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La limitazione degli idrogel fibrosi ai capillari stretti è di grande importanza nei sistemi biologici e biomedici.La tensione e la compressione uniassiale degli idrogel fibrosi sono state ampiamente studiate, ma la loro risposta alla ritenzione biassiale nei capillari rimane inesplorata.Qui, dimostriamo sperimentalmente e teoricamente che i gel filamentosi rispondono qualitativamente in modo diverso alla costrizione rispetto ai gel a catena flessibile a causa dell'asimmetria nelle proprietà meccaniche dei filamenti costituenti, che sono morbidi in compressione e rigidi in tensione.In condizioni di forte ritenzione, il gel fibroso mostra un piccolo allungamento e una diminuzione asintotica del rapporto di Poisson biassiale fino a zero, con conseguente forte compattazione del gel e scarsa permeazione del liquido attraverso il gel.Questi risultati indicano la resistenza dei trombi occlusivi allungati alla lisi da parte di agenti terapeutici e stimolano lo sviluppo di un'efficace embolizzazione endovascolare da gel fibrosi per arrestare il sanguinamento vascolare o inibire l'afflusso di sangue ai tumori.
Le reti fibrose sono gli elementi costitutivi strutturali e funzionali di base dei tessuti e delle cellule viventi.L'actina è un componente importante del citoscheletro1;la fibrina è un elemento chiave nella guarigione delle ferite e nella formazione di trombi2, mentre il collagene, l'elastina e la fibronectina sono componenti della matrice extracellulare nel regno animale3.Le reti recuperate di biopolimeri fibrosi sono diventate materiali con ampie applicazioni nell'ingegneria dei tessuti4.
Le reti filamentose rappresentano una classe separata di materia soffice biologica con proprietà meccaniche diverse dalle reti molecolari flessibili5.Alcune di queste proprietà si sono evolute nel corso dell'evoluzione per controllare la risposta della materia biologica alla deformazione6.Ad esempio, le reti fibrose mostrano elasticità lineare a piccole deformazioni7,8 mentre a grandi deformazioni mostrano una maggiore rigidità9,10, mantenendo così l'integrità del tessuto.Le implicazioni per altre proprietà meccaniche dei gel fibrosi, come lo stress normale negativo in risposta alla deformazione di taglio11,12, devono ancora essere scoperte.
Le proprietà meccaniche degli idrogel fibrosi semiflessibili sono state studiate sotto tensione uniassiale13,14 e compressione8,15, ma la loro compressione biassiale indotta dalla libertà in capillari o tubi stretti non è stata studiata.Qui riportiamo i risultati sperimentali e proponiamo teoricamente un meccanismo per il comportamento degli idrogel fibrosi sottoposti a ritenzione biassiale nei canali microfluidici.
Microgel di fibrina con vari rapporti di concentrazioni di fibrinogeno e trombina e un diametro D0 compreso tra 150 e 220 µm sono stati generati utilizzando un approccio microfluidico (Figura 1 supplementare).Nella fig.1a mostra immagini di microgel marcati con fluorocromo ottenuti utilizzando la microscopia confocale a fluorescenza (CFM).I microgel sono sferici, hanno una polidispersità inferiore al 5% e hanno una struttura uniforme su tutte le scale esaminate da CFM (Informazioni supplementari e filmati S1 e S2).La dimensione media dei pori dei microgel (determinata misurando la permeabilità Darcy16) è diminuita da 2280 a 60 nm, il contenuto di fibrina è aumentato da 5,25 a 37,9 mg/mL e la concentrazione di trombina è diminuita rispettivamente da 2,56 a 0,27 unità/mL.(Informazioni aggiuntive).Riso.2), 3 e tabella supplementare 1).La corrispondente rigidità del microgel aumenta da 0,85 a 3,6 kPa (Figura 4 supplementare).Come esempi di gel formati da catene flessibili, vengono utilizzati microgel di agarosio di varia rigidità.
