Дзякуй за наведванне Nature.com.Вы выкарыстоўваеце версію браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Адлюстроўвае карусель з трох слайдаў адначасова.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
Абмежаванне кудзелістых гідрагеляў вузкімі капілярамі мае вялікае значэнне ў біялагічных і біямедыцынскіх сістэмах.Расцяжэнне і аднавосевае сціск кудзелістых гідрагеляў былі шырока вывучаны, але іх рэакцыя на двухвосевае ўтрыманне ў капілярах застаецца недаследаванай.Тут мы дэманструем эксперыментальна і тэарэтычна, што ніткападобныя гелі якасна інакш рэагуюць на абмежаванні, чым гелі з гнуткімі ланцугамі, дзякуючы асіметрыі ў механічных уласцівасцях складовых нітак, якія мяккія пры сціску і жорсткія пры расцяжэнні.Пры моцным утрыманні кудзелісты гель дэманструе невялікае падаўжэнне і асімптатычнае памяншэнне двухвосевага каэфіцыента Пуасона да нуля, што прыводзіць да моцнага ўшчыльнення геля і дрэннага пранікнення вадкасці праз гель.Гэтыя вынікі паказваюць на ўстойлівасць расцягнутых окклюзіонную тромбаў да лізіс тэрапеўтычнымі агентамі і стымулююць развіццё эфектыўнай эндаваскулярнай эмбалізацыі з фіброзных геляў для спынення судзінкавага крывацёку або інгібіравання кровазабеспячэння пухлін.
Фіброзныя сеткі з'яўляюцца асноўнымі структурнымі і функцыянальнымі будаўнічымі блокамі тканін і жывых клетак.Актын з'яўляецца асноўным кампанентам цыташкілета1;фібрына з'яўляецца ключавым элементам у гаенні ран і адукацыі тромбаў2, а калаген, эластін і фібранектын з'яўляюцца кампанентамі пазаклеткавага матрікса ў жывёльным свеце3.Адноўленыя сеткі кудзелістых біяпалімераў сталі матэрыяламі з шырокім прымяненнем у тканкавай інжынерыі4.
Ніткападобныя сеткі ўяўляюць сабой асобны клас біялагічных мяккіх рэчываў з механічнымі ўласцівасцямі, якія адрозніваюцца ад гнуткіх малекулярных сетак5.Некаторыя з гэтых уласцівасцей развіліся ў ходзе эвалюцыі, каб кантраляваць рэакцыю біялагічнай матэрыі на дэфармацыю6.Напрыклад, фіброзныя сеткі дэманструюць лінейную эластычнасць пры невялікіх дэфармацыях7,8, у той час як пры вялікіх дэфармацыях яны дэманструюць павышаную калянасць9,10, падтрымліваючы тым самым цэласнасць тканіны.Наступствы для іншых механічных уласцівасцяў кудзелістых геляў, такіх як адмоўнае нармальнае напружанне ў адказ на зруховую деформацию11,12, яшчэ не выяўлены.
Механічныя ўласцівасці паўгнуткіх кудзелістых гідрагеляў вывучаліся пры аднавосевым расцяжэнні 13, 14 і сціску 8, 15, але іх двухвосевае сцісканне, выкліканае свабодай, у вузкіх капілярах або трубках не вывучалася.Тут мы паведамляем пра эксперыментальныя вынікі і тэарэтычна прапануем механізм паводзін кудзелістых гідрагеляў пры двухвосевым утрыманні ў мікрафлюідных каналах.
Мікрагелі фібрына з рознымі суадносінамі канцэнтрацый фібрынагену і трамбіна і дыяметрам D0 ад 150 да 220 мкм былі атрыманы з дапамогай мікрафлюіднага падыходу (дадатковы малюнак 1).На мал.1а паказаны выявы мікрагеляў, пазначаных флюарахромам, атрыманыя з дапамогай канфакальнай флуарэсцэнтнай мікраскапіі (CFM).Мікрагелі з'яўляюцца сферычнымі, маюць полідысперснасць менш за 5% і маюць аднастайную структуру па маштабах, даследаваных CFM (дадатковая інфармацыя і фільмы S1 і S2).Сярэдні памер пор микрогелей (вызначаны шляхам вымярэння пранікальнасці Дарсі 16) знізіўся з 2280 да 60 нм, утрыманне фібрына павялічылася з 5,25 да 37,9 мг/мл, а канцэнтрацыя трамбіна знізілася з 2,56 да 0,27 адзінак/мл адпаведна.(Дадатковая інфармацыя).Рыс.2), 3 і дадатковая табліца 1).Адпаведная калянасць мікрагеля павялічваецца з 0,85 да 3,6 кПа (дадатковы малюнак 4).У якасці прыкладаў геляў, утвораных з гнуткіх ланцугоў, выкарыстоўваюцца мікрагелі агарозы рознай калянасці.
