalam dan memampatkan dengan lebih berkesan, menyekat aliran bendalir dengan lebih berkesan.Keputusan yang ditunjukkan dalam Rajah 2 menunjukkan bahawa gel berserabut boleh berfungsi sebagai palam yang berkesan untuk mengurangkan pendarahan atau menghalang bekalan darah kepada tumor.
Sebaliknya, fibrin membentuk perancah beku yang membawa kepada tromboembolisme, keadaan patologi di mana trombus menutup salur pada ΔP < ΔPtr, seperti dalam beberapa jenis strok iskemia (Rajah 3a).Pemanjangan mikrogel fibrin yang disebabkan oleh sekatan yang lebih lemah menghasilkan peningkatan yang lebih kuat dalam kepekatan fibrin fibrinogen C/C berbanding dengan gel rantai fleksibel, di mana C dan C fibrinogen masing-masing adalah mikrogel terhad dan tidak cacat.Kepekatan polimer dalam gel.Rajah 3b menunjukkan bahawa fibrinogen C/C dalam SM, MM, dan RM meningkat lebih daripada tujuh kali ganda pada 1/λr ≈ 4.0, didorong oleh sekatan dan dehidrasi (Tambahan Rajah 16).
Ilustrasi skematik oklusi arteri serebrum tengah di dalam otak.b Peningkatan relatif pengantara sekatan dalam kepekatan fibrin dalam SM obstruktif (bulatan merah pepejal), MM (petak hitam pepejal), dan RM (segi tiga biru pepejal).c Reka bentuk eksperimen yang digunakan untuk mengkaji belahan gel fibrin terhad.Penyelesaian tPA berlabel pendarfluor dalam TBS telah disuntik pada kadar alir 5.6 × 107 µm3/s dan penurunan tekanan tambahan sebanyak 0.7 Pa untuk saluran yang terletak berserenjang dengan paksi panjang saluran mikro utama.d Imej mikroskopik berbilang saluran terkumpul MM obstruktif (D0 = 200 µm) pada Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa dan semasa membelah.Garis putus-putus menegak menunjukkan kedudukan awal tepi posterior dan anterior MM pada tlys = 0. Warna hijau dan merah jambu sepadan dengan FITC-dextran (70 kDa) dan tPA yang dilabelkan dengan AlexaFluor633, masing-masing.e Isipadu relatif RMs terkurung mengubah masa dengan D0 sebanyak 174 µm (segi tiga songsang terbuka biru), 199 µm (segi tiga terbuka biru), dan 218 µm (segi tiga terbuka biru), dalam saluran mikro kon dengan Xf = 28 ± 1 µm.bahagian mempunyai ΔP 1200, 1800, dan 3000 Pa, masing-masing, dan Q = 1860 ± 70 µm3/s.Inset menunjukkan RM (D0 = 218 µm) menyumbat saluran mikro.f Perubahan masa isipadu relatif SM, MM atau RM diletakkan pada Xf = 32 ± 12 µm, pada ΔP 400, 750 dan 1800 Pa dan ΔP 12300 Pa dan Q 12300 di kawasan kon saluran mikro, masing-masing 2400 dan 18360 µm /s.Xf mewakili kedudukan hadapan mikrogel dan menentukan jaraknya dari permulaan pengecutan.V(tlys) dan V0 masing-masing ialah isipadu sementara mikrogel terlisis dan isipadu mikrogel tidak terganggu.Warna watak sesuai dengan warna dalam b.Anak panah hitam pada e, f sepadan dengan saat terakhir sebelum laluan mikrogel melalui saluran mikro.Bar skala dalam d, e ialah 100 µm.