Immagine al microscopio a fluorescenza del PM marcato con isotiocianato di fluoresceina (FITC) sospeso in TBS.La scala a barre è 500 µm.b Immagini SEM di SM (in alto) e RM (in basso).Barra della scala 500 nm.c Rappresentazione schematica di un canale microfluidico costituito da un canale grande (diametro dl) e una regione ristretta a forma di cono con un angolo di entrata α di 15° e un diametro di dc = 65 µm.d Da sinistra a destra: immagini al microscopio ottico di RM (diametro D0) in grandi canali, zona conica e costrizione (limitazione della lunghezza del gel Dz).La scala a barre è 100 µm.e, f Immagini TEM di un RM non deformato (e) e di un RM occluso (f), fissate per un'ora con costrizione 1/λr = 2,7, seguita da rilascio e fissazione del 5% della massa.glutaraldeide nel TBS.Il diametro della CO indeformata è 176 μm.La barra della scala è 100 nm.
Ci siamo concentrati su microgel di fibrina con una durezza di 0,85, 1,87 e 3,6 kPa (di seguito denominati rispettivamente microgel morbidi (SM), microgel medio duri (MM) e microgel duri (RM).Questo intervallo di rigidità del gel di fibrina è dello stesso ordine di grandezza di quello dei coaguli di sangue18,19 e quindi i gel di fibrina studiati nel nostro lavoro sono direttamente correlati ai sistemi biologici reali.Nella fig.1b mostra le immagini superiore e inferiore delle strutture SM e RM ottenute rispettivamente utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM).Rispetto alle strutture RM, le reti SM sono formate da fibre più spesse e meno punti di diramazione, in linea con i precedenti rapporti 20, 21 (Figura 5 supplementare).La differenza nella struttura dell'idrogel è correlata all'andamento delle sue proprietà: la permeabilità del gel diminuisce al diminuire della dimensione dei pori da SM a MM e RM (Tabella supplementare 1) e la rigidità del gel si inverte.Non sono stati notati cambiamenti nella struttura del microgel dopo la conservazione a 4 ° C per 30 giorni (Figura 6 supplementare).
Nella fig.1c è mostrato lo schema di un canale microfluidico a sezione circolare contenente (da sinistra a destra): un canale ampio di diametro dl in cui il microgel rimane indeformato, una sezione conica con strozzatura di diametro dc < D0, cono sezioni sagomate e grandi canali con diametro dl (Figura 7 supplementare).In un tipico esperimento, i microgel sono stati iniettati in canali microfluidici con una caduta di pressione positiva ΔP di 0,2-16 kPa (Figura 8 supplementare).Questo intervallo di pressione corrisponde alla pressione sanguigna biologicamente significativa (120 mm Hg = 16 kPa)22.Nella fig.1d (da sinistra a destra) mostra immagini rappresentative di RM in grandi canali, aree coniche e costrizioni.Il movimento e la forma del microgel sono stati registrati e analizzati utilizzando il programma MATLAB.È importante notare che nelle regioni rastremate e nelle costrizioni, i microgel sono in contatto conforme con le pareti dei microcanali (Figura 8 supplementare).Il grado di ritenzione radiale del microgel al restringimento D0/dc = 1/λr è compreso tra 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, dove 1/λr è il rapporto di compressione.Il microgel subisce una contrazione quando ΔP > ΔPtr, dove ΔPtr è la differenza di pressione di traslocazione.La lunghezza e la dimensione dei pori dei microgel vincolati biassialmente sono determinate dal loro stato di equilibrio, poiché è molto importante tenere conto della viscoelasticità dei gel nei sistemi biologici.Il tempo di equilibrazione per i microgel di agarosio e fibrina è stato rispettivamente di 10 minuti e 30 minuti.Dopo questi intervalli di tempo, i microgel limitati hanno raggiunto la loro posizione e forma stabile, che è stata catturata utilizzando una fotocamera ad alta velocità e analizzata utilizzando MATLAB.
Nella fig.1e, 1f mostrano immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di strutture RM indeformate e limitate biassialmente.Dopo la compressione RM, la dimensione dei pori del microgel è diminuita significativamente e la loro forma è diventata anisotropa con dimensioni più piccole nella direzione della compressione, il che è coerente con un rapporto precedente 23 .
