شكرا لكم لزيارة Nature.com.أنت تستخدم إصدار متصفح مع دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).بالإضافة إلى ذلك، ولضمان الدعم المستمر، نعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
يعرض دائريًا مكونًا من ثلاث شرائح في وقت واحد.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة، أو استخدم أزرار التمرير الموجودة في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
إن قصر الهلاميات المائية الليفية على الشعيرات الدموية الضيقة له أهمية كبيرة في الأنظمة البيولوجية والطبية الحيوية.تمت دراسة التوتر والضغط أحادي المحور للهيدروجيلات الليفية على نطاق واسع، لكن استجابتها للاحتفاظ ثنائي المحور في الشعيرات الدموية لا تزال غير مستكشفة.هنا، نوضح تجريبيًا ونظريًا أن المواد الهلامية الخيطية تستجيب بشكل مختلف نوعيًا للقيود عن المواد الهلامية ذات السلسلة المرنة بسبب عدم التماثل في الخواص الميكانيكية للخيوط المكونة، والتي تكون ناعمة عند الضغط وقاسية عند التوتر.في ظل الاحتفاظ القوي، يُظهر الجل الليفي استطالة قليلة وانخفاضًا مقاربًا في نسبة بواسون ذات المحورين إلى الصفر، مما يؤدي إلى ضغط هلامي قوي وضعف نفاذ السائل عبر الجل.تشير هذه النتائج إلى مقاومة الخثرات الانسدادية الممتدة للتحلل بواسطة العوامل العلاجية وتحفز تطوير الانصمام الفعال داخل الأوعية الدموية من المواد الهلامية الليفية لوقف نزيف الأوعية الدموية أو منع إمداد الأورام بالدم.
الشبكات الليفية هي اللبنات الأساسية الهيكلية والوظيفية للأنسجة والخلايا الحية.الأكتين هو مكون رئيسي في الهيكل الخلوي 1؛يعد الفيبرين عنصرًا أساسيًا في التئام الجروح وتكوين الخثرة، والكولاجين والإيلاستين والفيبرونكتين هي مكونات المصفوفة خارج الخلية في المملكة الحيوانية 3.أصبحت الشبكات المستردة من البوليمرات الحيوية الليفية مواد ذات تطبيقات واسعة في هندسة الأنسجة .
تمثل الشبكات الخيطية فئة منفصلة من المواد البيولوجية الناعمة ذات خواص ميكانيكية تختلف عن الشبكات الجزيئية المرنة 5 .وقد تطورت بعض هذه الخصائص في سياق التطور للتحكم في استجابة المادة البيولوجية للتشوه 6 .على سبيل المثال، تظهر الشبكات الليفية مرونة خطية عند السلالات الصغيرة، بينما تظهر في السلالات الكبيرة زيادة في الصلابة، وبالتالي الحفاظ على سلامة الأنسجة.الآثار المترتبة على الخواص الميكانيكية الأخرى للمواد الهلامية الليفية، مثل الإجهاد الطبيعي السلبي استجابة لإجهاد القص، لم يتم اكتشافها بعد.
تمت دراسة الخواص الميكانيكية للهيدروجيلات الليفية شبه المرنة في ظل التوتر أحادي المحور والضغط 8،15، ولكن لم تتم دراسة ضغطها ثنائي المحور الناجم عن الحرية في الشعيرات الدموية أو الأنابيب الضيقة.نحن هنا نورد نتائج تجريبية ونقترح نظريًا آلية لسلوك الهلاميات المائية الليفية في ظل الاحتفاظ ثنائي المحور في قنوات ميكروفلويديك.
