תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
מציג קרוסלה של שלוש שקופיות בבת אחת.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
ההגבלה של הידרוג'לים סיביים לנימים צרים היא בעלת חשיבות רבה במערכות ביולוגיות וביו-רפואיות.מתח ודחיסה חד-צירית של הידרוג'לים סיביים נחקרו בהרחבה, אך התגובה שלהם לשמירה דו-צירית בנימים נותרה בלתי נחקרה.כאן, אנו מדגימים באופן ניסיוני ותיאורטי שג'לים חוטיים מגיבים בצורה שונה לאילוץ מאשר ג'לים בשרשרת גמישה בשל האסימטריה בתכונות המכניות של החוטים המרכיבים, שהם רכים בדחיסה ונוקשים במתח.תחת שמירה חזקה, הג'ל הסיבי מפגין התארכות מועטה וירידה אסימפטוטית ביחס ה-Poisson's הדו-צירי לאפס, וכתוצאה מכך דחיסה חזקה של ג'ל וחדירת נוזל לקויה דרך הג'ל.תוצאות אלו מצביעות על עמידותם של פקקים אטומים מתוחים בפני תמוגה על ידי חומרים טיפוליים ומעוררות התפתחות של אמבוליזציה אנדווסקולרית יעילה מג'לים סיביים כדי לעצור דימום כלי דם או לעכב את אספקת הדם של גידולים.
רשתות סיביות הן אבני הבניין הבסיסיות והתפקודיות של רקמות ותאים חיים.אקטין הוא מרכיב עיקרי של שלד הציטוש1;פיברין הוא מרכיב מרכזי בריפוי פצעים ויצירת פקקים2, וקולגן, אלסטין ופיברונקטין הם מרכיבים של המטריצה החוץ-תאית בממלכת החיות3.רשתות משוחזרות של ביו-פולימרים סיביים הפכו לחומרים בעלי יישומים נרחבים בהנדסת רקמות4.
רשתות חוטיות מייצגות סוג נפרד של חומר רך ביולוגי עם תכונות מכניות השונות מרשתות מולקולריות גמישות5.חלק מהתכונות הללו התפתחו במהלך האבולוציה כדי לשלוט בתגובת החומר הביולוגי לדפורמציה6.לדוגמה, רשתות סיביות מראות גמישות ליניארית בזנים קטנים7,8 בעוד שבזנים גדולים הם מפגינים נוקשות מוגברת9,10, ובכך שומרים על שלמות הרקמה.ההשלכות על תכונות מכניות אחרות של ג'לים סיביים, כגון מתח נורמלי שלילי בתגובה למתח גזירה11,12, טרם התגלו.
התכונות המכניות של הידרוג'לים סיביים גמישים למחצה נחקרו תחת מתח חד צירי13,14 ודחיסה8,15, אך הדחיסה הדו-צירית הנגרמת על ידי החופש בנימים צרים או בצינורות לא נחקרה.כאן אנו מדווחים על תוצאות ניסויים ומציעים באופן תיאורטי מנגנון להתנהגות של הידרוג'לים סיביים תחת שמירה דו-צירית בתעלות מיקרו-נוזליות.
מיקרוג'לים של פיברין עם יחסים שונים של ריכוזי פיברינוגן וטרומבין וקוטר D0 הנע בין 150 ל-220 מיקרומטר נוצרו בגישה מיקרופלואידית (איור משלים 1).על איור.1a מציג תמונות של מיקרוג'לים המסומנים עם פלואורכרום שהושגו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי קונפוקאלי (CFM).המיקרוג'לים הם כדוריים, בעלי פיזור רב של פחות מ-5%, והם אחידים במבנה על פני הסולמות שנבדקו על ידי CFM (מידע משלים וסרטים S1 ו-S2).גודל הנקבוביות הממוצע של המיקרוג'לים (נקבע על ידי מדידת חדירות Darcy16) ירד מ-2280 ל-60 ננומטר, תכולת הפיברין עלתה מ-5.25 ל-37.9 מ"ג/מ"ל, וריכוז הטרומבין ירד מ-2.56 ל-0.27 יחידות/מ"ל, בהתאמה.(מידע נוסף).אורז.2), 3 וטבלה משלימה 1).הקשיחות המתאימה של המיקרוג'ל עולה מ-0.85 ל-3.6 kPa (איור משלים 4).כדוגמאות לג'לים הנוצרים משרשראות גמישות, משתמשים במיקרוג'לים של אגרוז בקשיחות שונות.
תמונת מיקרוסקופ פלואורסצנטי של פלואורססין איזותיוציאנט (FITC) שכותרתו PM מושעה ב-TBS.סולם הבר הוא 500 מיקרומטר.b תמונות SEM של SM (למעלה) ו-RM (למטה).סרגל קנה מידה 500 ננומטר.ג תרשים סכמטי של תעלה מיקרופלואידית המורכבת מתעלה גדולה (קוטר dl) ואזור בצורת חרוט מצומצם עם זווית כניסה α של 15° וקוטר dc = 65 מיקרומטר.ד משמאל לימין: תמונות מיקרוסקופ אופטי של RM (קוטר D0) בערוצים גדולים, אזור חרוטי והיצרות (הגבלת אורך הג'ל Dz).סולם הבר הוא 100 מיקרומטר.e, f תמונות TEM של RM לא מעוות (e) ו-RM סגור (f), קבועות למשך שעה אחת עם התכווצות 1/λr = 2.7, ולאחר מכן שחרור וקיבוע של 5% מהמסה.גלוטראלדהיד ב-TBS.הקוטר של CO הלא מעוות הוא 176 מיקרומטר.סרגל קנה המידה הוא 100 ננומטר.