Фота флуарэсцэнтнай мікраскапіі флуарэсцэнізатыяцыяната (FITC), пазначанага PM, суспензаванага ў TBS.Лінейка шкалы складае 500 мкм.b SEM выявы SM (уверсе) і RM (унізе).Шкала 500 нм.c Прынцыповая дыяграма мікрафлюіднага канала, які складаецца з вялікага канала (дыяметр dl) і звужанай конусападобнай вобласці з вуглом уваходу α 15° і дыяметрам dc = 65 мкм.d Злева направа: выявы RM (дыяметр D0) з аптычнага мікраскопа ў вялікіх каналах, канічнай зоне і звужэнні (лімітавая даўжыня геля Dz).Лінейка шкалы складае 100 мкм.e, f ПЭМ выявы недэфармаванага RM (e) і окклюзированного RM (f), фіксаваныя на працягу адной гадзіны са звужэннем 1/λr = 2,7, з наступным вызваленнем і фіксацыяй 5% масы.глутаральдэгід ў TBS.Дыяметр недэфармаванага СА складае 176 мкм.Лінейка маштабу складае 100 нм.
Мы засяродзіліся на микрогелях фібрына з цвёрдасцю 0,85, 1,87 і 3,6 кпа (далей - мяккія микрогели (SM), микрогели сярэдняй жорсткасці (MM) і жорсткія микрогели (RM) адпаведна).Гэты дыяпазон калянасці фібрынавага геля таго ж парадку, што і для згусткаў крыві 18,19, і, такім чынам, фібрынавыя гелі, вывучаныя ў нашай працы, непасрэдна звязаны з рэальнымі біялагічнымі сістэмамі.На мал.1b паказаны верхняе і ніжняе выявы структур SM і RM, атрыманыя з дапамогай растравага электроннага мікраскопа (SEM), адпаведна.У параўнанні са структурамі RM, сеткі SM утвораны больш тоўстымі валокнамі і меншай колькасцю кропак разгалінавання, што адпавядае папярэднім справаздачам 20, 21 (дадатковы мал. 5).Розніца ў структуры гідрагеля карэлюе з тэндэнцыяй яго уласцівасцяў: пранікальнасць геля памяншаецца з памяншэннем памеру пор ад SM да MM і RM (дадатковая табліца 1), а калянасць геля змяняецца.Ніякіх змяненняў у структуры мікрагеля не было адзначана пасля захоўвання пры 4 °C на працягу 30 дзён (дадатковая мал. 6).
На мал.1c паказвае схему мікрафлюіднага канала з круглым перасекам, які змяшчае (злева направа): вялікі канал дыяметрам dl, у якім мікрагель застаецца недэфармаваным, конусападобны ўчастак з звужэннем дыяметра dc < D0, конус -вобразныя ўчасткі і вялікія каналы дыяметрам dl (дадатковы мал. 7).У тыповым эксперыменце мікрагелі ўводзілі ў мікрафлюідныя каналы пры станоўчым перападзе ціску ΔP 0,2–16 кПа (дадатковы малюнак 8).Гэты дыяпазон ціску адпавядае біялагічна значнаму артэрыяльнаму ціску (120 мм рт. сл. = 16 кпа)22.На мал.1d (злева направа) паказвае рэпрэзентатыўныя выявы RM ў вялікіх каналах, канічных абласцях і звужэннях.Рух і форму микрогеля запісвалі і аналізавалі з дапамогай праграмы MATLAB.Важна адзначыць, што ў звужаюцца абласцях і звужэннях мікрагелі знаходзяцца ў канформным кантакце са сценкамі мікраканалаў (дадатковы мал. 8).Ступень радыяльнага ўтрымання мікрагеля пры звужэнні D0/dc = 1/λr знаходзіцца ў дыяпазоне 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, дзе 1/λr - каэфіцыент сціску.Мікрагель сціскаецца, калі ΔP > ΔPtr, дзе ΔPtr - гэта розніца ціскаў транслакацыі.Даўжыня і памер пор двухвосева абмежаваных мікрагеляў вызначаюцца іх раўнаважным станам, паколькі вельмі важна ўлічваць вязкапругкасць геляў у біялагічных сістэмах.Час раўнавагі для микрогелей агарозы і фібрына складала 10 мін і 30 мін адпаведна.Пасля гэтых прамежкаў часу абмежаваныя мікрагелі дасягнулі свайго стабільнага становішча і формы, якія былі зафіксаваны з дапамогай высакахуткаснай камеры і прааналізаваны з дапамогай MATLAB.
На мал.1e, 1f паказваюць выявы прасвечвае электроннай мікраскапіі (ПЭМ) недэфармаваных і двухвосева абмежаваных структур RM.Пасля сціску RM памер пор мікрагеля значна зменшыўся, і іх форма стала анізатропнай з меншымі памерамі ў напрамку сціску, што адпавядае больш ранняму дакладу 23 .
Двухвосевае сціск падчас скарачэння прымушае мікрагель падаўжацца ў неабмежаваным кірунку з каэфіцыентам λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\), дзе \({D}_{{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) — даўжыня закрытага мікрагеля. На малюнку 2а паказана змяненне λzvs .1/ λr для фібрынавых і агарозных мікрагеляў. Дзіўна, але пры моцным сціску 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2 фібрынавыя мікрагелі дэманструюць нязначнае падаўжэнне 1,12 +/- 0,03 λz, на якое значэнне 1/λr толькі нязначна ўплывае. паводзіны абмежаваныя мікрагелі агарозы, якія назіраюцца нават пры больш слабым сціску 1/λr = 2,6 да большага падаўжэння λz = 1,3.