تم إنشاء ميكروجيلات الفيبرين بنسب مختلفة من تركيزات الفيبرينوجين والثرومبين وقطر D0 يتراوح من 150 إلى 220 ميكرومتر باستخدام نهج ميكروفلويديك (الشكل التكميلي 1).على الشكل.يُظهر الشكل 1 أ صورًا للجيليات الدقيقة الموسومة بالفلوروكروم والتي تم الحصول عليها باستخدام المجهر الفلوري متحد البؤر (CFM).تكون الهلاميات الدقيقة كروية، ولها تشتت متعدد أقل من 5%، وهي موحدة في البنية عبر المقاييس التي تم فحصها بواسطة CFM (المعلومات التكميلية والأفلام S1 وS2).انخفض متوسط حجم المسام للميكروبات (التي تحددها قياس نفاذية دارسي) من 2280 إلى 60 نانومتر، وزاد محتوى الفيبرين من 5.25 إلى 37.9 ملغم/مل، وانخفض تركيز الثرومبين من 2.56 إلى 0.27 وحدة/مل، على التوالي.(معلومات إضافية).أرز.2)، 3 والجدول التكميلي 1).تزداد الصلابة المقابلة للميكروبيل من 0.85 إلى 3.6 كيلو باسكال (الشكل التكميلي 4).كأمثلة على المواد الهلامية المتكونة من سلاسل مرنة، يتم استخدام جزيئات الاغاروز الدقيقة ذات الصلابة المختلفة.
صورة مجهرية مضان لإيزوثيوسيانات الفلورسين (FITC) المسمى PM المعلقة في TBS.مقياس الشريط هو 500 ميكرومتر.ب صور SEM لـ SM (أعلى) و RM (أسفل).شريط النطاق 500 نانومتر.ج رسم تخطيطي لقناة ميكروفلويديك تتكون من قناة كبيرة (قطر dl) ومنطقة ضيقة على شكل مخروطي بزاوية دخول α قدرها 15 درجة وقطر dc = 65 ميكرومتر.د من اليسار إلى اليمين: صور المجهر الضوئي لـ RM (قطر D0) في القنوات الكبيرة والمنطقة المخروطية والانقباض (يحد من طول الجل Dz).مقياس الشريط هو 100 ميكرومتر.صور e و f TEM لـ RM غير مشوه ( e ) و RM ( f ) مسدود ، ثابتة لمدة ساعة واحدة مع انقباض 1 / lectr = 2.7 ، تليها إطلاق وتثبيت 5٪ من الكتلة.الجلوتارالدهيد في TBS.قطر ثاني أكسيد الكربون غير المشوه هو 176 ميكرومتر.شريط النطاق هو 100 نانومتر.
ركزنا على ميكروجيلات الفيبرين بصلابة 0.85، 1.87 و 3.6 كيلو باسكال (يشار إليها فيما يلي باسم ميكروجيلات ناعمة (SM)، ميكروجيلات متوسطة الصلابة (MM) و ميكروجيلات صلبة (RM)، على التوالي).هذا النطاق من صلابة هلام الفيبرين له نفس الحجم كما هو الحال بالنسبة لجلطات الدم 18،19 وبالتالي فإن المواد الهلامية الفيبرين التي تمت دراستها في عملنا ترتبط ارتباطًا مباشرًا بالأنظمة البيولوجية الحقيقية.على الشكل.يُظهر الشكل 1 ب الصور العلوية والسفلية لهياكل SM وRM التي تم الحصول عليها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، على التوالي.بالمقارنة مع هياكل RM، يتم تشكيل شبكات SM بواسطة ألياف أكثر سمكًا ونقاط فرعية أقل، بما يتوافق مع التقارير السابقة 20، 21 (الشكل التكميلي 5).يرتبط الاختلاف في بنية الهيدروجيل باتجاه خصائصه: تتناقص نفاذية الجل مع انخفاض حجم المسام من SM إلى MM وRM (الجدول التكميلي 1)، وتنعكس صلابة الجل.لم يلاحظ أي تغييرات في بنية microgel بعد التخزين عند 4 درجات مئوية لمدة 30 يومًا (الشكل التكميلي 6).