התמקדנו במיקרוג'לים פיברין עם קשיות של 0.85, 1.87 ו-3.6 kPa (להלן מיקרוג'לים רכים (SM), מיקרוג'לים קשים בינוניים (MM) ומיקרוג'לים קשיחים (RM), בהתאמה).טווח זה של קשיחות ג'ל פיברין הוא באותו סדר גודל כמו עבור קרישי דם18,19 ומכאן שג'לי הפיברין שנלמדו בעבודתנו קשורים ישירות למערכות ביולוגיות אמיתיות.על איור.1b מציג את התמונות העליונות והתחתונות של מבני SM ו-RM שהושגו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM), בהתאמה.בהשוואה למבני RM, רשתות SM נוצרות על ידי סיבים עבים יותר ופחות נקודות הסתעפות, בהתאם לדיווחים קודמים 20, 21 (איור משלים. 5).ההבדל במבנה ההידרוג'ל מתאם למגמת תכונותיו: חדירות הג'ל יורדת עם ירידה בגודל הנקבוביות מ-SM ל-MM ו-RM (טבלה משלימה 1), וקשיחות הג'ל מתהפכת.לא נרשמו שינויים במבנה המיקרוג'ל לאחר אחסון ב-4 מעלות צלזיוס למשך 30 ימים (איור משלים 6).
על איור.1c מציג תרשים של תעלה מיקרופלואידית עם חתך עגול המכילה (משמאל לימין): תעלה גדולה בקוטר dl שבה המיקרוג'ל נותר ללא מעוות, חתך בצורת חרוט עם היצרות בקוטר dc < D0, קונוס -חתכים בצורת ותעלות גדולות בקוטר dl (איור משלים 7).בניסוי טיפוסי, הוזרק מיקרוג'לים לתוך תעלות מיקרו-נוזליות בירידה בלחץ חיובי ΔP של 0.2-16 kPa (איור משלים. 8).טווח לחץ זה מתאים ללחץ דם בעל משמעות ביולוגית (120 מ"מ כספית = 16 kPa)22.על איור.1d (משמאל לימין) מציג תמונות מייצגות של RM בערוצים גדולים, אזורים חרוטיים והיצרות.התנועה והצורה של המיקרוג'ל תועדו ונותחו באמצעות תוכנית MATLAB.חשוב לציין שבאזורים המחודדים וההתכווצויות, המיקרוג'לים נמצאים במגע תואם עם דפנות המיקרו-תעלות (איור משלים 8).מידת השמירה הרדיאלית של המיקרוג'ל בהצטמצמות D0/dc = 1/λr היא בטווח 2.4 ≤ 1/λr ≤ 4.2, כאשר 1/λr הוא יחס הדחיסה.המיקרוג'ל עובר הצטמקות כאשר ΔP > ΔPtr, כאשר ΔPtr הוא הפרש לחץ הטרנסלוקציה.אורך וגודל הנקבוביות של מיקרוג'לים מוגבלים דו-ציריים נקבעים על פי מצב שיווי המשקל שלהם, שכן חשוב מאוד לקחת בחשבון את הצמיגות-אלסטיות של ג'לים במערכות ביולוגיות.זמן האיזון עבור מיקרוג'לים של agarose ופיברין היה 10 דקות ו-30 דקות, בהתאמה.לאחר מרווחי זמן אלו, המיקרוג'לים המוגבלים הגיעו למיקומם ולצורתם היציבים, אשר צולמו באמצעות מצלמה במהירות גבוהה ונותחו באמצעות MATLAB.
על איור.1e, 1f מציגים תמונות של מיקרוסקופ אלקטרונים של העברה (TEM) של מבני RM לא מעוותים ומוגבלים דו-ציריים.לאחר דחיסה של RM, גודל הנקבוביות של המיקרוג'ל ירד באופן משמעותי וצורתם הפכה לאנזיטרופית עם גדלים קטנים יותר בכיוון הדחיסה, מה שעולה בקנה אחד עם דוח קודם 23 .
דחיסה דו-צירית במהלך התכווצות גורמת למיקרוג'ל להתארך בכיוון בלתי מוגבל עם מקדם λz = \({D}_{{{{{{{\rm{z}}}}}}}}/\({D }_ { 0}\), כאשר \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) הוא אורך המיקרוג'ל הסגור איור 2a מציג את השינוי ב-λzvs .1/ λr למיקרוג'לים של פיברין ואגרוז. באופן מפתיע, תחת דחיסה חזקה של 2.4 ≤ 1/λr ≤ 4.2, מיקרוג'לים של פיברין מראים התארכות זניחה של 1.12 +/- 0.03 λz, המושפעת רק מעט מהערך של 1/λr. microgels agarose מוגבל, אשר נצפים אפילו בדחיסה חלשה יותר 1/λr = 2.6 להתארכות גדולה יותר λz = 1.3.