La compressione biassiale durante la contrazione provoca l'allungamento del microgel in una direzione illimitata con un coefficiente λz = \({D}_{{{{{{\rm{z}}}}}}}/\({D }_ { 0}\), dove \({D}_{{{{({\rm{z}}}}}}}}\) è la lunghezza del microgel chiuso. La Figura 2a mostra la variazione di λzvs .1/ λr per microgel di fibrina e agarosio. Sorprendentemente, sotto forte compressione di 2,4 ≤ 1/λr ≤ 4,2, i microgel di fibrina mostrano un allungamento trascurabile di 1,12 +/- 0,03 λz, che è solo leggermente influenzato dal valore di 1/λr. microgel di agarosio limitati, che si osservano anche con una compressione più debole 1/λr = 2,6 fino a un allungamento maggiore λz = 1,3.
a Esperimenti su microgel di agarosio con diversi moduli elastici (2,6 kPa, diamante aperto verde; 8,3 kPa, cerchio aperto marrone; 12,5 kPa, quadrato aperto arancione; 20,2 kPa, triangolo invertito aperto magenta) e SM (rosso pieno) Variazione dell'allungamento misurato λz ( cerchi), MM (quadrati neri pieni) e RM (triangoli blu pieni).Le linee continue mostrano la λz teoricamente prevista per i microgel di agarosio (linea verde) e fibrina (linee e simboli dello stesso colore).b, c Pannello superiore: diagramma schematico delle catene di rete di agarosio (b) e fibrina (c) prima (a sinistra) e dopo (a destra) la compressione biassiale.In basso: forma della rete corrispondente prima e dopo la deformazione.Le direzioni di compressione xey sono indicate rispettivamente dalle frecce magenta e marrone.Nella figura sopra, le catene di reti orientate in queste direzioni xey sono mostrate con le corrispondenti linee magenta e marrone, e le catene orientate in una direzione z arbitraria sono rappresentate da linee verdi.Nel gel di fibrina (c), le linee viola e marroni nelle direzioni xey si piegano più che nello stato non deformato, e le linee verdi nella direzione z si piegano e si allungano.La tensione tra le direzioni di compressione e tensione viene trasmessa attraverso fili con direzioni intermedie.Nei gel di agarosio, le catene in tutte le direzioni determinano la pressione osmotica, che contribuisce in modo significativo alla deformazione del gel.d Variazione prevista nel rapporto di Poisson biassiale, } }^{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{\rm{ln}}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ ), per la compressione equiassiale dei gel di agarosio (linea verde) e fibrina (linea rossa).L'inserto mostra la deformazione biassiale del gel.e La variazione della pressione di traslocazione ΔPtr, normalizzata alla rigidità del gel S, viene tracciata in funzione del rapporto di compressione per i microgel di agarosio e fibrina.I colori dei simboli corrispondono ai colori in (a).Le linee verde e rossa rappresentano la relazione teorica tra ΔPtr/S e 1/λr rispettivamente per i gel di agarosio e di fibrina.La parte tratteggiata della linea rossa mostra l'aumento di ΔPtr sotto forte compressione a causa delle interazioni tra le fibre.
Questa differenza è associata a diversi meccanismi di deformazione delle reti di microgel di fibrina e agarosio, che consistono rispettivamente di fili flessibili24 e rigidi25.La compressione biassiale dei gel flessibili porta ad una diminuzione del loro volume e ad un associato aumento della concentrazione e della pressione osmotica, che porta ad un allungamento del gel in una direzione illimitata.L'allungamento finale del gel dipende dall'equilibrio tra un aumento dell'energia libera entropica delle catene stirate e una diminuzione dell'energia libera dell'osmosi dovuta alla minore concentrazione di polimero nel gel stirato.Sotto forte compressione biassiale, l'allungamento del gel aumenta con λz ≈ 0,6 \({{\lambda}_{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (vedere Fig. 2a in sezione di discussione 5.3.3).I cambiamenti conformazionali nelle catene flessibili e la forma delle reti corrispondenti prima e dopo la ritenzione biassiale sono mostrati nelle Figg.2b.
