Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Geeft een carrousel van drie dia's tegelijk weer.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
De beperking van vezelachtige hydrogels tot smalle haarvaten is van groot belang in biologische en biomedische systemen.Spanning en uniaxiale compressie van vezelachtige hydrogels zijn uitgebreid bestudeerd, maar hun reactie op biaxiale retentie in capillairen blijft onontgonnen.Hier demonstreren we experimenteel en theoretisch dat filamenteuze gels kwalitatief anders reageren op beperkingen dan gels met flexibele ketens vanwege de asymmetrie in de mechanische eigenschappen van de samenstellende filamenten, die zacht zijn bij compressie en stijf bij spanning.Bij sterke retentie vertoont de vezelige gel weinig rek en een asymptotische afname van de biaxiale Poisson-verhouding tot nul, resulterend in sterke gelverdichting en slechte vloeistofpermeatie door de gel.Deze resultaten duiden op de weerstand van uitgerekte occlusieve trombi tegen lysis door therapeutische middelen en stimuleren de ontwikkeling van effectieve endovasculaire embolisatie uit vezelachtige gels om vasculaire bloedingen te stoppen of de bloedtoevoer naar tumoren te remmen.
Vezelnetwerken zijn de fundamentele structurele en functionele bouwstenen van weefsels en levende cellen.Actine is een belangrijk onderdeel van het cytoskelet1;fibrine is een sleutelelement bij wondgenezing en trombusvorming2, en collageen, elastine en fibronectine zijn componenten van de extracellulaire matrix in het dierenrijk3.Teruggewonnen netwerken van vezelachtige biopolymeren zijn materialen geworden met brede toepassingen in weefselmanipulatie4.
Filamenteuze netwerken vertegenwoordigen een aparte klasse van biologische zachte materie met mechanische eigenschappen die verschillen van flexibele moleculaire netwerken5.Sommige van deze eigenschappen zijn in de loop van de evolutie geëvolueerd om de reactie van biologische materie op vervorming te beheersen6.Vezelige netwerken vertonen bijvoorbeeld lineaire elasticiteit bij kleine spanningen, terwijl ze bij grote spanningen een verhoogde stijfheid vertonen9,10, waardoor de weefselintegriteit behouden blijft.De implicaties voor andere mechanische eigenschappen van vezelige gels, zoals negatieve normale spanning als reactie op schuifspanning 11,12, moeten nog worden ontdekt.
De mechanische eigenschappen van semi-flexibele vezelachtige hydrogels zijn bestudeerd onder uniaxiale spanning en compressie, maar hun door vrijheid geïnduceerde biaxiale compressie in nauwe capillairen of buizen is niet onderzocht.Hier rapporteren we experimentele resultaten en stellen we theoretisch een mechanisme voor voor het gedrag van vezelige hydrogels onder biaxiale retentie in microfluïdische kanalen.
Fibrinemicrogels met verschillende verhoudingen van fibrinogeen- en trombineconcentraties en een D0-diameter variërend van 150 tot 220 µm werden gegenereerd met behulp van een microfluïdische benadering (aanvullende figuur 1).Op afb.La toont afbeeldingen van met fluorochroom gelabelde microgels verkregen met behulp van confocale fluorescentiemicroscopie (CFM).De microgels zijn bolvormig, hebben een polydispersiteit van minder dan 5% en zijn uniform van structuur over de schalen onderzocht door CFM (aanvullende informatie en films S1 en S2).De gemiddelde poriegrootte van de microgels (bepaald door het meten van de Darcy-permeabiliteit16) daalde van 2280 naar 60 nm, het fibrinegehalte nam toe van 5,25 naar 37,9 mg/ml en de trombineconcentratie daalde van respectievelijk 2,56 naar 0,27 eenheden/ml.(Extra informatie).Rijst.2), 3 en aanvullende tabel 1).De overeenkomstige stijfheid van de microgel neemt toe van 0,85 naar 3,6 kPa (aanvullende figuur 4).Als voorbeelden van gels gevormd uit flexibele ketens worden agarosemicrogels met verschillende stijfheden gebruikt.