على الشكل.يُظهر الشكل 1 ج رسمًا تخطيطيًا لقناة موائع جزيئية ذات مقطع عرضي دائري يحتوي (من اليسار إلى اليمين): قناة كبيرة بقطر dl تظل فيها الميكروجيل غير مشوهة، وقسم على شكل مخروطي بقطر متضيق dc < D0، مخروطي أقسام على شكل وقنوات كبيرة بقطر dl (الشكل التكميلي 7).في تجربة نموذجية، تم حقن الهلاميات الدقيقة في قنوات الموائع الدقيقة عند انخفاض الضغط الإيجابي ΔP بمقدار 0.2–16 كيلو باسكال (الشكل التكميلي 8).يتوافق نطاق الضغط هذا مع ضغط الدم المهم بيولوجيًا (120 ملم زئبق = 16 كيلو باسكال) .على الشكل.يُظهر الشكل 1 د (من اليسار إلى اليمين) صورًا تمثيلية لـ RM في القنوات الكبيرة والمناطق المخروطية والانقباضات.تم تسجيل وتحليل حركة وشكل الميكروجيل باستخدام برنامج MATLAB.من المهم أن نلاحظ أنه في المناطق المتناقصة والانقباضات، تكون الخلايا الهلامية الدقيقة على اتصال مطابق مع جدران القنوات الدقيقة (الشكل التكميلي 8).درجة الاحتفاظ الشعاعي للميكروبيل عند التضييق D0/dc = 1/lr تقع في النطاق 2.4 ≥ 1/lectr ≥ 4.2، حيث 1/lectr هي نسبة الضغط.تمر الميكروجيل بالانكماش عند ΔP > ΔPtr، حيث ΔPtr هو فرق ضغط الإزاحة.يتم تحديد طول وحجم مسام الجليات الدقيقة المقيدة ثنائي المحور من خلال حالة توازنها، حيث أنه من المهم جدًا مراعاة اللزوجة المرنة للمواد الهلامية في الأنظمة البيولوجية.وكان وقت موازنة الاغاروز والفيبرين ميكروجيلز 10 دقيقة و 30 دقيقة، على التوالي.بعد هذه الفترات الزمنية، وصلت الميكروبات المحدودة إلى موضعها وشكلها المستقر، والذي تم التقاطه باستخدام كاميرا عالية السرعة وتحليله باستخدام MATLAB.
على الشكل.يُظهر الشكل 1e و 1f صور المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) لهياكل RM غير المشوهة والمحدودة ثنائي المحور.بعد ضغط RM، انخفض حجم مسام الجل الصغير بشكل ملحوظ وأصبح شكلها متباين الخواص بأحجام أصغر في اتجاه الضغط، وهو ما يتوافق مع تقرير سابق 23.
يؤدي الضغط ثنائي المحور أثناء الانكماش إلى استطالة الجل الميكروي في اتجاه غير محدود بمعامل lectz = \({D}_{{{{{{\rm{z}}}}}}}}/\({D }_ { 0}\) ، حيث \({D} _ {{{{({\rm{z}}}}}}}}\) هو طول الميكروجيل المغلق. يوضح الشكل 2 أ التغير في lectzvs .1/ lectr للفيبرين والأغاروز ميكروجيلز.من المثير للدهشة، أنه تحت ضغط قوي قدره 2.4 ≥ 1/ μr ≥ 4.2، تظهر ميكروجيلات الفيبرين استطالة لا تذكر تبلغ 1.12 +/- 0.03 μz، والتي تتأثر بشكل طفيف فقط بقيمة 1/ lectr. جزيئات الاغاروز المحدودة، والتي يتم ملاحظتها حتى عند الضغط الأضعف 1/ 2.6 = 2.6 إلى استطالة أكبر 1.3 = 1.3.