Untuk menyiasat kesan sekatan ke atas pengurangan aliran bendalir merentas gel fibrin obstruktif, kami mengkaji lisis SM, MM, dan RM yang menyusup dengan pengaktif plasminogen tisu agen trombolytik (tPA).Rajah 3c menunjukkan reka bentuk eksperimen yang digunakan untuk eksperimen lisis. Pada ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) dan kadar aliran, Q = 2400 μm3/s, Tris-buffered saline (TBS) dicampur dengan 0.1 mg/mL (fluorescein isothiocyanate) FITC-Dextran, mikrogel menutup saluran mikro tirus wilayah. Pada ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) dan kadar aliran, Q = 2400 μm3/s, Tris-buffered saline (TBS) dicampur dengan 0.1 mg/mL (fluorescein isothiocyanate) FITC-Dextran, mikrogel menutup saluran mikro tirus wilayah. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) dan скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), смешанного смешанного мсурного цианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. Pada ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) dan kadar aliran, Q = 2400 µm3/s, Tris buffered saline (TBS) dicampur dengan 0.1 mg/mL (fluorescein isothiocyanate) FITC-dextran, mikrogel menutup saluran mikro yang menumpu.wilayah.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（异硫氰酸荐光物时，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 (флуоресцеинизотио) 0.1 мг/мл (флуоресцеинизотио 0.1 мг/мл (флуоресцеинизотио) FITC-Pридна а (<ΔPtr) и скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. Mikrogel dipalamkan apabila Tris buffered saline (TBS) dicampur dengan 0.1mg/mL (fluorescein isothiocyanate) FITC-dextran pada ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) dan kadar aliran Q = 2400 µm3/s Kawasan kon bagi saluran mikro.Kedudukan hadapan Xf mikrogel menentukan jaraknya dari titik pengecutan awal X0.Untuk mendorong lisis, larutan tPA berlabel pendarfluor dalam TBS disuntik dari saluran yang terletak secara ortogon ke paksi panjang saluran mikro utama.
Apabila larutan tPA mencapai MM oklusal, pinggir posterior mikrogel menjadi kabur, menunjukkan bahawa pembelahan fibrin telah bermula pada masa tlys = 0 (Rajah 3d dan Rajah Tambahan 18).Semasa fibrinolisis, tPA berlabel pewarna terkumpul di dalam MM dan mengikat pada helai fibrin, yang membawa kepada peningkatan beransur-ansur dalam keamatan warna merah jambu mikrogel.Pada tlys = 60 min, MM mengecut disebabkan oleh pembubaran bahagian belakangnya, dan kedudukan kelebihan utamanya Xf berubah sedikit.Selepas 160 minit, MM yang menguncup kuat terus menguncup, dan pada tlys = 161 min, ia mengalami penguncupan, dengan itu memulihkan aliran bendalir melalui saluran mikro (Rajah 3d dan Rajah Tambahan 18, lajur kanan).
Pada rajah.3e menunjukkan pengurangan bergantung masa pengantara lisis dalam volum V(tlys) dinormalkan kepada volum awal V0 mikrogel fibrin bersaiz berbeza.CO dengan D0 174, 199, atau 218 µm diletakkan ke dalam saluran mikro dengan ΔP 1200, 1800, atau 3000 Pa, masing-masing, dan Q = 1860 ± 70 µm3/s untuk menyekat saluran mikro (Gamb. 3e, inset).pemakanan.Mikrogel secara beransur-ansur mengecut sehingga ia cukup kecil untuk melalui saluran.Penurunan isipadu kritikal CO dengan diameter awal yang lebih besar memerlukan masa lisis yang lebih lama.Disebabkan aliran serupa melalui RM bersaiz berbeza, belahan berlaku pada kadar yang sama, mengakibatkan penghadaman pecahan lebih kecil RM lebih besar dan translokasi tertunda.Pada rajah.3f menunjukkan pengurangan relatif dalam V(tlys)/V0 disebabkan oleh pemisahan untuk SM, MM, dan RM pada D0 = 197 ± 3 µm diplot sebagai fungsi tlys.Untuk SM, MM dan RM, letakkan setiap mikrogel dalam saluran mikro dengan ΔP 400, 750 atau 1800 Pa dan Q 12300, 2400 atau 1860 µm3/s, masing-masing.Walaupun tekanan yang dikenakan pada SM adalah 4.5 kali lebih rendah daripada RM, aliran melalui SM adalah lebih daripada enam kali lebih kuat disebabkan oleh kebolehtelapan SM yang lebih tinggi, dan pengecutan mikrogel berkurangan dari SM ke MM dan RM .Sebagai contoh, pada tlys = 78 min, SM kebanyakannya terlarut dan tersesar, manakala MM dan PM terus menyumbat saluran mikro, walaupun masing-masing mengekalkan hanya 16% dan 20% daripada jumlah asalnya.Keputusan ini mencadangkan kepentingan lisis pengantara perolakan bagi gel berserabut tersekat dan berkorelasi dengan laporan penghadaman bekuan yang lebih cepat dengan kandungan fibrin yang lebih rendah.