Fluorescentiemicroscopiebeeld van met fluoresceïne-isothiocyanaat (FITC) gelabeld PM gesuspendeerd in TBS.De staafschaal is 500 µm.b SEM-afbeeldingen van SM (boven) en RM (onder).Schaalbalk 500 nm.c Schematisch diagram van een microfluïdisch kanaal bestaande uit een groot kanaal (diameter dl) en een versmald kegelvormig gebied met een ingangshoek α van 15° en een diameter van dc = 65 µm.d Van links naar rechts: optische microscoopbeelden van RM (diameter D0) in grote kanalen, conische zone en vernauwing (beperkende gellengte Dz).De staafschaal is 100 µm.e, f TEM-afbeeldingen van een onvervormde RM (e) en een afgesloten RM (f), gedurende één uur gefixeerd met vernauwing 1/λr = 2,7, gevolgd door loslaten en fixeren van 5% van de massa.glutaaraldehyde in TBS.De diameter van het onvervormde CO is 176 μm.De schaalbalk is 100 nm.
We concentreerden ons op fibrinemicrogels met een hardheid van 0,85, 1,87 en 3,6 kPa (hierna respectievelijk zachte microgels (SM), medium harde microgels (MM) en harde microgels (RM) genoemd).Dit bereik van fibrinegelstijfheid is van dezelfde orde van grootte als voor bloedstolsels en daarom zijn de fibrinegels die in ons werk worden bestudeerd direct gerelateerd aan echte biologische systemen.Op afb.Figuur 1b toont de boven- en onderafbeeldingen van de SM- en RM-structuren verkregen met behulp van respectievelijk een scanning-elektronenmicroscoop (SEM).Vergeleken met RM-structuren worden SM-netwerken gevormd door dikkere vezels en minder vertakkingspunten, consistent met eerdere rapporten 20, 21 (aanvullende figuur 5).Het verschil in de structuur van de hydrogel correleert met de trend van zijn eigenschappen: de permeabiliteit van de gel neemt af met afnemende poriegrootte van SM naar MM en RM (aanvullende tabel 1), en de stijfheid van de gel keert om.Er werden geen veranderingen in de microgelstructuur opgemerkt na opslag bij 4 ° C gedurende 30 dagen (aanvullende figuur 6).
Op afb.1c toont een diagram van een microfluïdisch kanaal met een cirkelvormige dwarsdoorsnede met daarin (van links naar rechts): een groot kanaal met een diameter dl waarin de microgel onvervormd blijft, een kegelvormig gedeelte met een vernauwing in diameter dc < D0, kegel -vormige secties en grote kanalen met een diameter dl (aanvullende afbeelding 7).In een typisch experiment werden microgels geïnjecteerd in microfluïdische kanalen bij een positieve drukval AP van 0,2–16 kPa (aanvullende figuur 8).Dit drukbereik komt overeen met een biologisch significante bloeddruk (120 mm Hg = 16 kPa)22.Op afb.1d (van links naar rechts) toont representatieve afbeeldingen van RM in grote kanalen, conische gebieden en vernauwingen.De beweging en vorm van de microgel werden geregistreerd en geanalyseerd met behulp van het MATLAB-programma.Het is belangrijk op te merken dat de microgels in de taps toelopende gebieden en vernauwingen in conform contact staan met de wanden van de microkanalen (aanvullende figuur 8).De mate van radiale retentie van de microgel bij vernauwing D0/dc = 1/λr ligt in het bereik van 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, waarbij 1/λr de compressieverhouding is.De microgel krimpt wanneer ΔP > ΔPtr, waarbij ΔPtr het translocatiedrukverschil is.De lengte en grootte van de poriën van biaxiaal beperkte microgels worden bepaald door hun evenwichtstoestand, aangezien het erg belangrijk is om rekening te houden met de visco-elasticiteit van gels in biologische systemen.De evenwichtstijd voor agarose- en fibrinemicrogels was respectievelijk 10 minuten en 30 minuten.Na deze tijdsintervallen bereikten de beperkte microgels hun stabiele positie en vorm, die werd vastgelegd met behulp van een hogesnelheidscamera en geanalyseerd met behulp van MATLAB.
Op afb.1e, 1f tonen transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden van onvervormde en biaxiaal beperkte RM-structuren.Na RM-compressie nam de poriegrootte van de microgel aanzienlijk af en werd hun vorm anisotroop met kleinere afmetingen in de richting van compressie, wat consistent is met een eerder rapport 23 .