Al contrario, i gel fibrosi come la fibrina rispondono intrinsecamente in modo diverso alla ritenzione biassiale.I filamenti orientati prevalentemente parallelamente alla direzione di compressione si flettono (riducendo così la distanza tra i legami incrociati), mentre i filamenti prevalentemente perpendicolari alla direzione di compressione si raddrizzano e si allungano sotto l'azione della forza elastica, provocando l'allungamento del gel ( Fig. 1).2c) Le strutture di SM, MM e RM non deformate sono state caratterizzate analizzando le loro immagini SEM e CFM (Discussione supplementare Sezione IV e Figura supplementare 9).Determinando il modulo elastico (E), il diametro (d), la lunghezza del profilo (R0), la distanza tra le estremità (L0 ≈ R0) e l'angolo centrale (ψ0) dei trefoli in microgel di fibrina non deformati (Tabella supplementare 2) - 4), troviamo che il modulo di flessione del filo \({k}_{{{{{{\rm{b))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) è significativamente inferiore al suo modulo di trazione\({k}_{{{{{{{\rm{s}}} } }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\), quindi kb/ks ≈ 0,1 (Tabella supplementare 4).Pertanto, in condizioni di ritenzione biassiale del gel, i filamenti di fibrina si piegano facilmente, ma resistono allo stiramento.L'allungamento di una rete filamentosa sottoposta a compressione biassiale è mostrato nella Figura 17 supplementare.
Sviluppiamo un modello teorico affine (Discussione supplementare Sezione V e Figure supplementari 10-16) in cui l'allungamento di un gel fibroso è determinato dall'equilibrio locale delle forze elastiche che agiscono nel gel e prevede che in una forte deformazione biassiale λz - 1 sotto vincolo
L'equazione (1) mostra che anche sotto forte compressione (\({\lambda }_{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) si verifica una leggera espansione del gel e una successiva deformazione di allungamento su saturazione λz–1 = 0,15 ± 0,05.Questo comportamento è correlato a (i) \({\left({k}_{{{{({\rm{b}}}}}}}}}/{k}_{{{{{{\rm { s }}}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0,15−0,4 e (ii) il termine tra parentesi quadre si avvicina asintoticamente a \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) per legami biassiali forti. È importante notare che il prefattore \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) non ha nulla a che fare con la rigidezza del filo E, ma è determinato solo dal rapporto d'aspetto del filo d/L0 e dall'angolo centrale dell'arco ψ0, che è simile a SM, MM e RM (Tabella supplementare 4).
Per evidenziare ulteriormente la differenza nella deformazione indotta dalla libertà tra gel flessibili e filamentosi, introduciamo il rapporto di Poisson biassiale \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{{({\rm{r}}}}}}}\to 1}\ frac{{\ lambda } _{ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1-{\lambda }_{{({\rm{r}}}}}}}}}, \) descrive un illimitato orientamento della deformazione del gel in risposta a una deformazione uguale in due direzioni radiali, e lo estende a grandi deformazioni uniformi \ rm{b }}}}}}}}^{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{{({\rm{ln)))))))}}{\lambda }_{{{({\rm{r)))))))))}\) .Nella fig.2d mostra \({{{{{{\rm{\nu }}}}}}}_{{{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) per la compressione biassiale uniforme di gel flessibili (come l'agarosio) e rigidi (come la fibrina) (Discussione supplementare, Sezione 5.3.4) ed evidenzia la relazione tra forti differenze nelle risposte al confinamento. Per i gel di agarosio sotto forti restrizioni {\rm{eff}}}}}}}}\) aumenta al valore asintotico 2/3, e per i gel di fibrina diminuisce a zero, poiché lnλz/lnλr → 0, poiché λz aumenta con saturazione all’aumentare di λr.Si noti che negli esperimenti, i microgel sferici chiusi si deformano in modo disomogeneo e la loro parte centrale subisce una compressione più forte;tuttavia, l'estrapolazione al valore elevato di 1/λr rende possibile confrontare l'esperimento con la teoria per gel uniformemente deformati.