מיקרוג'ל Agarose מתנסה עם מודולים אלסטיים שונים (2.6 kPa, יהלום פתוח ירוק; 8.3 kPa, עיגול פתוח חום; 12.5 kPa, ריבוע פתוח כתום; 20.2 kPa, מגנטה משולש הפוך פתוח) ו-SM (אדום מלא) שינוי בהתארכות הנמדדת λz ( עיגולים), MM (ריבועים שחורים מלאים) ו-RM (משולשים כחולים מלאים).קווים מלאים מציגים את ה-λz החזוי תיאורטית עבור אגרוז (קו ירוק) ופיברין מיקרוג'לים (קווים וסמלים מאותו צבע).b, c לוח עליון: דיאגרמה סכמטית של שרשראות רשת של אגרוז (ב) ופיברין (ג) לפני (משמאל) ואחרי (ימין) דחיסה דו-צירית.תחתון: צורת הרשת המתאימה לפני ואחרי דפורמציה.כיווני הדחיסה x ו-y מסומנים על ידי חיצים מגנטה וחום, בהתאמה.באיור שלמעלה, שרשראות של רשתות המכוונות בכיווני x ו-y אלה מוצגות עם הקווים המגנטה והחומים המתאימים, ושרשראות המכוונות בכיוון z שרירותי מיוצגות על ידי קווים ירוקים.בג'ל הפיברין (c), הקווים הסגולים והחומים בכיווני x ו-y מתכופפים יותר מאשר במצב לא מעוות, והקווים הירוקים בכיוון z מתכופפים ומתמתחים.המתח בין כיווני הדחיסה והמתח מועבר דרך חוטים בעלי כיווני ביניים.בג'ל אגרוז, השרשראות לכל הכיוונים קובעות את הלחץ האוסמוטי, התורם תרומה משמעותית לעיוות הג'ל.d שינוי חזוי ביחס של פואסון הדו-צירי, } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}}} =-{{{{\rm{ln}}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), לדחיסה שווה-צירית של ג'לים אגרוז (קו ירוק) ופיברין (קו אדום).התוספת מציגה את העיוות הדו-צירי של הג'ל.e שינוי לחץ טרנסלוקציה ΔPtr, מנורמל לקשיחות ג'ל S, מתואר כפונקציה של יחס הדחיסה עבור מיקרוג'לים של אגרוז ופיברין.צבעי הסמל תואמים לצבעים ב-(א).הקווים הירוקים והאדומים מתארים את הקשר התיאורטי בין ΔPtr/S ו-1/λr עבור ג'ל אגרוז ופיברין, בהתאמה.החלק המקווקו של הקו האדום מציג את העלייה ב-ΔPtr תחת דחיסה חזקה עקב אינטראקציות בין-סיביות.
הבדל זה קשור למנגנונים שונים של דפורמציה של רשתות מיקרוג'ל של פיברין ואגרוז, המורכבות מחוטים גמישים24 וקשיחים25, בהתאמה.דחיסה דו-צירית של ג'לים גמישים מביאה לירידה בנפחם ולעלייה נלווית בריכוז ובלחץ האוסמוטי, מה שמוביל להתארכות של הג'ל לכיוון בלתי מוגבל.ההתארכות הסופית של הג'ל תלויה באיזון של עלייה באנרגיה החופשית האנטרופית של השרשראות המתוחות וירידה באנרגיה החופשית של האוסמוזה עקב ריכוז הפולימרים הנמוך יותר בג'ל המתוח.תחת דחיסה דו-צירית חזקה, ההתארכות של הג'ל גדלה עם λz ≈ 0.6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (ראה איור 2a ב סעיף דיון 5.3.3).השינויים הקונפורמטיביים בשרשרות גמישות וצורת הרשתות המתאימות לפני ואחרי החזקה דו-צירית מוצגים באיורים.2ב.
לעומת זאת, ג'לים סיביים כגון פיברין מגיבים באופן שונה לשמירה דו-צירית.החוטים מכוונים בעיקר במקביל לכיוון הדחיסה מתכופפים (ובכך מקטינים את המרחק בין החיבורים הצולבים), בעוד שהחוטים המאונכים בעיקר לכיוון הדחיסה מתיישרים ומתמתחים תחת פעולת הכוח האלסטי, מה שגורם לג'ל להתארך ( איור 1).2ג) המבנים של ה-SM, MM ו-RM הלא מעוות אופיינו על ידי ניתוח תמונות SEM ו-CFM שלהם (סעיף דיון משלים IV ואיור משלים 9).על ידי קביעת מודול האלסטי (E), קוטר (d), אורך הפרופיל (R0), המרחק בין הקצוות (L0 ≈ R0) והזווית המרכזית (ψ0) של הגדילים במיקרוג'לים של פיברין לא מעוותים (טבלה משלימה 2) - 4), נמצא שמודול כיפוף חוט \({k}_{{{{{{\rm{b)))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) קטן משמעותית ממודול המתיחה שלו\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), אז kb/ks ≈ 0.1 (טבלה משלימה 4).לפיכך, בתנאים של שימור ג'ל דו-צירי, גדילי פיברין מכופפים בקלות, אך מתנגדים למתיחה.ההתארכות של רשת חוט הנתונה לדחיסה דו-צירית מוצגת באיור משלים. 17.