Мікрагель агарозы эксперыментуе з рознымі модулямі пругкасці (2,6 кПа, зялёны незамкнуты ромб; 8,3 кПа, карычневы незамкнуты круг; 12,5 кПа, аранжавы незамкнуты квадрат; 20,2 кПа, пурпурны адкрыты перавернуты трохкутнік) і SM (суцэльны чырвоны) Змена вымеранага падаўжэння λz ( кругі), MM (суцэльныя чорныя квадраты) і RM (суцэльныя сінія трыкутнікі).Суцэльнымі лініямі паказаны тэарэтычна прадказаны λz для агарозы (зялёная лінія) і фібрынавага мікрагеля (лініі і сімвалы аднаго колеру).b, c Верхняя панэль: схематычная дыяграма сеткавых ланцужкоў агарозы (b) і фібрына (c) да (злева) і пасля (справа) двухвосевага сціску.Унізе: форма адпаведнай сеткі да і пасля дэфармацыі.Напрамкі сціску па x і y пазначаны пурпурнымі і карычневымі стрэлкамі адпаведна.На малюнку вышэй ланцужкі сетак, арыентаваных у гэтых кірунках x і y, паказаны адпаведнымі пурпурнымі і карычневымі лініямі, а ланцужкі, арыентаваныя ў адвольным напрамку z, прадстаўлены зялёнымі лініямі.У фібрынавым гелі (c) фіялетавыя і карычневыя лініі ў напрамках x і y згінаюцца больш, чым у недэфармаваным стане, а зялёныя лініі ў напрамку z згінаюцца і расцягваюцца.Напружанне паміж напрамкамі сціску і расцяжэння перадаецца праз ніткі з прамежкавымі напрамкамі.У агарозных гелях ланцугі ва ўсіх напрамках вызначаюць асматычны ціск, які ўносіць значны ўклад у дэфармацыю геля.d Прагназаванае змяненне двухвосевага каэфіцыента Пуасона, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), для раўнавосевага сціску агарознага (зялёная лінія) і фібрынавага (чырвоная лінія) геляў.На ўстаўцы паказана двухвосевая дэфармацыя геля.e Змена ціску транслакацыі ΔPtr, нармалізаванае на калянасць геля S, нанесена на графік як функцыя ступені сціску для мікрагеляў агарозы і фібрына.Колеры сімвалаў адпавядаюць колерам у (а).Зялёная і чырвоная лініі адлюстроўваюць тэарэтычную залежнасць паміж ΔPtr/S і 1/λr для агарознага і фібрынавага геляў адпаведна.Пункцірная частка чырвонай лініі паказвае павелічэнне ΔPtr пры моцным сціску з-за ўзаемадзеяння паміж валокнамі.
Гэта адрозненне звязана з рознымі механізмамі дэфармацыі сетак фібрына і агарозного микрогеля, якія складаюцца з гнуткіх24 і жорсткіх25 нітак адпаведна.Двухвосевае сціск гнуткіх геляў прыводзіць да памяншэння іх аб'ёму і звязанага з гэтым павышэння канцэнтрацыі і асматычнага ціску, што прыводзіць да падаўжэння геля ў неабмежаваным кірунку.Канчатковае падаўжэнне геля залежыць ад балансу павелічэння энтрапійнай свабоднай энергіі расцягнутых ланцугоў і памяншэння свабоднай энергіі осмасу з-за меншай канцэнтрацыі палімера ў расцягнутым гелі.Пры моцным двухвосевым сціску падаўжэнне геля павялічваецца з λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (гл. мал. 2а ў раздзел абмеркавання 5.3.3).Конформационные змены ў гнуткіх ланцугах і форма адпаведных сетак да і пасля двухвосевага ўтрымання паказаны на мал.2б.
Наадварот, фіброзныя гелі, такія як фібрын, па сваёй сутнасці па-рознаму рэагуюць на двухвосевае ўтрыманне.Ніткі, арыентаваныя пераважна паралельна кірунку сціску, згінаюцца (што памяншае адлегласць паміж папярочнымі сувязямі), у той час як ніткі, пераважна перпендыкулярныя кірунку сціску, выпростваюцца і расцягваюцца пад дзеяннем пругкай сілы, у выніку чаго гель падаўжаецца ( Мал. 1).2c) Структуры недэфармаваных SM, MM і RM былі ахарактарызаваны шляхам аналізу іх SEM і CFM малюнкаў (раздзел IV дадатковага абмеркавання і дадатковы малюнак 9).Вызначыўшы модуль пругкасці (E), дыяметр (d), даўжыню профілю (R0), адлегласць паміж канцамі (L0 ≈ R0) і цэнтральны кут (ψ0) нітак у недэфармаваных фібрынавых мікрагелях (дадатковая табліца 2) - 4), мы знаходзім, што модуль выгібу ніткі \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi} _{0}^{2}{L}_{0}}\) значна меншы за яго модуль пры расцяжэнні\({k}_{{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), таму kb/ks ≈ 0,1 (дадатковая табліца 4).Такім чынам, ва ўмовах двухвосевага ўтрымання геля ніткі фібрына лёгка згінаюцца, але супраціўляюцца расцяжэння.Падаўжэнне ніткападобнай сеткі, падвергнутай двухвосеваму сціску, паказана на дадатковым малюнку 17.