تجارب Agarose microgel مع وحدات مرنة مختلفة (2.6 كيلو باسكال، ماس أخضر مفتوح؛ 8.3 كيلو باسكال، دائرة مفتوحة بنية؛ 12.5 كيلو باسكال، مربع برتقالي مفتوح؛ 20.2 كيلو باسكال، مثلث مقلوب أرجواني مفتوح) وSM (أحمر خالص) التغيير في الاستطالة المقاسة φz ( الدوائر)، MM (المربعات السوداء الصلبة) وRM (المثلثات الزرقاء الصلبة).تُظهر الخطوط الصلبة μz المتوقعة نظريًا لـ agarose (الخط الأخضر) وmicrogels الفيبرين (خطوط ورموز من نفس اللون).ب ، ج اللوحة العلوية: رسم تخطيطي لسلاسل شبكة الاغاروز (ب) والفيبرين (ج) قبل (يسار) وبعد (يمين) الضغط ثنائي المحور.الأسفل: شكل الشبكة المقابلة قبل التشوه وبعده.تتم الإشارة إلى اتجاهات الضغط x وy بواسطة الأسهم الأرجوانية والبنية، على التوالي.في الشكل أعلاه، تظهر سلاسل الشبكات الموجهة في اتجاهي x وy مع الخطوط الأرجوانية والبنية المقابلة، ويتم تمثيل السلاسل الموجهة في اتجاه z التعسفي بخطوط خضراء.في هلام الفيبرين (ج)، تنحني الخطوط الأرجوانية والبنية في الاتجاهين x وy أكثر مما كانت عليه في الحالة غير المشوهة، وتنحني الخطوط الخضراء في الاتجاه z وتمتد.ينتقل التوتر بين اتجاهي الضغط والشد عبر خيوط ذات اتجاهات وسيطة.في المواد الهلامية الاغاروز، تحدد السلاسل في جميع الاتجاهات الضغط الاسموزي، مما يساهم بشكل كبير في تشوه الجل.d التغير المتوقع في نسبة بواسون ثنائية المحور، } }^{{{{{\rm{eff}}}}}}} =-{{{{\rm{ln}}}}}{\lambda }_{ z}/{{{{{ {{ \rm{ln}}}}}}{\lambda }_{r}\ )، من أجل الضغط متساوي المحور للمواد الهلامية agarose (الخط الأخضر) والفيبرين (الخط الأحمر).يُظهر الشكل الداخلي التشوه ذو المحورين للجيل.e يتم رسم تغيير ضغط الإزاحة ΔPtr، الذي تم تطبيعه إلى صلابة الجل S، كدالة لنسبة الضغط لـ agarose وfibrin microgels.تتوافق ألوان الرمز مع الألوان الموجودة في (أ).الخطوط الخضراء والحمراء تصور العلاقة النظرية بين ΔPtr/S و 1/ αr للمواد الهلامية الاغاروز والفيبرين، على التوالي.يُظهر الجزء المتقطع من الخط الأحمر الزيادة في ΔPtr تحت ضغط قوي بسبب تفاعلات الألياف البينية.
ويرتبط هذا الاختلاف بآليات مختلفة لتشوه شبكات الفيبرين والأغاروز ميكروجيل، والتي تتكون من خيوط مرنة 24 وجامدة 25، على التوالي.يؤدي الضغط ثنائي المحور للمواد الهلامية المرنة إلى انخفاض حجمها وما يرتبط بذلك من زيادة في التركيز والضغط الأسموزي، مما يؤدي إلى استطالة الجل في اتجاه غير محدود.تعتمد الاستطالة النهائية للجيل على توازن الزيادة في الطاقة الحرة الإنتروبية للسلاسل الممتدة وانخفاض الطاقة الحرة للتناضح بسبب انخفاض تركيز البوليمر في الجل الممتد.تحت الضغط ثنائي المحور القوي، يزداد استطالة الجل بـ lectz ≈ 0.6 \({{\lambda}_{{{\rm{r}}}}^{-2/3}}\) (انظر الشكل 2 أ في قسم المناقشة 5.3.3).تظهر في الشكلين التغييرات التوافقية في السلاسل المرنة وشكل الشبكات المقابلة قبل وبعد الاحتفاظ ثنائي المحور.2ب.