אנו מפתחים מודל אפיניות תיאורטי (סעיף דיון משלים V ואיורים משלימים 10-16) בו נקבעת התארכותו של ג'ל סיבי מתוך שיווי המשקל המקומי של הכוחות האלסטיים הפועלים בג'ל ומנבא כי במתח דו-צירי חזק λz - 1 תחת האילוץ
משוואה (1) מראה שגם בדחיסה חזקה (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) יש התרחבות קלה של ג'ל ועיוות התארכות לאחר מכן. רוויה λz–1 = 0.15 ± 0.05.התנהגות זו קשורה ל-(i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0.15−0.4 ו-(ii) האיבר בסוגריים מרובעים מתקרב באופן אסימפטוטי ל-\(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) לקשרים דו-ציריים חזקים. חשוב לשים לב שהקדם \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) אין שום קשר לקשיחות החוט E, אלא נקבעת רק על פי יחס הרוחב-גובה של החוט d/L0 והזווית המרכזית של הקשת ψ0, הדומה ל-SM, MM ו-RM (טבלה משלימה 4).
כדי להדגיש עוד יותר את ההבדל במתח המושרה על ידי חופש בין ג'לים גמישים לג'לים חוטיים, אנו מציגים את יחס פואסון הדו-צירי \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) מתאר ללא גבולות כיוון זן הג'ל בתגובה למתח שווה בשני כיוונים רדיאליים, ומרחיב זאת לזנים אחידים גדולים \ rm{b }}}}}}}}^{{{{\rm{eff}}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .על איור.דו-ממדי מציג \({{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{{\rm { eff }}}}}}}\) לדחיסה דו-צירית אחידה של ג'לים גמישים (כגון אגרוז) ונוקשים (כגון פיברין) (דיון משלים, סעיף 5.3.4), ומדגיש את הקשר בין הבדלים חזקים בתגובות לכליאה. עבור ג'לי אגרוז תחת הגבלות חזקות {\rm{eff}}}}}}}}\) עולה לערך האסימפטוטי 2/3, ולג'לי פיברין הוא יורד לאפס, שכן lnλz/lnλr → 0, מכיוון ש-λz עולה עם רוויה ככל ש-λr עולה.שימו לב שבניסויים, מיקרוג'לים כדוריים סגורים מתעוותים בצורה לא הומוגנית, והחלק המרכזי שלהם חווה דחיסה חזקה יותר;עם זאת, אקסטרפולציה לערך גדול של 1/λr מאפשרת להשוות את הניסוי עם התיאוריה של ג'לים מעוותים באופן אחיד.
הבדל נוסף בהתנהגות של ג'לים בשרשרת גמישה וג'לים חוטיים נמצא עקב תנועתם בעת התכווצות.לחץ הטרנסלוקציה ΔPtr, מנורמל לקשיחות ג'ל S, עלה עם הגדלת הדחיסה (איור 2e), אך ב-2.0 ≤ 1/λr ≤ 3.5, מיקרוג'לים של פיברין הראו ערכים נמוכים משמעותית של ΔPtr/S למטה במהלך הצטמקות.החזקה של המיקרוג'ל agarose מובילה לעלייה בלחץ האוסמוטי, מה שמוביל למתיחה של הג'ל בכיוון האורך כאשר מולקולות הפולימר נמתחות (איור 2b, משמאל) ולעלייה בלחץ הטרנסלוקציה על ידי ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.להיפך, צורתם של מיקרוג'לים פיברין סגורים נקבעת על ידי מאזן האנרגיה של חוטי הדחיסה הרדיאלית והמתח האורך, מה שמוביל לעיוות האורך המקסימלי λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).עבור 1/λr ≫ 1, השינוי בלחץ הטרנסלוקציה משתנה לפי 1 }{{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (דיון משלים, סעיף 5.4), כפי שמוצג על ידי הקו האדום המוצק באיור 2ה.לפיכך, ΔPtr מוגבל פחות מאשר בג'לים אגרוז.עבור דחיסות עם 1/λr > 3.5, עלייה משמעותית בחלק הנפח של חוטים והאינטראקציה של חוטים שכנים מגבילה עיוות נוסף של הג'ל ומובילה לסטיות של תוצאות הניסוי מהתחזיות (קו מנוקד אדום באיור 2e).אנו מסיקים כי עבור אותו 1/λr ו-Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}}}_{{{{\rm{fibrin}}} ))) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) הג'ל אגרוז ייתפס על ידי המיקרו-תעלה, וג'ל הפיברין באותה קשיחות יעבור דרכו.עבור ΔP < Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr))))))))))_{{{{{\rm{פיברין)))))))))}\ ), שני ג'לים יחסמו את התעלה, אך ג'ל הפיברין ידחוף עמוק יותר וידחס בצורה יעילה יותר, ויחסום את זרימת הנוזל בצורה יעילה יותר.התוצאות המוצגות באיור 2 מדגימות שהג'ל הסיבי יכול לשמש כחסם יעיל להפחתת דימום או לעכב את אספקת הדם לגידולים.