Мы распрацоўваем тэарэтычную афінную мадэль (раздзел V дадатковага абмеркавання і дадатковыя малюнкі 10–16), у якой падаўжэнне валакністага геля вызначаецца з лакальнай раўнавагі пругкіх сіл, якія дзейнічаюць у гелі, і прадказвае, што пры моцнай двухвосевай дэфармацыі λz - 1 пад абмежаваннем
Ураўненне (1) паказвае, што нават пры моцным сціску (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) адбываецца невялікае пашырэнне геля і наступная дэфармацыя падаўжэння насычэнне λz–1 = 0,15 ± 0,05.Такія паводзіны звязаны з (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 і (ii) член у квадратных дужках асімптатычна набліжаецца да \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) для моцных двухвосевых сувязей. Важна адзначыць, што прэфактар \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) не мае нічога агульнага з калянасцю ніткі E, а вызначаецца толькі суадносінамі бакоў ніткі d/L0 і цэнтральным вуглом дугі ψ0, які падобны на SM, MM і RM (дадатковая табліца 4).
Каб яшчэ больш падкрэсліць розніцу ў дэфармацыі, выкліканай свабодай, паміж гнуткімі і ніткападобнымі гелямі, мы ўводзім двухвосевы каэфіцыент Пуасона \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\ліміты_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\to 1}\frac{{\ лямбда } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}}, \) апісвае неабмежаваны арыентацыя дэфармацыі геля ў адказ на аднолькавую дэфармацыю ў двух радыяльных кірунках, і распаўсюджвае гэта на вялікія аднастайныя дэфармацыі \ rm{b }}}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .На мал.2d паказвае \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) для раўнамернага двухвосевага сціску гнуткіх (напрыклад, агарозы) і цвёрдых (напрыклад, фібрынавых) геляў (дадатковае абмеркаванне, раздзел 5.3.4), і падкрэслівае ўзаемасувязь паміж моцнымі адрозненнямі ў рэакцыях на зняволенне. Для агарозных геляў пры моцных абмежаваннях {\rm{eff}}}}}}}}}\) павялічваецца да асімптатычнага значэння 2/3, а для фібрынавых геляў памяншаецца да нуля, паколькі lnλz/lnλr → 0, паколькі λz расце з павелічэннем насычэнне па меры павелічэння λr.Адзначым, што ў эксперыментах закрытыя сферычныя микрогели дэфармуюцца неаднастайна, і іх цэнтральная частка адчувае больш моцнае сціск;аднак экстрапаляцыя да вялікага значэння 1/λr дазваляе параўнаць эксперымент з тэорыяй для раўнамерна дэфармаваных геляў.
Было выяўлена яшчэ адно адрозненне ў паводзінах геляў з гнуткай ланцугом і ніткападобных геляў з-за іх руху пры скарачэнні.Транслокационный ціск ΔPtr, нармалізаваны да калянасці геля S, павялічваўся з павелічэннем сціску (мал. 2e), але пры 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5 фібрынавыя мікрагелі дэманстравалі значна больш нізкія значэнні ΔPtr/S падчас усаджвання.Затрымка агарозного микрогеля прыводзіць да павышэння асматычнага ціску, што прыводзіць да расцяжэння геля ў падоўжным кірунку па меры расцяжэння малекул палімера (мал. 2b, злева) і павышэнню ціску транслокации на ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Наадварот, форма закрытых мікрагеляў фібрына вызначаецца энергетычным балансам нітак радыяльнага сціску і падоўжнага расцяжэння, што прыводзіць да максімальнай падоўжнай дэфармацыі λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}}\).Для 1/λr ≫ 1 змяненне ціску транслакацыі ацэньваецца як 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \справа)\) (Дадатковае абмеркаванне, раздзел 5.4), як паказана суцэльнай чырвонай лініяй на мал. 2e.Такім чынам, ΔPtr менш абмежаваны, чым у агарозных гелях.Для сціску з 1/λr> 3,5 значнае павелічэнне аб'ёмнай долі нітак і ўзаемадзеянне суседніх нітак абмяжоўвае далейшую дэфармацыю геля і прыводзіць да адхіленняў эксперыментальных вынікаў ад прагнозаў (чырвоная пункцірная лінія на мал. 2e).Мы робім выснову, што для аднолькавых 1/λr і Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{{\rm{фібрын}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{агароза}} }} } } } }}\) агарозны гель будзе захоплены мікраканалам, а фібрынавы гель такой жа калянасці пройдзе праз яго.Для ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)))))))))_{{{{{\rm{фібрын)))))))))}\ ), Два. Абодва гелі будуць блакаваць канал, але фібрынавы гель будзе прасоўвацца глыбей і больш эфектыўна сціскацца, больш эфектыўна блакуючы паток вадкасці.Вынікі, паказаныя на малюнку 2, дэманструюць, што фіброзны гель можа служыць эфектыўнай заглушкай для памяншэння крывацёку або інгібіравання кровазабеспячэння пухлін.