Un'altra differenza nel comportamento dei gel a catena flessibile e dei gel filamentosi è stata riscontrata a causa del loro movimento durante la contrazione.La pressione di traslocazione ΔPtr, normalizzata alla rigidità del gel S, aumentava con l'aumentare della compressione (Fig. 2e), ma a 2,0 ≤ 1/λr ≤ 3,5, i microgel di fibrina mostravano valori significativamente più bassi di ΔPtr/S down durante la contrazione.La ritenzione del microgel di agarosio porta ad un aumento della pressione osmotica, che porta allo stiramento del gel in direzione longitudinale man mano che le molecole polimeriche vengono allungate (Fig. 2b, a sinistra) e ad un aumento della pressione di traslocazione di ΔPtr/S ~( 1/λr)14/317.Al contrario, la forma dei microgel di fibrina chiusi è determinata dal bilancio energetico dei fili di compressione radiale e tensione longitudinale, che porta alla massima deformazione longitudinale λz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ b)))))))} /{k}_{{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).Per 1/λr ≫ 1, la variazione della pressione di traslocazione viene scalata come 1 }{{{({\rm{ln)))))\left({{\lambda }}_{{{{{{\rm {r} }}}}}}}^{{-} 1} \right)\) (Discussione supplementare, Sezione 5.4), come mostrato dalla linea rossa continua in Fig. 2e.Pertanto, ΔPtr è meno vincolato rispetto ai gel di agarosio.Per compressioni con 1/λr > 3,5, un aumento significativo della frazione volumetrica dei filamenti e l'interazione dei filamenti vicini limita l'ulteriore deformazione del gel e porta a deviazioni dei risultati sperimentali dalle previsioni (linea tratteggiata rossa in Fig. 2e).Concludiamo che per gli stessi 1/λr e Δ\({P}_{{{{{{\rm{tr}}}}}}}_{{{{\rm{fibrina}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr))))))}}}_{{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) il gel di agarosio verrà catturato dal microcanale, e il gel di fibrina con la stessa rigidità lo attraverserà.Per ΔP < Δ\({P}_{{{{{{tr))))))))_{{{{{\rm{fibrina))))))))))}\ ), Due Entrambi i gel bloccheranno il canale, ma il gel di fibrina spingerà più in profondità e si comprimerà in modo più efficace, bloccando il flusso del fluido in modo più efficace.I risultati mostrati nella Figura 2 dimostrano che il gel fibroso può fungere da tappo efficace per ridurre il sanguinamento o inibire l'afflusso di sangue ai tumori.
D'altra parte, la fibrina forma un'impalcatura di coagulo che porta al tromboembolismo, una condizione patologica in cui un trombo occlude un vaso a ΔP < ΔPtr, come in alcuni tipi di ictus ischemico (Fig. 3a).Il più debole allungamento indotto dalla restrizione dei microgel di fibrina ha comportato un aumento più forte della concentrazione di fibrina del fibrinogeno C/C rispetto ai gel a catena flessibile, dove il fibrinogeno C e C sono rispettivamente microgel ristretti e non deformati.Concentrazione del polimero nel gel.La Figura 3b mostra che il fibrinogeno C/C in SM, MM e RM è aumentato più di sette volte a 1/λr ≈ 4,0, guidato dalla restrizione e dalla disidratazione (Figura 16 supplementare).