في المقابل، فإن المواد الهلامية الليفية مثل الفيبرين تستجيب بطبيعتها بشكل مختلف للاحتباس ثنائي المحور.تكون الخيوط الموجهة في الغالب موازية لاتجاه ثني الضغط (مما يقلل المسافة بين الروابط المتقاطعة)، في حين أن الخيوط في الغالب متعامدة مع اتجاه الضغط تستقيم وتمتد تحت تأثير القوة المرنة، مما يتسبب في استطالة الجل ( رسم بياني 1).2 ج) تميزت هياكل SM و MM و RM غير المشوهة من خلال تحليل صور SEM و CFM الخاصة بهم (قسم المناقشة التكميلية الرابع والشكل التكميلي 9).من خلال تحديد المعامل المرن (E)، والقطر (d)، وطول المظهر الجانبي (R0)، والمسافة بين الأطراف (L0 ≈ R0) والزاوية المركزية (ψ0) للخيوط في ميكروجيلات الفيبرين غير المشوهة (الجدول التكميلي 2) - 4)، نجد أن معامل ثني الخيط \({k}_{{{{{{\rm{b))))))))))}=\frac{9\pi E{d}^{4} } {4 {\psi } _{0}^{2}{L}_{0}}\) أقل بكثير من معامل الشد\({k}_{{{{{{\rm{s}}} }) }} }}=E\frac{\pi {d}^{2}{R}_{0}}{4}\)، لذا kb/ks ≈ 0.1 (الجدول التكميلي 4).وبالتالي، في ظل ظروف احتباس الهلام ثنائي المحور، تنحني خيوط الفيبرين بسهولة، ولكنها تقاوم التمدد.يظهر الشكل التكميلي 17 استطالة الشبكة الخيطية المعرضة للضغط ثنائي المحور.
نحن نطور نموذجًا نظريًا نظريًا (قسم المناقشة التكميلية الخامس والأشكال التكميلية 10-16) يتم فيه تحديد استطالة هلام ليفي من التوازن المحلي للقوى المرنة التي تعمل في الجل ويتنبأ بذلك في سلالة ثنائية المحور قوية φz - 1 تحت القيد
توضح المعادلة (1) أنه حتى في ظل الضغط القوي (\({\lambda} _{{{\mbox{r))))\,\to \,0\)) هناك تمدد هلامي طفيف وتشوه استطالة لاحق عند التشبع 1z–1 = 0.15 ± 0.05.يرتبط هذا السلوك بـ (i) \({\left({k}_{{{({\rm{b}}}}}}}}}}/{k}_{{{{{\rm { s }}}}}}\right)}^{1/2}\) ≈ 0.15−0.4 و (ii) المصطلح بين قوسين مربعين يقترب بشكل مقارب \(1{{\mbox{/}}} \sqrt { 3 }\) للروابط ثنائية المحور القوية. من المهم ملاحظة أن العامل الأولي \({\left({k}_{({\mbox{b))))/{k}_{({\mbox{ s))))\right)}^{1/ 2 }\) لا علاقة له بصلابة الخيط E، ولكن يتم تحديده فقط من خلال نسبة العرض إلى الارتفاع للخيط d/L0 والزاوية المركزية للقوس ψ0، والذي يشبه SM وMM وRM (الجدول التكميلي 4).