З іншага боку, фібрына ўтварае каркас тромба, які прыводзіць да тромбаэмбаліі, паталагічнага стану, пры якім тромб закаркоўвае сасуд пры ΔP < ΔPtr, напрыклад, пры некаторых тыпах ішэмічнага інсульту (мал. 3а).Больш слабае падаўжэнне фібрынавых мікрагеляў, выкліканае рэстрыкцыяй, прывяло да больш моцнага павелічэння канцэнтрацыі фібрына C/C фібрынагену ў параўнанні з гелямі з гнуткай ланцугом, дзе C і C фібрынаген з'яўляюцца абмежаванымі і недэфармаванымі мікрагелямі адпаведна.Канцэнтрацыя палімера ў гелі.На малюнку 3b паказана, што C/C фібрынагену ў SM, MM і RM павялічыўся больш чым у сем разоў пры 1/λr ≈ 4,0, абумоўленае абмежаваннем і дэгідратацыяй (дадатковы малюнак 16).
Схематычны малюнак аклюзіі сярэдняй мазгавой артэрыі галаўнога мозгу.b Абумоўленае рэстрыкцыяй адноснае павышэнне канцэнтрацыі фібрына ў абструктыўная SM (суцэльныя чырвоныя кружочкі), MM (суцэльныя чорныя квадраты) і RM (суцэльныя сінія трыкутнікі).c Эксперыментальны дызайн, які выкарыстоўваецца для вывучэння расшчаплення абмежаваных фібрынавых геляў.Раствор флуарэсцэнтна пазначанага tPA ў TBS быў уведзены з хуткасцю патоку 5,6 × 107 мкм3/с і дадатковым перападам ціску 0,7 Па для каналаў, размешчаных перпендыкулярна доўгай восі асноўнага мікраканала.d Аб'яднаная шматканальная мікраскапічная выява абструктыўнай ММ (D0 = 200 мкм) пры Xf = 28 мкм, ΔP = 700 Па і падчас расшчаплення.Вертыкальныя пункцірныя лініі паказваюць пачатковыя пазіцыі задняга і пярэдняга краёў ММ пры tlys = 0. Зялёны і ружовы колеры адпавядаюць FITC-декстрану (70 кДа) і tPA, пазначаным AlexaFluor633 адпаведна.e Зменлівы ў часе адносны аб'ём аклюзійных RM з D0 174 мкм (сіні адкрыты трохкутнік), 199 мкм (сіні адкрыты трохкутнік) і 218 мкм (сіні адкрыты трохкутнік), адпаведна, у канічным мікраканале з Xf = 28 ± 1 мкм.разрэзы маюць ΔP 1200, 1800 і 3000 Па адпаведна, Q = 1860 ± 70 мкм3/с.Устаўка паказвае RM (D0 = 218 мкм), які закаркоўвае мікраканал.f Змена ў часе адноснага аб'ёму SM, MM або RM, размешчаных пры Xf = 32 ± 12 мкм, пры ΔP 400, 750 і 1800 Па і ΔP 12300 Па і Q 12300 у канічнай вобласці мікраканала адпаведна 2400 і 1860 мкм3 /с.Xf уяўляе пярэдняе становішча мікрагеля і вызначае яго адлегласць ад пачатку ўсаджвання.V(tlys) і V0 - часовы аб'ём лізаванага мікрагеля і аб'ём непарушанага мікрагеля адпаведна.Колеры знакаў адпавядаюць колерам у b.Чорныя стрэлкі на e, f адпавядаюць апошняму моманту часу перад праходжаннем мікрагеляў праз мікраканал.Лінейка маштабу ў d, e роўная 100 мкм.