Oleh itu, kerja kami menunjukkan secara eksperimen dan secara teori mekanisme yang mana gel berfilamen bertindak balas terhadap kurungan dwipaksi.Kelakuan gel berserabut dalam ruang terhad ditentukan oleh asimetri kuat tenaga terikan filamen (lembut dalam mampatan dan keras dalam ketegangan) dan hanya oleh nisbah aspek dan kelengkungan filamen.Tindak balas ini mengakibatkan pemanjangan minimum gel berserabut yang terkandung dalam kapilari sempit, nisbah Poisson dwipaksinya berkurangan dengan peningkatan mampatan dan kurang tekanan bit ringan.
Memandangkan pembendungan dwipaksi zarah boleh ubah bentuk lembut digunakan dalam pelbagai teknologi, keputusan kami merangsang pembangunan bahan gentian baharu.Khususnya, pengekalan dwipaksi gel berfilamen dalam kapilari sempit atau tiub membawa kepada pemadatan yang kuat dan penurunan kebolehtelapan yang mendadak.Perencatan kuat aliran bendalir melalui gel berserabut oklusif mempunyai kelebihan apabila digunakan sebagai palam untuk mencegah pendarahan atau mengurangkan bekalan darah kepada malignan33,34,35.Sebaliknya, penurunan dalam aliran bendalir melalui gel fibrin oklusal, dengan itu menghalang lisis trombus pengantara perolakan, memberikan petunjuk lisis perlahan bekuan oklusal [27, 36, 37].Sistem pemodelan kami ialah langkah pertama ke arah memahami implikasi tindak balas mekanikal hidrogel biopolimer berserabut kepada pengekalan dwipaksi.Menggabungkan sel darah atau platelet ke dalam gel fibrin obstruktif akan menjejaskan tingkah laku sekatannya 38 dan akan menjadi langkah seterusnya dalam mendedahkan tingkah laku sistem penting secara biologi yang lebih kompleks.
Reagen yang digunakan untuk menyediakan mikrogel fibrin dan mengarang peranti MF diterangkan dalam Maklumat Tambahan (Kaedah Tambahan Bahagian 2 dan 4).Mikrogel fibrin telah disediakan dengan mengemulsikan larutan campuran fibrinogen, penimbal Tris dan trombin dalam peranti MF memfokus aliran, diikuti dengan penggelan titisan.Larutan fibrinogen lembu (60 mg/ml dalam TBS), penimbal Tris dan larutan trombin lembu (5 U/ml dalam larutan CaCl2 10 mM) ditadbir menggunakan dua pam picagari dikawal secara bebas (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).untuk menyekat MF, Amerika Syarikat).Fasa berterusan minyak F yang mengandungi 1 wt.% kopolimer blok PFPE-P(EO-PO)-PFPE, telah dimasukkan ke dalam unit MF menggunakan pam picagari ketiga.Titisan yang terbentuk dalam peranti MF dikumpulkan dalam tiub emparan 15 ml yang mengandungi minyak F.Letakkan tiub di dalam tab mandi air pada suhu 37 °C selama 1 jam untuk melengkapkan pembekuan fibrin.Mikrogel fibrin berlabel FITC disediakan dengan mencampurkan fibrinogen lembu dan fibrinogen manusia berlabel FITC masing-masing dalam nisbah berat 33:1.Prosedurnya adalah sama seperti penyediaan mikrogel fibrin.
Pindahkan mikrogel daripada minyak F ke TBS dengan mengempar serakan pada 185 g selama 2 minit.Mikrogel termendak ditaburkan dalam minyak F dicampur dengan 20 wt.% perfluorooctyl alcohol, kemudian diserakkan dalam heksana yang mengandungi 0.5 wt.% Span 80, heksana, 0.1 wt.% Triton X dalam air dan TBS.Akhirnya, mikrogel telah tersebar dalam TBS yang mengandungi 0.01 wt% Tween 20 dan disimpan pada suhu 4 ° C selama kira-kira 1-2 minggu sebelum eksperimen.