Illustrazione schematica dell'occlusione dell'arteria cerebrale media nel cervello.b Aumento relativo mediato dalla restrizione della concentrazione di fibrina negli SM ostruttivi (cerchi rossi pieni), MM (quadrati neri pieni) e RM (triangoli blu pieni).c Disegno sperimentale utilizzato per studiare la scissione di gel di fibrina ristretta.Una soluzione di tPA marcato in modo fluorescente in TBS è stata iniettata a una portata di 5,6 × 107 µm3/s e un'ulteriore caduta di pressione di 0,7 Pa per i canali situati perpendicolari all'asse lungo del microcanale principale.d Immagine microscopica multicanale raggruppata di MM ostruttivo (D0 = 200 µm) a Xf = 28 µm, ΔP = 700 Pa e durante la scissione.Le linee tratteggiate verticali mostrano le posizioni iniziali dei bordi posteriore e anteriore del MM a tlys = 0. I colori verde e rosa corrispondono rispettivamente a FITC-destrano (70 kDa) e tPA marcati con AlexaFluor633.e Volume relativo variabile nel tempo di RM occlusi con D0 di 174 µm (triangolo invertito aperto blu), 199 µm (triangolo aperto blu) e 218 µm (triangolo aperto blu), rispettivamente, in un microcanale conico con Xf = 28 ± 1 µm.le sezioni hanno ΔP 1200, 1800 e 3000 Pa rispettivamente e Q = 1860 ± 70 µm3/s.L'inserto mostra RM (D0 = 218 µm) che collega il microcanale.f Variazione temporale del volume relativo di SM, MM o RM posti a Xf = 32 ± 12 µm, a ΔP 400, 750 e 1800 Pa e ΔP 12300 Pa e Q 12300 nella regione conica del microcanale, rispettivamente 2400 e 1860 µm3 /S.Xf rappresenta la posizione anteriore del microgel e ne determina la distanza dall'inizio della contrazione.V(tlys) e V0 sono rispettivamente il volume temporaneo del microgel lisato e il volume del microgel indisturbato.I colori dei caratteri corrispondono ai colori in b.Le frecce nere su e, f corrispondono all'ultimo momento prima del passaggio dei microgel attraverso il microcanale.La barra della scala in d, e è 100 µm.
Per studiare l'effetto della restrizione sulla riduzione del flusso di fluido attraverso i gel di fibrina ostruttiva, abbiamo studiato la lisi di SM, MM e RM infiltrati con l'agente trombolitico attivatore tissutale del plasminogeno (tPA).La Figura 3c mostra il disegno sperimentale utilizzato per gli esperimenti di lisi. A ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) e una portata, Q = 2400 μm3/s, di soluzione salina tamponata con Tris (TBS) miscelata con 0,1 mg/mL di FITC-destrano (isotiocianato di fluoresceina), il microgel occludeva il microcanale rastremato regione. A ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) e una portata, Q = 2400 μm3/s, di soluzione salina tamponata con Tris (TBS) miscelata con 0,1 mg/mL di FITC-destrano (isotiocianato di fluoresceina), il microgel occludeva il microcanale rastremato regione. Con ΔP = 700 Па (<ΔPtr) e скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, трис-буферного солевого раствора (TBS), смешанного с 0,1 мг/ml (fluoresceinizzazione) FITC-destra, il microonde ha percolato il microonde. A ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) e una portata, Q = 2400 µm3/s, di soluzione salina tamponata Tris (TBS) miscelata con 0,1 mg/mL (isotiocianato di fluoresceina) FITC-destrano, il microgel occludeva il microcanale convergente.regione.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. I microbi si concentrano sulla miscelazione del composto tris-bufernogo (TBS) con 0,1 mg/ml (fosforo т) FITC-декстрана при ΔP = 700 Па (<ΔPtr) e скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. I microgel si intasavano quando la soluzione salina tamponata Tris (TBS) veniva miscelata con FITC-destrano 0,1 mg/mL (isotiocianato di fluoresceina) a ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) e portata Q = 2400 µm3/s Regioni coniche di microcanali.La posizione avanzata Xf del microgel determina la sua distanza dal punto di contrazione iniziale X0.Per indurre la lisi, una soluzione di tPA marcato in modo fluorescente in TBS è stata iniettata da un canale situato ortogonalmente all'asse lungo del microcanale principale.
Quando la soluzione tPA ha raggiunto il MM occlusale, il bordo posteriore del microgel è diventato sfocato, indicando che la scissione della fibrina era iniziata al tempo tlys = 0 (Fig. 3d e Fig. 18 supplementare).Durante la fibrinolisi, il tPA marcato con colorante si accumula all'interno del MM e si lega ai filamenti di fibrina, portando ad un graduale aumento dell'intensità del colore rosa dei microgel.A tlys = 60 min, il MM si contrae per la dissoluzione della sua parte posteriore, e la posizione del suo bordo anteriore Xf cambia poco.Dopo 160 minuti, il MM fortemente contratto ha continuato a contrarsi e, a tlys = 161 minuti, ha subito una contrazione, ripristinando così il flusso del fluido attraverso il microcanale (Fig. 3d e Fig. 18 supplementare, colonna di destra).