מצד שני, פיברין יוצר פיגום קריש שמוביל לטרומבואמבוליזם, מצב פתולוגי שבו פקקת חוסמת כלי ב-ΔP < ΔPtr, כמו בכמה סוגים של שבץ איסכמי (איור 3a).ההתארכות החלשה יותר הנגרמת על ידי הגבלה של מיקרוג'לים פיברין הביאה לעלייה חזקה יותר בריכוז הפיברין של פיברינוגן C/C בהשוואה לג'לים של שרשרת גמישה, כאשר פיברינוגן C ו-C הם מיקרוג'לים מוגבלים ולא מעוותים, בהתאמה.ריכוז פולימרים בג'ל.איור 3b מראה שפיברינוגן C/C ב-SM, MM ו-RM עלה פי יותר מפי שבעה ב-1/λr ≈ 4.0, מונע על ידי הגבלה והתייבשות (איור משלים. 16).
המחשה סכמטית של חסימה של עורק המוח האמצעי במוח.ב עלייה יחסית בתיווך הגבלה בריכוז הפיברין ב-SM חסימתית (עיגולים אדומים מוצקים), MM (ריבועים שחורים מלאים) ו-RM (משולשים כחולים מלאים).ג תכנון ניסוי המשמש לחקר המחשוף של ג'ל פיברין מוגבל.תמיסה של tPA מסומן פלואורסצנטי ב-TBS הוזרקה בקצב זרימה של 5.6 × 107 מיקרומטר/שניה וירידה נוספת בלחץ של 0.7 Pa עבור תעלות הממוקמות בניצב לציר הארוך של המיקרו-ערוץ הראשי.ד תמונה מיקרוסקופית רב-ערוצית מאוחדת של MM חסימתית (D0 = 200 מיקרומטר) ב-Xf = 28 מיקרומטר, ΔP = 700 Pa ובמהלך הפיצול.קווים מנוקדים אנכיים מראים את המיקומים הראשוניים של הקצוות האחוריים והקדמיים של ה-MM ב-tlys = 0. צבעים ירוקים וורודים מתאימים ל-FITC-dextran (70 kDa) ול-tPA המסומנים עם AlexaFluor633, בהתאמה.e נפח יחסי משתנה בזמן של RMs חסומים עם D0 של 174 מיקרומטר (משולש הפוך פתוח כחול), 199 מיקרומטר (משולש פתוח כחול) ו-218 מיקרומטר (משולש פתוח כחול), בהתאמה, במיקרו-ערוץ חרוטי עם Xf = 28 ± 1 מיקרומטר.לקטעים יש ΔP 1200, 1800 ו-3000 Pa, בהתאמה, ו-Q = 1860 ± 70 µm3/s.התוספת מציגה RM (D0 = 218 מיקרומטר) מחבר את המיקרו-ערוץ.f שינוי זמן של הנפח היחסי של SM, MM או RM ממוקם ב-Xf = 32 ± 12 מיקרומטר, ב-ΔP 400, 750 ו-1800 Pa ו-ΔP 12300 Pa ו-Q 12300 באזור החרוטי של המיקרו-ערוץ, בהתאמה 18400 ו-µm /s.Xf מייצג את המיקום הקדמי של המיקרוג'ל וקובע את המרחק שלו מתחילת ההתכווצות.V(tlys) ו-V0 הם הנפח הזמני של המיקרוג'ל המופיע ונפח המיקרוג'ל הבלתי מופרע, בהתאמה.צבעי התווים מתאימים לצבעים ב-b.חיצים שחורים על e, f תואמים את הרגע האחרון של הזמן לפני המעבר של מיקרוג'לים דרך המיקרו-ערוץ.סרגל קנה המידה ב-d, e הוא 100 מיקרומטר.