لتسليط الضوء بشكل أكبر على الفرق في السلالة الناتجة عن الحرية بين المواد الهلامية المرنة والخيطية، نقدم نسبة بواسون ثنائية المحور \({\nu }_{{{({\rm{b)))))) }{{\ mbox { =}}}\,\mathop{{\lim}}\limits_{{\lambda}_{{{({\rm{r}}}}}}}\to 1}\ frac {{\ lambda } _ {{{{\rm{z}}}}}}-1}{1- {\lambda} _ {{({\rm{r}}}}}}}}}}, \) يصف غير محدود اتجاه سلالة الجل استجابة لسلالة متساوية في اتجاهين شعاعيين، ويمتد هذا إلى سلالات موحدة كبيرة \ rm{b }}}}}}}}^{{{{{\rm{eff}}}}}}} }}=-{{{{{\rm{ln}}}}}}} }{ \lambda } _{z} /{{({\ rm{ln)))))))}{\lambda }_{{{({\rm{r))))))))}\) .على الشكل.عروض ثنائية الأبعاد \({{{{{\rm{\nu }}}}}}}_ {{({\rm{b}}}}}}}}^{{{ {{\rm { eff }}}}}}}\) للضغط ثنائي المحور الموحد للمواد الهلامية المرنة (مثل الاغاروز) والصلبة (مثل الفيبرين) (مناقشة تكميلية، القسم 5.3.4)، ويسلط الضوء على العلاقة بين الاختلافات القوية في الاستجابات للحبس. بالنسبة للمواد الهلامية agarose الخاضعة لقيود قوية {\rm{eff}}}}}}}}\) تزيد إلى القيمة المقاربة 2/3، وبالنسبة للمواد الهلامية الفيبرين تنخفض إلى الصفر، منذ lnlectz/lnlectr → 0، نظرًا لأن lectz تزيد مع التشبع مع زيادة .لاحظ أنه في التجارب، تتشوه الميكروبات الصغيرة الكروية المغلقة بشكل غير متجانس، ويتعرض الجزء المركزي منها لضغط أقوى؛ومع ذلك، فإن الاستقراء إلى قيمة كبيرة تبلغ 1/ r يجعل من الممكن مقارنة التجربة بنظرية المواد الهلامية المشوهة بشكل موحد.
تم العثور على اختلاف آخر في سلوك المواد الهلامية المرنة والمواد الهلامية الخيطية بسبب حركتها عند الانكماش.زاد ضغط الإزاحة ΔPtr، الذي تم تطبيعه إلى صلابة الجل S، مع زيادة الضغط (الشكل 2e)، ولكن عند 2.0 ≥ 1 / ltr ≥ 3.5، أظهرت ميكروجيلات الفيبرين قيمًا أقل بكثير لـ ΔPtr / S لأسفل أثناء الانكماش.يؤدي الاحتفاظ بـ agarose microgel إلى زيادة الضغط الاسموزي، مما يؤدي إلى تمدد الجل في الاتجاه الطولي مع تمدد جزيئات البوليمر (الشكل 2 ب، اليسار) وزيادة في ضغط الإزفاء بمقدار ΔPtr/S ~( 1/لر)14/317.على العكس من ذلك، يتم تحديد شكل ميكروجيلات الفيبرين المغلقة من خلال توازن الطاقة لخيوط الضغط الشعاعي والتوتر الطولي، مما يؤدي إلى أقصى تشوه طولي lectz ~\(\sqrt{{k}_{{{ {{ { \rm{ ب))))))))} /{k} _ {{{{{{{\rm{s}}}}}}}}}\).بالنسبة إلى 1 / lectr ≫ 1، يتم قياس التغير في ضغط الإزاحة كـ 1 {{{({\rm{ln))))))\left({{\lambda }}_{{{{{\rm {r} }}}}}}^{{-} 1} \right)\) (مناقشة تكميلية، القسم 5.4)، كما هو موضح بالخط الأحمر الصلب في الشكل 2 هـ.وبالتالي، فإن ΔPtr أقل تقييدًا من المواد الهلامية agarose.بالنسبة للضغطات ذات 1 / r > 3.5، فإن الزيادة الكبيرة في جزء حجم الخيوط وتفاعل الخيوط المجاورة تحد من تشوه الجل بشكل أكبر وتؤدي إلى انحرافات النتائج التجريبية عن التنبؤات (الخط المنقط الأحمر في الشكل 2 هـ).نستنتج أنه لنفس 1 / lectr و Δ\({P} _ {{{{{{\rm{tr}}}}}}}}} _ {{{{\rm{fibrin}}} )) } }}}\) < ΔP < Δ\({P} _ {{{{{{{\rm{tr))))))}}}_ {{{{\rm{agarose}} }} } } } }}\) سيتم التقاط هلام الاغاروز بواسطة القناة الدقيقة، وسوف يمر هلام الفيبرين بنفس الصلابة من خلاله.بالنسبة إلى ΔP < Δ\({P} _ {{{{{{\rm{tr))))))))_{{{{{\rm{fibrin))))))))}\ )، اثنين من المواد الهلامية سوف تسد القناة، ولكن هلام الفيبرين سوف يدفع بشكل أعمق ويضغط بشكل أكثر فعالية، مما يمنع تدفق السوائل بشكل أكثر فعالية.توضح النتائج الموضحة في الشكل 2 أن الجل الليفي يمكن أن يكون بمثابة سدادة فعالة لتقليل النزيف أو منع وصول الدم إلى الأورام.