Biaxiale compressie tijdens contractie zorgt ervoor dat de microgel in een onbeperkte richting uitrekt met een coëfficiënt λz = \({D}_{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\) , waarbij \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) de lengte is van de gesloten microgel. Figuur 2a toont de verandering in λzvs .1/ λr voor fibrine- en agarosemicrogels Verrassend genoeg vertonen fibrinemicrogels onder sterke compressie van 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2 een verwaarloosbare verlenging van 1,12 +/- 0,03 λz, die slechts in geringe mate wordt beïnvloed door de waarde van 1/λr. beperkte agarosemicrogels, die zelfs bij zwakkere compressie 1/λr = 2,6 tot een grotere verlenging λz = 1,3 worden waargenomen.
a Agarose-microgel experimenteert met verschillende elastische moduli (2,6 kPa, groene open diamant; 8,3 kPa, bruine open cirkel; 12,5 kPa, oranje open vierkant; 20,2 kPa, magenta open omgekeerde driehoek) en SM (effen rood) Verandering in gemeten rek λz ( cirkels), MM (effen zwarte vierkanten) en RM (effen blauwe driehoeken).Doorgetrokken lijnen tonen de theoretisch voorspelde λz voor agarose (groene lijn) en fibrinemicrogels (lijnen en symbolen van dezelfde kleur).b, c Bovenpaneel: schematisch diagram van netwerkketens van agarose (b) en fibrine (c) vóór (links) en na (rechts) biaxiale compressie.Onder: Vorm van het overeenkomstige netwerk voor en na vervorming.De x- en y-compressierichtingen worden respectievelijk aangegeven door magenta en bruine pijlen.In de bovenstaande figuur worden ketens van netwerken georiënteerd in deze x- en y-richtingen weergegeven met de overeenkomstige magenta en bruine lijnen, en worden ketens georiënteerd in een willekeurige z-richting weergegeven door groene lijnen.In de fibrinegel (c) buigen de paarse en bruine lijnen in de x- en y-richting meer dan in de onvervormde toestand, en buigen en rekken de groene lijnen in de z-richting.De spanning tussen de richtingen van compressie en spanning wordt overgedragen via draden met tussenliggende richtingen.Bij agarosegels bepalen de ketens in alle richtingen de osmotische druk, wat een significante bijdrage levert aan de vervorming van de gel.d Voorspelde verandering in de biaxiale Poisson-verhouding, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), voor equibiaxiale compressie van agarose (groene lijn) en fibrine (rode lijn) gels.De inzet toont de biaxiale vervorming van de gel.e Translocatiedrukverandering ΔPtr, genormaliseerd naar gelstijfheid S, wordt uitgezet als een functie van de compressieverhouding voor agarose- en fibrinemicrogels.De symboolkleuren komen overeen met de kleuren in (a).De groene en rode lijnen geven de theoretische relatie weer tussen ΔPtr/S en 1/λr voor respectievelijk agarose- en fibrinegels.Het gestippelde deel van de rode lijn toont de toename van ΔPtr onder sterke compressie als gevolg van intervezelinteracties.
Dit verschil houdt verband met verschillende mechanismen van vervorming van fibrine- en agarose-microgelnetwerken, die respectievelijk uit flexibele en stijve draden bestaan.Biaxiale compressie van flexibele gels leidt tot een afname van hun volume en een daarmee gepaard gaande toename van de concentratie en osmotische druk, wat leidt tot een verlenging van de gel in onbeperkte richting.De uiteindelijke verlenging van de gel hangt af van het evenwicht tussen een toename van de entropische vrije energie van de uitgerekte ketens en een afname van de vrije energie van osmose als gevolg van de lagere polymeerconcentratie in de uitgerekte gel.Onder sterke biaxiale compressie neemt de verlenging van de gel toe met λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (zie figuur 2a in discussiesectie 5.3.3).De conformationele veranderingen in flexibele ketens en de vorm van de overeenkomstige netwerken voor en na biaxiale retentie worden getoond in Fig.2b.
Daarentegen reageren vezelachtige gels zoals fibrine inherent anders op biaxiale retentie.De filamenten die overwegend evenwijdig aan de compressierichting zijn georiënteerd, buigen (waardoor de afstand tussen de verknopingen wordt verkleind), terwijl de filamenten die voornamelijk loodrecht op de compressierichting staan, recht worden en uitrekken onder invloed van de elastische kracht, waardoor de gel langer wordt ( Figuur 1).2c) De structuren van de onvervormde SM, MM en RM werden gekarakteriseerd door het analyseren van hun SEM- en CFM-beelden (aanvullende discussiesectie IV en aanvullende figuur 9).Door het bepalen van de elastische modulus (E), diameter (d), profiellengte (R0), afstand tussen de uiteinden (L0 ≈ R0) en centrale hoek (ψ0) van de strengen in onvervormde fibrinemicrogels (aanvullende tabel 2) – 4), we vinden dat de draadbuigmodulus \({k}_{{{{{{\rm{b)}))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) is aanzienlijk kleiner dan de trekmodulus\({k}_{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), dus kb/ks ≈ 0,1 (aanvullende tabel 4).Onder omstandigheden van biaxiale gelretentie worden de fibrinestrengen dus gemakkelijk gebogen, maar zijn ze bestand tegen strekken.De verlenging van een draadvormig netwerk onderworpen aan biaxiale compressie wordt getoond in aanvullende figuur 17.