Pembuatan peranti MF diterangkan dalam Maklumat Tambahan (Kaedah Tambahan Bahagian 5).Dalam eksperimen biasa, nilai positif ΔP ditentukan oleh ketinggian relatif takungan yang disambungkan sebelum dan selepas peranti MF untuk memasukkan mikrogel dengan diameter 150 < D0 < 270 µm ke dalam saluran mikro.Saiz mikrogel yang tidak terganggu ditentukan dengan memvisualisasikannya dalam saluran makro.Mikrogel berhenti di kawasan kon di pintu masuk ke penyempitan.Apabila hujung mikrogel anterior kekal tidak berubah selama 2 minit, gunakan program MATLAB untuk menentukan kedudukan mikrogel di sepanjang paksi-x.Dengan peningkatan bertahap dalam ΔP, mikrogel bergerak di sepanjang kawasan berbentuk baji sehingga ia memasuki penyempitan.Sebaik sahaja mikrogel dimasukkan dan dimampatkan sepenuhnya, ΔP dengan cepat turun kepada sifar, mengimbangi paras air antara takungan, dan mikrogel yang tertutup kekal tidak bergerak di bawah pemampatan.Panjang mikrogel obstruktif diukur 30 minit selepas penyempitan berhenti.
Semasa eksperimen fibrinolisis, larutan t-PA dan dextran berlabel FITC menembusi mikrogel yang disekat.Aliran setiap cecair dipantau menggunakan pengimejan pendarfluor saluran tunggal.TAP dilabelkan dengan AlexaFluor 633 yang dilekatkan pada gentian fibrin dan terkumpul di dalam mikrogel fibrin termampat (saluran TRITC dalam Rajah Tambahan 18).Larutan dextran yang dilabelkan dengan FITC bergerak tanpa terkumpul dalam mikrogel.
Data yang menyokong hasil kajian ini boleh didapati daripada pengarang masing-masing atas permintaan.Imej SEM mentah bagi gel fibrin, imej TEM mentah bagi gel fibrin sebelum dan selepas inokulasi, dan data input utama untuk Rajah 1 dan 2. 2 dan 3 disediakan dalam fail data mentah.Artikel ini menyediakan data asal.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. dan Weisel JV fibrinogen dan fibrin.Dalam Kompleks Protein Makromolekul III: Struktur dan Fungsi (ed. Harris, JR dan Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 ( Springer dan Cham, 2021).
Bosman FT dan Stamenkovich I. Struktur dan komposisi fungsian matriks ekstraselular.J. Pasol.200, 423–428 (2003).
Putera E. dan Kumacheva E. Reka bentuk dan aplikasi hidrogel gentian biomimetik tiruan.Kebangsaan Matt Red.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Memodelkan rangkaian polimer separa fleksibel.Mod Imam.fizik.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. dan Piku, KR Pemodelan mekanikal rangkaian biopolimer separa fleksibel: ubah bentuk bukan afine dan kehadiran kebergantungan jarak jauh.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D, dan Mahadevan L. Penjajaran gel kolagen yang disebabkan oleh tekanan.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS, dan Gianmi PA Keanjalan tak linear biogel.Alam 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress mengawal mekanisme rangkaian kolagen.proses.Akademi Sains Kebangsaan.Sains.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et al.Tekanan normal negatif dalam gel biopolimer separa fleksibel.Almamater negara.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.Keanjalan tak linear bagi rangkaian gentian tegar: pengerasan terikan, tegasan normal negatif, dan penjajaran gentian dalam gel fibrin.J. Fizik.bahan kimia.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.Tingkah laku elastik rangkaian aktin berkait silang dan terikat.Sains 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Mekanik bukan linear rangkaian gentian optik terkawal terikan dengan kawalan kritikal.Fizik kebangsaan.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.Keanjalan rangkaian gentian di bawah prategasan uniaksial.Jirim Lembut 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Kebolehtelapan hidraulik bekuan darah sebagai fungsi ketumpatan fibrin dan platelet.biofizik.Jurnal 104, 1812–1823 (2013).
Li, Y. et al.Kelakuan serba boleh hidrogel dihadkan oleh kapilari sempit.Sains.Rumah 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Kesan heterogeniti patologi pada elastografi gelombang ricih dalam pementasan trombosis urat dalam.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. Kuantifikasi in vivo indurasi darah beku yang bergantung pada masa menggunakan pengimejan ultrasound gelombang ricih dalam model trombosis vena arnab.trombus.tangki simpanan.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Simulasi komputer dinamik pempolimeran fibrin berhubung dengan mikroskop elektron dan pemerhatian kekeruhan: struktur dan pemasangan bekuan dikawal secara kinetik.biofizik.Jurnal 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW dan Lorand, L. Asal struktur reologi bekuan fibrin.biofizik.J. 77, 2813–2826 (1999).
Masa siaran: Feb-23-2023