من ناحية أخرى، يشكل الفيبرين سقالة جلطة تؤدي إلى الانصمام الخثاري، وهي حالة مرضية تسد فيها الخثرة الوعاء الدموي عند ΔP < ΔPtr، كما هو الحال في بعض أنواع السكتة الدماغية (الشكل 3 أ).أدى الاستطالة الأضعف الناجمة عن التقييد للجيليات الدقيقة من الفيبرين إلى زيادة أقوى في تركيز الفيبرين من الفيبرينوجين C / C مقارنة بالهلاميات ذات السلسلة المرنة، حيث يتم تقييد الفيبرينوجين C وC والجيليات الدقيقة غير المشوهة، على التوالي.تركيز البوليمر في الجل.يوضح الشكل 3 ب أن الفيبرينوجين C / C في SM و MM و RM زاد بأكثر من سبعة أضعاف عند 1 / μr ≈ 4.0 ، مدفوعًا بالتقييد والجفاف (الشكل التكميلي 16).
رسم تخطيطي لانسداد الشريان الدماغي الأوسط في الدماغ.(ب) الزيادة النسبية بوساطة التقييد في تركيز الفيبرين في SM الانسدادي (الدوائر الحمراء الصلبة)، MM (المربعات السوداء الصلبة)، وRM (المثلثات الزرقاء الصلبة).ج التصميم التجريبي يستخدم لدراسة انقسام المواد الهلامية الفيبرين المقيدة.تم حقن محلول من tPA المسمى بالفلورسنت في TBS بمعدل تدفق قدره 5.6 × 107 ميكرومتر / ثانية وانخفاض ضغط إضافي قدره 0.7 باسكال للقنوات الواقعة بشكل عمودي على المحور الطويل للقناة الدقيقة الرئيسية.d صورة مجهرية متعددة القنوات مجمعة لـ MM الانسدادي (D0 = 200 ميكرومتر) عند Xf = 28 ميكرومتر و ΔP = 700 Pa وأثناء الانقسام.تُظهر الخطوط المنقطة العمودية المواضع الأولية للحواف الخلفية والأمامية لـ MM عند tlys = 0. وتتوافق الألوان الخضراء والوردية مع FITC-dextran (70 كيلو دالتون) وtPA المسمى بـ AlexaFluor633، على التوالي.e الحجم النسبي المتغير بمرور الوقت لـ RMs المغطى مع D0 يبلغ 174 ميكرومتر (مثلث مقلوب أزرق مفتوح) و199 ميكرومتر (مثلث أزرق مفتوح) و218 ميكرومتر (مثلث أزرق مفتوح)، على التوالي، في قناة صغيرة مخروطية مع Xf = 28 ± 1 ميكرومتر.تحتوي المقاطع على ΔP 1200 و1800 و3000 Pa، على التوالي، وQ = 1860 ± 70 μm3/s.يُظهر الشكل الداخلي RM (D0 = 218 ميكرومتر) وهو يقوم بتوصيل القناة الصغيرة.f التباين الزمني للحجم النسبي لـ SM أو MM أو RM الموضوعة عند Xf = 32 ± 12 ميكرومتر، عند ΔP 400 و750 و1800 Pa وΔP 12300 Pa وQ 12300 في المنطقة المخروطية للقناة الدقيقة، على التوالي 2400 و1860 ميكرومتر3 /س.يمثل Xf الموضع الأمامي للجيل الصغير ويحدد المسافة من بداية الانكماش.V(tlys) وV0 هما الحجم المؤقت للميكروجيل المتحلل وحجم الميكروجيل غير المضطرب، على التوالي.تتوافق ألوان الأحرف مع الألوان الموجودة في ب.تتوافق الأسهم السوداء الموجودة على e و f مع آخر لحظة من الوقت قبل مرور الميكروبات عبر القناة الدقيقة.شريط المقياس في d، e هو 100 ميكرومتر.