We ontwikkelen een theoretisch affien model (aanvullende discussie, sectie V en aanvullende figuren 10-16) waarin de verlenging van een vezelachtige gel wordt bepaald op basis van het lokale evenwicht van de elastische krachten die in de gel werken en voorspelt dat bij een sterke biaxiale spanning λz - 1 onder de beperking
Vergelijking (1) laat zien dat zelfs onder sterke compressie (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) er een lichte gelexpansie is en daaropvolgende rekvervorming bij verzadiging λz–1 = 0,15 ± 0,05.Dit gedrag houdt verband met (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 en (ii) de term tussen vierkante haakjes benadert asymptotisch \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) voor sterke biaxiale bindingen. Het is belangrijk op te merken dat de prefactor \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) heeft niets te maken met de stijfheid van de draad E, maar wordt alleen bepaald door de aspectverhouding van de draad d/L0 en de centrale hoek van de boog ψ0, vergelijkbaar met SM, MM en RM (aanvullende tabel 4).
Om het verschil in vrijheidsgeïnduceerde spanning tussen flexibele en filamenteuze gels verder te benadrukken, introduceren we de biaxiale Poisson-verhouding \({\nu }_{{{({\rm{b))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) beschrijft een onbegrensd oriëntatie van gelspanning als reactie op gelijke spanning in twee radiale richtingen, en breidt dit uit tot grote uniforme spanningen \ rm{b }}}}}}}}^{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Op afb.2d toont \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) voor uniforme biaxiale compressie van flexibele (zoals agarose) en stijve (zoals fibrine) gels (aanvullende discussie, paragraaf 5.3.4), en benadrukt de relatie tussen sterke verschillen in reacties op opsluiting. Voor agarosegels onder sterke beperkingen neemt {\rm{eff}}}}}}}}\) toe tot de asymptotische waarde 2/3, en voor fibrinegels neemt deze af tot nul, aangezien lnλz/lnλr → 0, aangezien λz toeneemt met verzadiging naarmate λr toeneemt.Merk op dat bij experimenten gesloten bolvormige microgels inhomogeen vervormen en dat hun centrale deel een sterkere compressie ervaart;extrapolatie naar een grote waarde van 1/λr maakt het echter mogelijk om het experiment te vergelijken met de theorie voor uniform vervormde gels.
Een ander verschil in het gedrag van flexibele ketengels en filamenteuze gels werd gevonden als gevolg van hun beweging bij contractie.De translocatiedruk ΔPtr, genormaliseerd naar gelstijfheid S, nam toe met toenemende compressie (Fig. 2e), maar bij 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5 vertoonden fibrinemicrogels significant lagere waarden van ΔPtr/S tijdens krimp.Het vasthouden van de agarosemicrogel leidt tot een toename van de osmotische druk, wat leidt tot het uitrekken van de gel in de longitudinale richting terwijl de polymeermoleculen worden uitgerekt (Fig. 2b, links) en een toename van de translocatiedruk door ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Integendeel, de vorm van gesloten fibrinemicrogels wordt bepaald door de energiebalans van de draden van radiale compressie en longitudinale spanning, wat leidt tot de maximale longitudinale vervorming λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Voor 1/λr ≫ 1 wordt de verandering in translocatiedruk geschaald als 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (Aanvullende discussie, sectie 5.4), zoals weergegeven door de ononderbroken rode lijn in figuur 2e.APtr is dus minder beperkt dan in agarosegels.Voor compressies met 1/λr > 3,5 beperkt een significante toename van de volumefractie van filamenten en de interactie van aangrenzende filamenten verdere vervorming van de gel en leidt tot afwijkingen van experimentele resultaten van voorspellingen (rode stippellijn in figuur 2e).We concluderen dat voor dezelfde 1/λr en Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}_{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) de agarosegel wordt opgevangen door het microkanaal en de fibrinegel met dezelfde stijfheid zal er doorheen gaan.Voor ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr)})))))))_{{{{{\rm{fibrine)}))))))}\ ), Twee Beide gels zullen het kanaal blokkeren, maar de fibrinegel zal dieper duwen en effectiever comprimeren, waardoor de vloeistofstroom effectiever wordt geblokkeerd.De resultaten getoond in Figuur 2 tonen aan dat de vezelige gel kan dienen als een effectieve plug om bloedingen te verminderen of de bloedtoevoer naar tumoren te remmen.