כדי לחקור את ההשפעה של הגבלה על הפחתת זרימת הנוזלים על פני ג'לי פיברין חסימתיים, חקרנו את התמוגגות של SM, MM ו-RM שחדרו עם הגורם הטרומבוליטי של רקמת פלסמינוגן (tPA).איור 3c מציג את התכנון הניסיוני המשמש לניסויי התמוגה. ב-ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) וקצב זרימה, Q = 2400 μm3/s, של מלוחים מלוחים טריס (TBS) מעורבב עם 0.1 מ"ג/מ"ל של (פלואורססין איזותיוציאנט) FITC-Dextran, המיקרוג'ל חסם את המיקרו-תעלת המחודדת. אזור. ב-ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) וקצב זרימה, Q = 2400 μm3/s, של מלוחים מלוחים טריס (TBS) מעורבב עם 0.1 מ"ג/מ"ל של (פלואורססין איזותיוציאנט) FITC-Dextran, המיקרוג'ל חסם את המיקרו-תעלת המחודדת. אזור. При ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS, смешного раствора (TBS), смешного (TBS) еинизотиоцианата) FITC-декстрана, микрогель перекрывал сужающийся микроканал. ב-ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) וקצב זרימה, Q = 2400 µm3/s, של Tris buffered saline (TBS) מעורבב עם 0.1 mg/mL (fluorescein isothiocyanate) FITC-dextran, המיקרוג'ל חסם את המיקרו-ערוץ המתכנס.אזור.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 מיקרומטר לשנייה 的Tris 缓冲盐水(TBS) 与0.1 מ"ג/מ"ל混合时，微凝胶堵塞了锥形微通道地区.在ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) 和流速Q = 2400 μm3/s了锥形微通道地区。 Микрогели закупориваются при смешивании трис-буферного солевого раствора (TBS) с 0.1 мг/мл (флуоцивании)-FICH ри ΔP = 700 Па (<ΔPtr) и скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. מיקרוג'לים נסתמו כאשר Tris buffed saltine (TBS) היה מעורבב עם 0.1mg/mL (fluorescein isothiocyanate) FITC-dextran ב-ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) וקצב זרימה Q = 2400 µm3/s אזורים חרוטיים של מיקרו-ערוצים.המיקום הקדמי Xf של המיקרוג'ל קובע את המרחק שלו מנקודת ההתכווצות הראשונית X0.כדי לעורר תמוגה, פתרון של tPA מסומן פלואורסצנטי ב-TBS הוזרק מתעלה הממוקמת אורתוגונלית לציר הארוך של המיקרו-ערוץ הראשי.
כאשר תמיסת ה-tPA הגיעה ל-MM הסגור, הקצה האחורי של המיקרוג'ל הפך מטושטש, מה שמעיד על כך שפיצול פיברין החל בזמן tlys = 0 (איור 3d ואיור משלים. 18).במהלך פיברינוליזה, tPA המסומן בצבע מצטבר בתוך ה-MM ונקשר לגדילי פיברין, מה שמוביל לעלייה הדרגתית בעוצמת הצבע הוורוד של המיקרוג'לים.ב-tlys = 60 דקות, ה-MM מתכווץ עקב פירוק החלק האחורי שלו, ומיקום הקצה המוביל שלו Xf משתנה מעט.לאחר 160 דקות, ה-MM המכווץ חזק המשיך להתכווץ, וב-tlys = 161 דקות, הוא עבר התכווצות, ובכך החזיר את זרימת הנוזל דרך המיקרו-ערוץ (איור 3d ואיור משלים. 18, עמודה ימין).
על איור.3e מראה את הירידה בתיווך זמן התלויה בנפח V(tlys) מנורמל לנפח ההתחלתי V0 של מיקרוג'לים פיברין בגדלים שונים.CO עם D0 174, 199 או 218 מיקרומטר הוכנס לתוך מיקרו-ערוץ עם ΔP 1200, 1800 או 3000 Pa, בהתאמה, ו-Q = 1860 ± 70 µm3/s כדי לחסום את המיקרו-ערוץ (איור 3e, הכנסה).תְזוּנָה.המיקרוג'לים מתכווצים בהדרגה עד שהם קטנים מספיק כדי לעבור דרך התעלות.ירידה בנפח הקריטי של CO עם קוטר התחלתי גדול יותר דורשת זמן תמוגה ארוך יותר.בשל הזרימה הדומה דרך RMs בגדלים שונים, מחשוף מתרחש באותו קצב, וכתוצאה מכך לעיכול של חלקים קטנים יותר של RMs גדולים יותר ותעיכוב של טרנסלוקציה שלהם.על איור.3f מציג את ההפחתה היחסית ב-V(tlys)/V0 עקב פיצול עבור SM, MM ו-RM ב-D0 = 197 ± 3 מיקרומטר משורטט כפונקציה של tlys.עבור SM, MM ו-RM, הנח כל מיקרוג'ל במיקרו-ערוץ עם ΔP 400, 750 או 1800 Pa ו-Q 12300, 2400 או 1860 µm3/s, בהתאמה.למרות שהלחץ שהופעל על ה-SM היה נמוך פי 4.5 מזה של ה-RM, הזרימה דרך ה-SM הייתה חזקה יותר משישה בגלל החדירות הגבוהה יותר של ה-SM, וההתכווצות של המיקרוג'ל ירדה מ-SM ל-MM ו-RM .לדוגמה, ב-tlys = 78 דקות, SM בעיקר נמס ונעקר, בעוד MM ו-PM המשיכו לסתום את המיקרו-ערוצים, למרות ששמרו רק על 16% ו-20% מהנפח המקורי שלהם, בהתאמה.תוצאות אלו מצביעות על החשיבות של תמוגה בתיווך הסעה של ג'לים סיביים מכווצים ומתואמות עם דיווחים על עיכול מהיר יותר של קרישים עם תכולת פיברין נמוכה יותר.
לפיכך, עבודתנו מדגימה באופן ניסיוני ותיאורטי את המנגנון שבאמצעותו ג'לים חוטים מגיבים לכליאה דו-צירית.התנהגותם של ג'לים סיביים בחלל מוגבל נקבעת על ידי האסימטריה החזקה של אנרגיית המתח של החוטים (רך בדחיסה וקשה במתח) ורק על ידי יחס הרוחב-גובה והעקמומיות של החוטים.תגובה זו גורמת להתארכות מינימלית של ג'לים סיביים הכלולים בנימים צרים, יחס ה-Poisson's הדו-צירי שלהם יורד עם הגדלת הדחיסה ופחות לחץ סיביות קלות.