Nella fig.3e mostra la diminuzione dipendente dal tempo mediata dalla lisi del volume V(tlys) normalizzato al volume iniziale V0 di microgel di fibrina di diverse dimensioni.CO con D0 174, 199 o 218 µm è stata inserita in un microcanale con ΔP 1200, 1800 o 3000 Pa, rispettivamente, e Q = 1860 ± 70 µm3/s per bloccare il microcanale (Fig. 3e, riquadro).nutrizione.I microgel si restringono gradualmente fino a diventare abbastanza piccoli da passare attraverso i canali.Una diminuzione del volume critico di CO con un diametro iniziale maggiore richiede un tempo di lisi più lungo.A causa del flusso simile attraverso RM di dimensioni diverse, la scissione avviene alla stessa velocità, con conseguente digestione di frazioni più piccole di RM più grandi e la loro traslocazione ritardata.Nella fig.3f mostra la riduzione relativa di V(tlys)/V0 dovuta alla suddivisione per SM, MM e RM in D0 = 197 ± 3 µm tracciata in funzione di tlys.Per SM, MM e RM, posizionare ciascun microgel in un microcanale con ΔP 400, 750 o 1800 Pa e Q 12300, 2400 o 1860 µm3/s, rispettivamente.Sebbene la pressione applicata all'SM fosse 4,5 volte inferiore a quella dell'RM, il flusso attraverso l'SM era più di sei volte più forte a causa della maggiore permeabilità dell'SM e la contrazione del microgel è diminuita da SM a MM e RM .Ad esempio, a tlys = 78 min, SM si è per lo più disciolta e spostata, mentre MM e PM hanno continuato a intasare i microcanali, pur conservando rispettivamente solo il 16% e il 20% del loro volume originale.Questi risultati suggeriscono l’importanza della lisi mediata da convezione dei gel fibrosi ristretti e sono correlati con segnalazioni di digestione più rapida di coaguli con contenuto di fibrina inferiore.
Pertanto, il nostro lavoro dimostra sperimentalmente e teoricamente il meccanismo mediante il quale i gel filamentosi rispondono al confinamento biassiale.Il comportamento dei gel fibrosi in uno spazio limitato è determinato dalla forte asimmetria dell'energia di deformazione dei filamenti (molli in compressione e duri in tensione) e solo dal rapporto d'aspetto e dalla curvatura dei filamenti.Questa reazione provoca un allungamento minimo dei gel fibrosi contenuti nei capillari stretti, il loro rapporto di Poisson biassiale diminuisce con l'aumentare della compressione e con una minore pressione della luce.
Poiché il contenimento biassiale di particelle morbide deformabili viene utilizzato in un’ampia gamma di tecnologie, i nostri risultati stimolano lo sviluppo di nuovi materiali fibrosi.In particolare, la ritenzione biassiale dei gel filamentosi in capillari o tubi stretti porta ad una loro forte compattazione e ad una forte diminuzione della permeabilità.La forte inibizione del flusso di fluido attraverso i gel fibrosi occlusivi presenta vantaggi se utilizzati come tappi per prevenire sanguinamenti o ridurre l'afflusso di sangue alle neoplasie33,34,35.D’altro canto, una diminuzione del flusso di fluido attraverso il gel di fibrina occlusale, inibendo così la lisi del trombo mediata dalla convezione, fornisce un’indicazione della lenta lisi dei coaguli occlusali [27, 36, 37].Il nostro sistema di modellizzazione è il primo passo verso la comprensione delle implicazioni della risposta meccanica degli idrogel biopolimerici fibrosi alla ritenzione biassiale.L'incorporazione di cellule del sangue o piastrine in gel di fibrina ostruttiva influenzerà il loro comportamento di restrizione 38 e sarà il passo successivo nella scoperta del comportamento di sistemi biologicamente significativi più complessi.