Aan de andere kant vormt fibrine een stolselplatform dat leidt tot trombo-embolie, een pathologische aandoening waarbij een trombus een bloedvat afsluit bij AP < APtr, zoals bij sommige soorten ischemische beroerte (Fig. 3a).De zwakkere restrictie-geïnduceerde verlenging van fibrinemicrogels resulteerde in een sterkere toename van de fibrineconcentratie van C/C-fibrinogeen vergeleken met gels met flexibele keten, waarbij C- en C-fibrinogeen respectievelijk beperkte en onvervormde microgels zijn.Polymeerconcentratie in de gel.Figuur 3b laat zien dat fibrinogeen C/C in SM, MM en RM meer dan zevenvoudig toenam bij 1/λr ≈ 4,0, aangedreven door restrictie en dehydratie (aanvullende figuur 16).
Schematische weergave van occlusie van de middelste hersenslagader in de hersenen.b Restrictie-gemedieerde relatieve toename van de fibrineconcentratie in obstructieve SM (ononderbroken rode cirkels), MM (ononderbroken zwarte vierkanten) en RM (ononderbroken blauwe driehoeken).c Experimenteel ontwerp gebruikt om de splitsing van beperkte fibrinegels te bestuderen.Een oplossing van fluorescent gelabeld tPA in TBS werd geïnjecteerd met een stroomsnelheid van 5,6 x 107 µm3/s en een extra drukval van 0,7 Pa voor kanalen die loodrecht op de lange as van het hoofdmicrokanaal stonden.d Gepoolde meerkanaals microscopisch beeld van obstructieve MM (D0 = 200 µm) bij Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa en tijdens splitsing.Verticale stippellijnen tonen de beginposities van de achterste en voorste randen van de MM bij tlys = 0. Groene en roze kleuren komen respectievelijk overeen met FITC-dextran (70 kDa) en tPA gelabeld met AlexaFluor633.e Tijdsvariërend relatief volume van afgesloten RM's met D0 van respectievelijk 174 µm (blauwe open omgekeerde driehoek), 199 µm (blauwe open driehoek) en 218 µm (blauwe open driehoek), in een conisch microkanaal met Xf = 28 ± 1 µm.de secties hebben respectievelijk ΔP 1200, 1800 en 3000 Pa, en Q = 1860 ± 70 µm3/s.De inzet toont RM (D0 = 218 µm) die het microkanaal verstopt.f Tijdsvariatie van het relatieve volume van SM, MM of RM geplaatst op Xf = 32 ± 12 µm, bij ΔP 400, 750 en 1800 Pa en ΔP 12300 Pa en Q 12300 in het conische gebied van het microkanaal, respectievelijk 2400 en 1860 µm3 /S.Xf vertegenwoordigt de voorste positie van de microgel en bepaalt de afstand vanaf het begin van de krimp.V(tlys) en V0 zijn respectievelijk het tijdelijke volume van de gelyseerde microgel en het volume van de ongestoorde microgel.De karakterkleuren komen overeen met de kleuren in b.Zwarte pijlen op e, f komen overeen met het laatste moment vóór de passage van microgels door het microkanaal.De schaalbalk in d, e is 100 µm.