מכיוון שההכלה הדו-צירית של חלקיקים רכים הניתנים לעיוות משמשת במגוון רחב של טכנולוגיות, התוצאות שלנו מעוררות את הפיתוח של חומרים סיביים חדשים.בפרט, השמירה הדו-צירית של ג'לים חוטים בנימים צרים או צינורות מובילה לדחיסה חזקה שלהם ולירידה חדה בחדירות.לעיכוב החזק של זרימת נוזלים דרך ג'לים סיביים אטומים יש יתרונות כאשר משתמשים בהם כפקקים למניעת דימום או להפחתת אספקת הדם לממאירות33,34,35.מצד שני, ירידה בזרימת הנוזלים דרך ג'ל הפיברין הסגור, ובכך מעכבת תמוגה של פקקת בתיווך הסעה, נותנת אינדיקציה להתמוגגות איטית של קרישי סתום [27, 36, 37].מערכת הדוגמנות שלנו היא הצעד הראשון לקראת הבנת ההשלכות של התגובה המכנית של הידרוג'לים ביופולימריים סיביים לשמירה דו-צירית.שילוב של תאי דם או טסיות דם בג'לי פיברין חסימתיים ישפיע על התנהגות ההגבלה שלהם 38 ויהיה השלב הבא בחשיפת ההתנהגות של מערכות מורכבות יותר ביולוגית משמעותית.
ריאגנטים המשמשים להכנת מיקרוג'לים של פיברין וליצור התקני MF מתוארים במידע משלים (שיטות משלימות סעיפים 2 ו-4).מיקרוג'לים של פיברין הוכנו על ידי תחליב תמיסה מעורבת של פיברינוגן, חיץ טריס וטרומבין במכשיר MF המתמקד בזרימה, ואחריו ג'לציה של טיפות.תמיסת פיברינוגן בקר (60 מ"ג/מ"ל ב-TBS), חיץ טריס ותמיסת תרומבין בקר (5 U/ml בתמיסת CaCl2 של 10 מ"מ) ניתנו באמצעות שתי משאבות מזרק מבוקרות באופן עצמאי (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).לחסום את MF, ארה"ב).שלב רציף שמן F המכיל 1% משקל קופולימר בלוק PFPE-P(EO-PO)-PFPE, הוכנס ליחידת ה-MF באמצעות משאבת מזרק שלישית.טיפות הנוצרות במכשיר ה-MF נאספות בשפופרת צנטריפוגה של 15 מ"ל המכילה שמן F.מניחים את הצינורות באמבט מים ב-37 מעלות צלזיוס למשך שעה אחת כדי להשלים ג'לציה של פיברין.מיקרוג'לים לפיברין המסומנים FITC הוכנו על ידי ערבוב פיברינוגן בקר ופיברינוגן אנושי שכותרתו FITC ביחס משקל של 33:1, בהתאמה.ההליך זהה להכנת מיקרוג'לים פיברין.
העבירו את המיקרוג'לים משמן F ל-TBS על ידי צנטריפוגה של הפיזור ב-185 גרם למשך 2 דקות.המיקרוג'לים המשוקעים פוזרו בשמן F מעורבב עם 20% משקל פרפלואורואקטיל אלכוהול, ואז פוזרו בהקסאן המכיל 0.5% משקל Span 80, הקסאן, 0.1%%WT Triton X במים ו-TBS.לבסוף, המיקרוג'לים פוזרו ב-TBS המכיל 0.01% משקל Tween 20 ואוחסנו ב-4 מעלות צלזיוס במשך כ-1-2 שבועות לפני הניסויים.
ייצור מכשיר ה-MF מתואר במידע המשלים (שיטות משלימות סעיף 5).בניסוי טיפוסי, הערך החיובי של ΔP נקבע על ידי הגובה היחסי של המאגרים המחוברים לפני ואחרי מכשיר ה-MF להחדרת מיקרוג'לים בקוטר של 150 < D0 < 270 מיקרומטר לתוך המיקרו-תעלות.הגודל הבלתי מופרע של המיקרוג'לים נקבע על ידי הדמיה שלהם במאקרו-ערוץ.המיקרוג'ל נעצר באזור חרוטי בכניסה לכיווץ.כאשר קצה המיקרוג'ל הקדמי נשאר ללא שינוי למשך 2 דקות, השתמש בתוכנית MATLAB כדי לקבוע את מיקומו של המיקרוג'ל לאורך ציר ה-x.עם עלייה דרגתית של ΔP, המיקרוג'ל נע לאורך האזור בצורת טריז עד שהוא נכנס לכיווץ.לאחר שהמיקרוג'ל הוכנס במלואו ודחוס, ΔP יורד במהירות לאפס, ומאזן את מפלס המים בין המאגרים, והמיקרוג'ל הסגור נשאר נייח תחת דחיסה.אורכו של המיקרוג'ל החסימתי נמדד 30 דקות לאחר הפסקת ההיצרות.