I reagenti utilizzati per preparare microgel di fibrina e fabbricare dispositivi MF sono descritti in Informazioni supplementari (Metodi supplementari, Sezioni 2 e 4).I microgel di fibrina sono stati preparati emulsionando una soluzione mista di fibrinogeno, tampone Tris e trombina in un dispositivo MF focalizzante il flusso, seguita dalla gelificazione delle goccioline.La soluzione di fibrinogeno bovino (60 mg/ml in TBS), il tampone Tris e la soluzione di trombina bovina (5 U/ml in soluzione 10 mM di CaCl2) sono stati somministrati utilizzando due pompe a siringa controllate in modo indipendente (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).per bloccare MF, USA).La fase continua di F-olio contenente l'1% in peso di copolimero a blocchi PFPE-P(EO-PO)-PFPE, è stata introdotta nell'unità MF utilizzando una terza pompa a siringa.Le goccioline formate nel dispositivo MF vengono raccolte in una provetta da centrifuga da 15 ml contenente F-olio.Collocare le provette a bagnomaria a 37 gradi centigradi per 1 ora per completare la gelificazione della fibrina.I microgel di fibrina marcati con FITC sono stati preparati mescolando fibrinogeno bovino e fibrinogeno umano marcato con FITC in un rapporto in peso di 33:1, rispettivamente.La procedura è la stessa della preparazione dei microgel di fibrina.
Trasferire i microgel dall'olio F al TBS centrifugando la dispersione a 185 g per 2 minuti.I microgel precipitati sono stati dispersi in olio F miscelato con il 20% in peso di alcol perfluoroottilico, quindi dispersi in esano contenente 0,5% in peso di Span 80, esano, 0,1% in peso di Triton X in acqua e TBS.Infine, i microgel sono stati dispersi in TBS contenente lo 0,01% in peso di Tween 20 e conservati a 4°C per circa 1–2 settimane prima degli esperimenti.
La fabbricazione del dispositivo MF è descritta nelle Informazioni supplementari (Sezione 5 sui metodi supplementari).In un tipico esperimento, il valore positivo di ΔP è determinato dall'altezza relativa dei serbatoi collegati prima e dopo il dispositivo MF per l'introduzione di microgel con un diametro di 150 < D0 < 270 µm nei microcanali.La dimensione indisturbata dei microgel è stata determinata visualizzandoli nel macrocanale.Il microgel si ferma in un'area conica all'ingresso della costrizione.Quando la punta del microgel anteriore rimane invariata per 2 minuti, utilizzare il programma MATLAB per determinare la posizione del microgel lungo l'asse x.Con un aumento graduale del ΔP, il microgel si muove lungo la regione a forma di cuneo fino ad entrare nella costrizione.Una volta che il microgel è completamente inserito e compresso, il ΔP scende rapidamente a zero, bilanciando il livello dell'acqua tra i serbatoi, e il microgel chiuso rimane stazionario sotto compressione.La lunghezza del microgel ostruttivo è stata misurata 30 minuti dopo la cessazione della costrizione.
Durante gli esperimenti di fibrinolisi, soluzioni di destrano marcato con t-PA e FITC penetrano nei microgel bloccati.Il flusso di ciascun liquido è stato monitorato utilizzando l'imaging a fluorescenza a canale singolo.TAP marcato con AlexaFluor 633 attaccato alle fibre di fibrina e accumulato all'interno di microgel di fibrina compressi (canale TRITC nella Figura 18 supplementare).La soluzione di destrano marcata con FITC si muove senza accumulo nel microgel.
I dati a supporto dei risultati di questo studio sono disponibili presso i rispettivi autori su richiesta.Immagini SEM grezze di gel di fibrina, immagini TEM grezze di gel di fibrina prima e dopo l'inoculazione e i principali dati di input per le Figure 1 e 2. 2 e 3 sono forniti nel file di dati grezzi.Questo articolo fornisce i dati originali.
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Orario di pubblicazione: 23 febbraio 2023