Каб даследаваць уплыў абмежавання на памяншэнне патоку вадкасці праз абструктыўная фібрынавыя гелі, мы вывучалі лізіс SM, MM і RM, інфільтраваных тромболитическим агентам, тканкавым актыватарам плазминогена (tPA).На малюнку 3c паказаны эксперыментальны дызайн, які выкарыстоўваўся для эксперыментаў па лізісу. Пры ΔP = 700 Па (<ΔPtr) і хуткасці патоку, Q = 2400 мкм3/с, трыс-буфернага фізіялагічнага раствора (TBS), змешанага з 0,1 мг/мл (флуоресцеинизотиоцианата) FITC-декстрана, мікрагель зачыніў канічны мікраканал вобл. Пры ΔP = 700 Па (<ΔPtr) і хуткасці патоку, Q = 2400 мкм3/с, трыс-буфернага фізіялагічнага раствора (TBS), змешанага з 0,1 мг/мл (флуоресцеинизотиоцианата) FITC-декстрана, мікрагель зачыніў канічны мікраканал вобл. Пры ΔP = 700 Па (<ΔPtr) і хуткасці патоку, Q = 2400 мкм3/с, трис-буфернага солевого раствора (TBS), змешанага з 0,1 мг/мл (флуоресцеинизотиоцианата) FITC-дэкстрана, мікрагель перакрываў сужаючы мікраканал. Пры ΔP = 700 Па (<ΔPtr) і хуткасці патоку, Q = 2400 мкм3/с, трыс-буфернага фізіялагічнага раствора (TBS), змешанага з 0,1 мг/мл (флуоресцеинизотиоцианат) FITC-декстрана, мікрагель закрываў збежны мікраканал.вобл.在ΔP = 700 Па (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 мкм3/с 的Tris 缓冲盐水(TBS) 与0,1 мг/мл 的＂硫氰酸荧光素）FITC-葡聚糖混合时，微凝胶堵塞了锥形微通道地区。在ΔP = 700 Па (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 мкм3/с了锥形微通道地区。 Микрогели закупориваются пры змешванні трис-буферного солевого раствора (TBS) з 0,1 мг/мл (флуоресцеинизотиоцианат) FITC-декстрана пры ΔP = 700 Па (<ΔPtr) і хуткасці патоку Q = 2400 мкм3/с Канічныя вобласці мікраканалаў. Мікрагелі закаркоўваліся, калі трыс-буферны фізіялагічны раствор (TBS) змешвалі з 0,1 мг/мл (флуарэсцэін-ізатыёцыянат) FITC-дэкстрана пры ΔP = 700 Па (<ΔPtr) і хуткасці патоку Q = 2400 мкм3/с. Канічныя вобласці мікраканалаў.Пярэдняе становішча Xf мікрагеля вызначае яго адлегласць ад пачатковай кропкі ўсаджвання X0.Каб выклікаць лізіс, раствор флуарэсцэнтна пазначанага tPA ў TBS ўводзілі з канала, размешчанага артаганальна доўгай восі галоўнага мікраканала.
Калі раствор tPA дасягнуў аклюзійнай MM, задні край мікрагеля стаў размытым, што сведчыць аб тым, што расшчапленне фібрына пачалося ў момант tlys = 0 (мал. 3d і дадатковы малюнак 18).Падчас фибринолиза tPA, пазначаны фарбавальнікам, назапашваецца ўнутры ММ і звязваецца з ніткамі фібрына, што прыводзіць да паступовага павелічэння інтэнсіўнасці ружовага колеру микрогелей.Пры tlys = 60 мін ММ сціскаецца за кошт роспуску яго задняй часткі, а становішча яго пярэдняга краю Xf змяняецца мала.Праз 160 мін моцна сціснуты ММ працягваў скарачацца, і пры tlys = 161 мін ён падвергся скарачэнню, тым самым аднаўляючы паток вадкасці праз мікраканал (мал. 3d і дадатковы малюнак 18, правы слупок).
На мал.На малюнку 3e паказана залежнае ад часу лізіс памяншэнне аб'ёму V(tlys), нармалізаванага да пачатковага аб'ёму V0 мікрагеляў фібрына розных памераў.CO з D0 174, 199 або 218 мкм быў змешчаны ў мікраканал з ΔP 1200, 1800 або 3000 Па адпаведна і Q = 1860 ± 70 мкм3/с, каб блакаваць мікраканал (мал. 3e, устаўка).харчаванне.Мікрагелі паступова скарачаюцца, пакуль не стануць дастаткова малымі, каб прайсці праз каналы.Памяншэнне крытычнага аб'ёму СА пры большым пачатковым дыяметры патрабуе больш працяглага часу лізіс.З-за падобнага патоку праз RM рознага памеру расшчапленне адбываецца з аднолькавай хуткасцю, што прыводзіць да пераварвання меншых фракцый больш буйных RM і іх запаволенай транслокации.На мал.3f паказвае адноснае памяншэнне V(tlys)/V0 з-за расшчаплення для SM, MM і RM пры D0 = 197 ± 3 мкм, нанесенае як функцыя tlys.Для SM, MM і RM змесціце кожны мікрагель у мікраканал з ΔP 400, 750 або 1800 Па і Q 12300, 2400 або 1860 мкм3/с адпаведна.Нягледзячы на тое, што ціск, прыкладзены да SM, быў у 4,5 разы ніжэйшы, чым у RM, паток праз SM быў больш чым у шэсць разоў мацнейшы з-за больш высокай пранікальнасці SM, і ўсаджванне мікрагеля паменшылася ад SM да MM і RM. .Напрыклад, пры tlys = 78 мін SM у асноўным раствараецца і выцясняецца, у той час як MM і PM працягваюць закаркоўваць мікраканалы, нягледзячы на захаванне толькі 16% і 20% ад першапачатковага аб'ёму адпаведна.Гэтыя вынікі сведчаць аб важнасці апасродкаванага канвекцыяй лізісу звужаных фіброзных геляў і карэлююць з паведамленнямі аб больш хуткім пераварванні згусткаў з меншым утрыманнем фібрына.