Om het effect van restrictie op de vermindering van de vloeistofstroom over obstructieve fibrinegels te onderzoeken, bestudeerden we de lyse van SM, MM en RM geïnfiltreerd met het trombolytische middel weefselplasminogeenactivator (tPA).Figuur 3c toont het experimentele ontwerp dat werd gebruikt voor de lysis-experimenten. Bij ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en een stroomsnelheid, Q = 2400 μm3/s, van Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) gemengd met 0,1 mg/ml (fluoresceïne-isothiocyanaat) FITC-Dextran, sloot de microgel het taps toelopende microkanaal af. regio. Bij ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en een stroomsnelheid, Q = 2400 μm3/s, van Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) gemengd met 0,1 mg/ml (fluoresceïne-isothiocyanaat) FITC-Dextran, sloot de microgel het taps toelopende microkanaal af. regio. Οри ΔP = 700 Па (<ΔPtr) en скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), смешанного с 0,1 мг/мл (флуоресцеинизотиоцианата) FITC-apparaat, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. Bij ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) en een stroomsnelheid, Q = 2400 µm3/s, van Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) gemengd met 0,1 mg/ml (fluoresceïne-isothiocyanaat) FITC-dextran, sloot de microgel het convergerende microkanaal af.regio.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 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s了锥形微通道地区。 Микрогели солевого раствора (TBS) met 0,1 мг/мл (флуорес цеинизотиоцианат) FITC-декстрана при ΔP = 700 Па (<ΔPtr) en скорости потока Q = 2400 мкм3/с аналов. Microgels verstopten toen Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) werd gemengd met 0,1 mg/ml (fluoresceïne-isothiocyanaat) FITC-dextran bij AP = 700 Pa (<APtr) en stroomsnelheid Q = 2400 µm3/s Conische gebieden van microkanalen.De voorwaartse positie Xf van de microgel bepaalt de afstand tot het initiële krimppunt X0.Om lysis te induceren werd een oplossing van fluorescent gelabeld tPA in TBS geïnjecteerd vanuit een kanaal dat orthogonaal op de lange as van het hoofdmicrokanaal was gelokaliseerd.
Toen de tPA-oplossing de occlusale MM bereikte, werd de achterste rand van de microgel wazig, wat aangeeft dat de fibrinesplitsing was begonnen op tijdstip tlys = 0 (figuur 3d en aanvullende figuur 18).Tijdens fibrinolyse hoopt kleurstofgelabeld tPA zich op in de MM en bindt het aan fibrinestrengen, wat leidt tot een geleidelijke toename van de intensiteit van de roze kleur van de microgels.Bij tlys = 60 min trekt de MM samen als gevolg van het oplossen van zijn achterste deel, en verandert de positie van zijn voorrand Xf weinig.Na 160 minuten bleef de sterk samengetrokken MM samentrekken en bij tlys = 161 minuten onderging deze samentrekking, waardoor de vloeistofstroom door het microkanaal werd hersteld (figuur 3d en aanvullende figuur 18, rechterkolom).
Op afb.3e toont de door lysis gemedieerde tijdsafhankelijke afname van volume V(tlys), genormaliseerd naar het initiële volume VO van fibrinemicrogels van verschillende grootte.CO met D0 174, 199 of 218 µm werd in een microkanaal geplaatst met respectievelijk AP 1200, 1800 of 3000 Pa, en Q = 1860 ± 70 µm3/s om het microkanaal te blokkeren (Fig. 3e, inzet).voeding.De microgels krimpen geleidelijk totdat ze klein genoeg zijn om door de kanalen te gaan.Een afname van het kritische volume CO met een grotere initiële diameter vereist een langere lysetijd.Vanwege de vergelijkbare stroom door RM's van verschillende grootte, vindt splitsing in hetzelfde tempo plaats, wat resulteert in de vertering van kleinere fracties van grotere RM's en hun vertraagde translocatie.Op afb.3f toont de relatieve reductie in V(tlys)/VO als gevolg van splitsing voor SM, MM en RM bij DO = 197 ± 3 µm, uitgezet als functie van tlys.Voor SM, MM en RM plaatst u elke microgel in een microkanaal met respectievelijk ΔP 400, 750 of 1800 Pa en Q 12300, 2400 of 1860 µm3/s.Hoewel de druk die op de SM werd uitgeoefend 4,5 keer lager was dan die van de RM, was de stroom door de SM meer dan zes keer sterker vanwege de hogere permeabiliteit van de SM, en nam de krimp van de microgel af van SM naar MM en RM .Bij tlys = 78 min loste SM bijvoorbeeld grotendeels op en verplaatste het zich, terwijl MM en PM de microkanalen bleven verstoppen, ondanks dat ze respectievelijk slechts 16% en 20% van hun oorspronkelijke volume behielden.Deze resultaten suggereren het belang van convectie-gemedieerde lyse van vernauwde vezelige gels en correleren met rapporten over een snellere vertering van stolsels met een lager fibrinegehalte.