במהלך ניסויי פיברינוליזה, פתרונות של t-PA ו- FITC המסומנים בדקסטראן חודרים מיקרוג'לים חסומים.זרימת כל נוזל נוטרה באמצעות הדמיית פלואורסצנטי ערוץ יחיד.TAP מסומן עם AlexaFluor 633 המחובר לסיבי פיברין ומצטבר בתוך מיקרוג'לים פיברין דחוסים (ערוץ TRITC באיור משלים. 18).תמיסת הדקסטרן המסומנת ב-FITC נעה ללא הצטברות במיקרוג'ל.
נתונים התומכים בתוצאות מחקר זה זמינים מהמחברים המתאימים לפי בקשה.תמונות SEM גולמיות של ג'לי פיברין, תמונות TEM גולמיות של ג'לי פיברין לפני ואחרי חיסון, ונתוני הקלט העיקריים עבור איורים 1 ו-2. 2 ו-3 מסופקים בקובץ הנתונים הגולמיים.מאמר זה מספק את הנתונים המקוריים.
Litvinov RI, Peters M., de Lange-Loots Z. and Weisel JV fibrinogen and fibrin.ב-Macroolecular Protein Complex III: Structure and Function (ed. Harris, JR and Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (Springer and Cham, 2021).
Bosman FT and Stamenkovich I. מבנה והרכב פונקציונלי של המטריצה החוץ-תאית.ג'יי פאסול.200, 423–428 (2003).
Prince E. ו- Kumacheva E. עיצוב ויישום של הידרוג'לים סיבים ביו-מימטיים מלאכותיים.מאט רד הלאומי.4, 99–115 (2019).
Broedersz, CP & Mackintosh, FC דוגמנות רשתות פולימר גמישות למחצה.כומר מוד.פיזיקה.86, 995–1036 (2014).
Khatami-Marbini, H. and Piku, KR דוגמנות מכאנית של רשתות ביו-פולימר גמישות למחצה: דפורמציה לא אפינית ונוכחות של תלות ארוכת טווח.In Advances in Soft Matter Mechanics 119–145 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2012).
Vader D, Kabla A, Weitz D, ו-Mahadevan L. יישור הנגרמת על ידי מתח של קולגן ג'לים.PLoS One 4, e5902 (2009).
Storm S., Pastore JJ, McKintosh FS, Lubensky TS ו-Gianmi PA גמישות לא ליניארית של ביוג'לים.טבע 435, 191–194 (2005).
Likup, AJ Stress שולט במנגנוני רשת הקולגן.תהליך.האקדמיה הלאומית למדע.המדע.US 112, 9573–9578 (2015).
Janmi, PA, et al.מתח נורמלי שלילי בג'לים ביופולימריים גמישים למחצה.עלמא לאומית.6, 48–51 (2007).
Kang, H. et al.גמישות לא לינארית של רשתות סיבים נוקשות: התקשות מתח, מתח נורמלי שלילי ויישור סיבים בג'ל פיברין.י. פיזיקה.כִּימִי.ו' 113, 3799–3805 (2009).
Gardel, ML et al.התנהגות אלסטית של רשתות אקטין מקושרות ומקושרות.מדע 304, 1301–1305 (2004).
שארמה, א' ועוד.מכניקה לא ליניארית של רשתות סיבים אופטיים עם שליטה קריטית.פיזיקה לאומית.12, 584–587 (2016).
Wahabi, M. et al.גמישות של רשתות סיבים תחת מתח חד-צירי.חומר רך 12, 5050–5060 (2016).
Wufsus, AR, Macera, NE & Neeves, KB חדירות הידראולית של קרישי דם כפונקציה של צפיפות הפיברין והטסיות.בִּיוֹפִיסִיקָה.כתב עת 104, 1812–1823 (2013).
לי, י. ועוד.ההתנהגות הרב-תכליתית של הידרוג'לים מוגבלת על ידי נימים צרים.המדע.בית 5, 17017 (2015).
Liu, X., Li, N. & Wen, C. השפעת הטרוגניות פתולוגית על אלסטוגרפיה של גלי גזירה בבימוי פקקת ורידים עמוקים.PLoS One 12, e0179103 (2017).
Mfoumou, E., Tripette, J., Blostein, M. & Cloutier, G. In vivo כימות של התמדה תלוית זמן של קרישי דם באמצעות הדמיית אולטרסאונד גלי גזירה במודל פקקת ורידי ארנב.פקקת.מיכל אחסון.133, 265–271 (2014).
Weisel, JW & Nagaswami, C. הדמיית מחשב של דינמיקה של פילמור פיברין ביחס למיקרוסקופ אלקטרוני ותצפיות עכירות: מבנה הקריש וההרכבה נשלטים קינטית.בִּיוֹפִיסִיקָה.כתב עת 63, 111–128 (1992).
Ryan, EA, Mokros, LF, Weisel, JW and Lorand, L. מקור מבני של ריאולוגיה של קריש פיברין.בִּיוֹפִיסִיקָה.י' 77, 2813–2826 (1999).
זמן פרסום: 23-2-2023