Такім чынам, наша праца дэманструе эксперыментальна і тэарэтычна механізм, з дапамогай якога ніткападобныя гелі рэагуюць на двухвосевае абмежаванне.Паводзіны кудзелістых геляў у абмежаванай прасторы вызначаецца моцнай асіметрыяй энергіі дэфармацыі нітак (мяккіх пры сціску і цвёрдых пры расцяжэнні) і толькі суадносінамі бакоў і крывізной нітак.Гэтая рэакцыя прыводзіць да мінімальнага падаўжэння кудзелістых геляў, якія змяшчаюцца ў вузкіх капілярах, іх двухвосевы каэфіцыент Пуасона памяншаецца з павелічэннем сціску і меншым лёгкім ціскам.
Паколькі двухвосевае ўтрыманне мяккіх дэфармаваных часціц выкарыстоўваецца ў шырокім спектры тэхналогій, нашы вынікі стымулююць распрацоўку новых кудзелістых матэрыялаў.У прыватнасці, двухвосевае ўтрыманне ніткападобных геляў у вузкіх капілярах або трубках прыводзіць да іх моцнага ўшчыльнення і рэзкага зніжэння пранікальнасці.Моцнае інгібіраванне патоку вадкасці праз окклюзіонные фіброзныя гелі мае перавагі пры выкарыстанні ў якасці коркаў для прадухілення крывацёку або памяншэння кровазабеспячэння злаякасных новаўтварэнняў33,34,35.З іншага боку, памяншэнне патоку вадкасці праз окклюзіонную фібрынавы гель, тым самым інгібіруючы апасродкаваны канвекцыяй лізіс тромбаў, паказвае на павольны лізіс окклюзіонной згусткаў [27, 36, 37].Наша сістэма мадэлявання - гэта першы крок да разумення наступстваў механічнай рэакцыі кудзелістых біяпалімерных гідрагеляў на двухвосевае ўтрыманне.Уключэнне клетак крыві або трамбацытаў у абструктыўная фібрынавых гелі паўплывае на іх рэстрыкцыйныя паводзіны 38 і стане наступным крокам у раскрыцці паводзін больш складаных біялагічна значных сістэм.
Рэагенты, якія выкарыстоўваюцца для падрыхтоўкі фібрынавых мікрагеляў і вырабу прылад MF, апісаны ў дадатковай інфармацыі (раздзелы 2 і 4 дадатковых метадаў).Мікрагелі фібрына былі падрыхтаваны шляхам эмульгирования змешанага раствора фібрынаген, трис-буфера і трамбіна ў прыладзе для факусоўкі патоку MF з наступным гелеўтварэннем кропель.Раствор бычынага фібрынаген (60 мг/мл у TBS), буфер Tris і раствор бычынага трамбіна (5 ЕД/мл у 10 мМ растворы CaCl2) ўводзілі з дапамогай двух незалежна кіраваных шпрыцавых помпаў (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).блакаваць MF, ЗША).F-алей бесперапыннай фазы, якая змяшчае 1 мас.% блок-супалімера PFPE-P(EO-PO)-PFPE, быў уведзены ў блок MF з дапамогай трэцяга шпрыца помпы.Кропелькі, якія ўтвараюцца ў прыладзе MF, збіраюцца ў цэнтрыфужную прабірку аб'ёмам 15 мл, якая змяшчае F-алей.Змесціце прабіркі на вадзяную лазню пры 37 °C на 1 гадзіну для завяршэння гелеутворення фібрына.Мікрагель фібрына, пазначаны FITC, рыхтавалі шляхам змешвання бычынага фібрынагену і фібрынагену чалавека, пазначанага FITC, у вагавых суадносінах 33:1 адпаведна.Працэдура такая ж, як і для падрыхтоўкі микрогеля фібрына.
Перанясіце мікрагелі з масла F у TBS шляхам цэнтрыфугавання дысперсіі пры 185 г на працягу 2 хвілін.Асаджаныя мікрагелі диспергировали ў алеі F, змешаным з 20 мас.% перфтороктилового спірту, затым диспергировали ў гексане, які змяшчае 0,5 мас.% Span 80, гексан, 0,1 мас.% Triton X у вадзе і TBS.Нарэшце, мікрагелі диспергировали ў TBS, які змяшчае 0,01 мас.% Tween 20, і захоўвалі пры 4°C на працягу прыкладна 1-2 тыдняў да эксперыментаў.
Выраб прылады MF апісаны ў Дадатковай інфармацыі (раздзел 5 дадатковых метадаў).У тыповым эксперыменце станоўчае значэнне ΔP вызначаецца адноснай вышынёй рэзервуараў, падлучаных да і пасля прылады MF для ўвядзення мікрагеляў дыяметрам 150 < D0 < 270 мкм у мікраканалы.Непарушаны памер мікрагеляў быў вызначаны шляхам іх візуалізацыі ў макраканале.Микрогель спыняецца ў канічнай вобласці на ўваходзе ў перацяжку.Калі кончык пярэдняга мікрагеля застаецца нязменным на працягу 2 хвілін, выкарыстоўвайце праграму MATLAB, каб вызначыць становішча мікрагеля ўздоўж восі х.Пры ступенчатым павышэнні ΔP микрогель рухаецца ўздоўж клінаватай вобласці да ўваходжання ў перацяжку.Пасля таго як мікрагель цалкам устаўлены і сціснуты, ΔP хутка падае да нуля, ураўнаважваючы ўзровень вады паміж рэзервуарамі, і закрыты мікрагель застаецца нерухомым пры сціску.Даўжыню абструктыўная микрогеля вымяралі праз 30 хвілін пасля спынення звужэння.