Ons werk demonstreert dus experimenteel en theoretisch het mechanisme waarmee filamenteuze gels reageren op biaxiale opsluiting.Het gedrag van vezelige gels in een beperkte ruimte wordt bepaald door de sterke asymmetrie van de rekenergie van de filamenten (zacht bij compressie en hard bij spanning) en alleen door de aspectverhouding en kromming van de filamenten.Deze reactie resulteert in minimale verlenging van vezelachtige gels in nauwe capillairen, waarbij de biaxiale Poisson-verhouding afneemt met toenemende compressie en minder lichte bitdruk.
Omdat biaxiale insluiting van zachte vervormbare deeltjes in een breed scala aan technologieën wordt gebruikt, stimuleren onze resultaten de ontwikkeling van nieuwe vezelmaterialen.In het bijzonder leidt de biaxiale retentie van filamenteuze gels in nauwe capillairen of buizen tot hun sterke verdichting en een scherpe afname van de permeabiliteit.De sterke remming van de vloeistofstroom door occlusieve vezelige gels heeft voordelen bij gebruik als pluggen om bloedingen te voorkomen of de bloedtoevoer naar maligniteiten te verminderen33,34,35.Aan de andere kant geeft een afname van de vloeistofstroom door de occlusale fibrinegel, waardoor convectief gemedieerde trombuslyse wordt geremd, een indicatie van de langzame lyse van occlusale stolsels [27, 36, 37].Ons modelleringssysteem is de eerste stap in het begrijpen van de implicaties van de mechanische reactie van vezelige biopolymeerhydrogels op biaxiale retentie.Het incorporeren van bloedcellen of bloedplaatjes in obstructieve fibrinegels zal hun restrictiegedrag beïnvloeden 38 en zal de volgende stap zijn in het blootleggen van het gedrag van complexere biologisch significante systemen.
Reagentia die worden gebruikt om fibrinemicrogels te bereiden en MF-apparaten te vervaardigen, worden beschreven in aanvullende informatie (aanvullende methoden, secties 2 en 4).Fibrinemicrogels werden bereid door een gemengde oplossing van fibrinogeen, Tris-buffer en trombine te emulgeren in een stroomfocusserend MF-apparaat, gevolgd door druppelgelering.Runderfibrinogeenoplossing (60 mg/ml in TBS), Tris-buffer en rundertrombineoplossing (5 U/ml in 10 mM CaCl2-oplossing) werden toegediend met behulp van twee onafhankelijk geregelde spuitpompen (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).om MF, VS te blokkeren).De continue fase van F-olie die 1 gew.% blokcopolymeer PFPE-P(EO-PO)-PFPE bevatte, werd in de MF-eenheid geïntroduceerd met behulp van een derde spuitpomp.De in het MF-apparaat gevormde druppels worden verzameld in een centrifugebuis van 15 ml die F-olie bevat.Plaats de buizen in een waterbad bij 37 °C gedurende 1 uur om de fibrinegelering te voltooien.FITC-gelabelde fibrinemicrogels werden bereid door respectievelijk runderfibrinogeen en FITC-gelabeld menselijk fibrinogeen te mengen in een gewichtsverhouding van 33:1.De procedure is dezelfde als voor de bereiding van fibrinemicrogels.
Breng de microgels over van olie F naar TBS door de dispersie gedurende 2 minuten bij 185 g te centrifugeren.De neergeslagen microgels werden gedispergeerd in olie F gemengd met 20 gew.% perfluoroctylalcohol, vervolgens gedispergeerd in hexaan dat 0,5 gew.% Span 80, hexaan, 0,1 gew.% Triton X in water en TBS bevatte.Ten slotte werden de microgels gedispergeerd in TBS met 0,01 gew.% Tween 20 en gedurende ongeveer 1 à 2 weken bij 4°C bewaard voorafgaand aan de experimenten.
De fabricage van het MF-apparaat wordt beschreven in de aanvullende informatie (aanvullende methoden, sectie 5).In een typisch experiment wordt de positieve waarde van AP bepaald door de relatieve hoogte van de reservoirs die voor en na het MF-apparaat zijn aangesloten voor het introduceren van microgels met een diameter van 150 < D0 < 270 µm in de microkanalen.De ongestoorde grootte van de microgels werd bepaald door ze in het macrokanaal te visualiseren.De microgel stopt in een conisch gebied bij de ingang van de vernauwing.Wanneer de punt van de voorste microgel gedurende 2 minuten onveranderd blijft, gebruikt u het MATLAB-programma om de positie van de microgel langs de x-as te bepalen.Met een stapsgewijze toename van AP beweegt de microgel langs het wigvormige gebied totdat deze de vernauwing binnendringt.Zodra de microgel volledig is ingebracht en samengedrukt, daalt ΔP snel naar nul, waardoor het waterniveau tussen de reservoirs in evenwicht wordt gebracht, en de gesloten microgel blijft onder compressie stationair.De lengte van de obstructieve microgel werd 30 minuten nadat de vernauwing was opgehouden gemeten.
Tijdens fibrinolyse-experimenten dringen oplossingen van t-PA en FITC-gelabeld dextran geblokkeerde microgels binnen.De stroom van elke vloeistof werd gevolgd met behulp van fluorescentiebeeldvorming met één kanaal.TAP gelabeld met AlexaFluor 633 gehecht aan fibrinevezels en opgehoopt in gecomprimeerde fibrinemicrogels (TRITC-kanaal in aanvullende figuur 18).De dextran-oplossing gelabeld met FITC beweegt zonder ophoping in de microgel.
Gegevens die de resultaten van dit onderzoek ondersteunen, zijn op verzoek verkrijgbaar bij de respectieve auteurs.Ruwe SEM-beelden van fibrinegels, ruwe TEM-beelden van fibrinegels voor en na inenting, en de belangrijkste invoergegevens voor figuren 1 en 2, 2 en 3 worden gegeven in het onbewerkte gegevensbestand.Dit artikel bevat de originele gegevens.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. en Weisel JV fibrinogeen en fibrine.In Macromolecular Protein Complex III: Structure and Function (ed. Harris, JR en Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (Springer en Cham, 2021).
Bosman FT en Stamenkovich I. Functionele structuur en samenstelling van de extracellulaire matrix.J. Pasol.200, 423-428 (2003).
Prins E. en Kumacheva E. Ontwerp en toepassing van kunstmatige biomimetische vezelhydrogels.Nationaal Mat Rood.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC Modellering van semi-flexibele polymeernetwerken.Priester mod.natuurkunde.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. en Piku, KR Mechanische modellering van semi-flexibele biopolymeernetwerken: niet-affiene vervorming en de aanwezigheid van afhankelijkheden op lange termijn.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlijn, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D en Mahadevan L. Stress-geïnduceerde uitlijning van collageengels.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS en Gianmi PA Niet-lineaire elasticiteit van biogels.Natuur 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress controleert de mechanismen van het collageennetwerk.proces.Nationale Academie van Wetenschappen.de wetenschap.VS 112, 9573-9578 (2015).
Janmi, PA, et al.Negatieve normaalspanning in semi-flexibele biopolymeergels.Nationale alma mater.6, 48-51 (2007).
Kang, H. et al.Niet-lineaire elasticiteit van stijve vezelnetwerken: spanningsverharding, negatieve normaalspanning en vezeluitlijning in fibrinegels.J. Natuurkunde.Chemisch.V. 113, 3799-3805 (2009).
Gardel, ML et al.Elastisch gedrag van verknoopte en gebonden actinenetwerken.Wetenschap 304, 1301–1305 (2004).
Sharma, A. et al.Niet-lineaire mechanica van spanningsgecontroleerde glasvezelnetwerken met kritische controle.Nationale natuurkunde.12, 584-587 (2016).
Wahabi, M. et al.Elasticiteit van vezelnetwerken onder uniaxiale voorspanning.Zachte materie 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB Bloedstolselhydraulische permeabiliteit als functie van fibrine- en bloedplaatjesdichtheid.biofysica.Dagboek 104, 1812-1823 (2013).
Li, Y. et al.Het veelzijdige gedrag van hydrogels wordt beperkt door smalle haarvaten.de wetenschap.Huis 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. Effect van pathologische heterogeniteit op schuifgolf-elastografie bij de stadiëring van diepe veneuze trombose.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo kwantificering van tijdsafhankelijke verharding van bloedstolsels met behulp van shear wave-echografie in een veneus trombosemodel van konijnen.trombus.opslagtank.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. Computersimulatie van de dynamiek van de fibrinepolymerisatie in relatie tot elektronenmicroscopie en troebelheidswaarnemingen: stolselstructuur en assemblage worden kinetisch gecontroleerd.biofysica.Tijdschrift 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW en Lorand, L. Structurele oorsprong van fibrinestolselreologie.biofysica.J. 77, 2813-2826 (1999).
Posttijd: 23 februari 2023