Падчас эксперыментаў па фибринолизу растворы t-PA і FITC-пазначаных декстрана пранікаюць у заблакаваныя микрогели.Паток кожнай вадкасці кантраляваўся з дапамогай аднаканальнай флуарэсцэнтнай візуалізацыі.TAP, пазначаны AlexaFluor 633, прымацаваны да фібрынавых валокнаў і назапашаны ўнутры сціснутых фібрынавых мікрагеляў (канал TRITC на дадатковым малюнку 18).Раствор декстрана, пазначаны FITC, рухаецца без назапашвання ў микрогеле.
Дадзеныя, якія пацвярджаюць вынікі гэтага даследавання, можна атрымаць у адпаведных аўтараў па запыце.Неапрацаваныя SEM выявы фібрынавых геляў, неапрацаваныя ТЭМ выявы фібрынавых геляў да і пасля прышчэпкі, а таксама асноўныя ўваходныя даныя для малюнкаў 1 і 2. 2 і 3 прадстаўлены ў файле зыходных даных.У гэтым артыкуле прадстаўлены зыходныя дадзеныя.
Літвінаў Р. І., Петерс М., дэ Ланге-Лутс З. і Вайзель Я. В. фібрынаген і фібрына.У макрамалекулярным бялковым комплексе III: структура і функцыя (рэд. Harris, JR і Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (Springer and Cham, 2021).
Босман Ф. Т. і Стаменковіч І. Функцыянальная структура і склад пазаклеткавага матрікса.Ж. Пасол.200, 423–428 (2003).
Князь Е. і Кумачева Е. Дызайн і прымяненне гідрагеляў штучных біяміметычных валокнаў.Нацыянальны Мэт Рэд.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Мадэляванне паўгнуткіх палімерных сетак.Святар Mod.фізіка.86, 995–1036 (2014).
Хатамі-Марбіні, Х. і Піку, К. Р. Механічнае мадэляванне паўгнуткіх біяпалімерных сетак: неафінная дэфармацыя і наяўнасць далёкіх залежнасцей.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D і Mahadevan L. Стрэс-індукаванае выраўноўванне калагенавых геляў.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS і Gianmi PA. Нелінейная эластычнасць біягеляў.Nature 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Стрэс кантралюе механізмы коллагеновой сеткі.працэс.Нацыянальная акадэмія навук.навука.ЗША 112, 9573–9578 (2015).
Джанмі, Пенсільванія і інш.Адмоўны нармальны стрэс у паўгнуткіх біяпалімерных гелях.Нацыянальная alma mater.6, 48–51 (2007).
Кан, Х. і інш.Нелінейная эластычнасць жорсткіх валаконных сетак: дэфармацыйнае ўмацаванне, адмоўнае нармальнае напружанне і выраўноўванне валокнаў у фібрынавых гелях.Ж. Фізіка.Хімічны.V. 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML і інш.Пругкія паводзіны сшытых і звязаных сетак актыну.Навука 304, 1301–1305 (2004).
Шарма, А. і інш.Нелінейная механіка валаконна-аптычных сетак з дэфармацыйным кіраваннем і крытычным кіраваннем.Айчынная фізіка.12, 584–587 (2016).
Вахабі, М. і інш.Эластычнасць валаконных сетак пры аднавосевым папярэднім напружанні.Мяккая матэрыя 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Гідраўлічная пранікальнасць згустку крыві ў залежнасці ад шчыльнасці фібрына і трамбацытаў.біяфізіка.Часопіс 104, 1812–1823 (2013).
Лі, Ю. і інш.Універсальныя паводзіны гідрагеляў абмежаваныя вузкімі капілярамі.навука.Дом 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Уплыў паталагічнай гетэрагеннасці на эластаграфію зруху хваль пры пастаноўцы трамбозу глыбокіх вен.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo колькасная ацэнка залежнага ад часу ўшчыльнення тромбаў з выкарыстаннем ультрагукавога візуалізацыі зрухавай хвалі ў мадэлі вянознага трамбозу труса.тромб.назапашвальны бак.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Камп'ютэрнае мадэляванне дынамікі полімерызацыі фібрына ў сувязі з электроннай мікраскапіяй і назіраннямі за мутнасцю: структура згустку і зборка кінэтычна кантралююцца.біяфізіка.Часопіс 63, 111–128 (1992).
Раян, EA, Mokros, LF, Weisel, JW і Lorand, L. Структурнае паходжанне рэалогіі фібрынавага згустку.біяфізіка.J. 77, 2813–2826 (1999).
Час публікацыі: 23 лютага 2023 г