للتحقيق في تأثير التقييد على تقليل تدفق السوائل عبر المواد الهلامية الليفية الانسدادية، قمنا بدراسة تحلل SM، MM، وRM المتسلل باستخدام منشط البلازمينوجين النسيجي للتخثر (tPA).يوضح الشكل 3 ج التصميم التجريبي المستخدم في تجارب التحلل. عند ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ومعدل التدفق، Q = 2400 ميكرومتر/ثانية، من محلول ملحي Tris (TBS) ممزوج بـ 0.1 مجم/مل من (إيزوثيوسيانات الفلورسين) FITC-Dextran، قامت الميكروجيل بتغطية القناة الصغيرة المدببة منطقة. عند ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ومعدل التدفق، Q = 2400 ميكرومتر/ثانية، من محلول ملحي Tris (TBS) ممزوج بـ 0.1 مجم/مل من (إيزوثيوسيانات الفلورسين) FITC-Dextran، قامت الميكروجيل بتغطية القناة الصغيرة المدببة منطقة. П ΔP = 700 باسكال (<ΔPtr) и скорости потока, Q = 2400 мкм3/с, тris-буfferного солевого раствора (TBS), смесанного с 0,1 mg/ml (fluуоreсцеинизотио) سياناتا) FITC-dekstrana، ميكروجيلل يتم إعادة تشفيره بواسطة ميكروقنال. عند ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ومعدل تدفق، Q = 2400 ميكرومتر/ثانية، من محلول ملحي Tris (TBS) ممزوج بـ 0.1 ملغ/مل (إيزوثيوسيانات فلوريسئين) FITC-ديكستران، أغلقت microgel القناة الصغيرة المتقاربة.منطقة.ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) وQ = 2400 μm3/s في Tris (TBS) 0.1 mg/mL (محلول FITC)-FITC شكرا جزيلا لا داعي للقلق.ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) وQ = 2400 μm3/s عند الضغط على الضوء. تشترى شركة ميكروجيلي منتجاتها من خلال علاج ثلاثي الفوسفات (TBS) بنسبة 0.1 ملغم / مل (فلوريستينوزيتيوسيانات) FITC من أجل Δ P = 700 باسكال (<ΔPtr) و скорости потока Q = 2400 мкм3/с Конические области микроканалов. يتم توصيل Microgels عندما تم خلط محلول Tris المخزن المؤقت (TBS) مع 0.1 مجم / مل (فلوريسئين إيزوثيوسيانات) FITC-dextran عند ΔP = 700 Pa (<ΔPtr) ومعدل التدفق Q = 2400 ميكرومتر 3 / ثانية المناطق المخروطية للقنوات الصغيرة.يحدد الموضع الأمامي Xf للجيل الصغير المسافة من نقطة الانكماش الأولية X0.للحث على التحلل، تم حقن محلول منشط البلاسمينوجين النسيجي المسمى الفلورسنت في TBS من قناة تقع بشكل متعامد على المحور الطويل للقناة الدقيقة الرئيسية.
عندما وصل محلول tPA إلى MM الإطباق، أصبحت الحافة الخلفية للميكروبيل غير واضحة، مما يشير إلى أن انقسام الفيبرين قد بدأ في الوقت tlys = 0 (الشكل ثلاثي الأبعاد والشكل التكميلي 18).أثناء انحلال الفيبرين، يتراكم tPA المسمى بالصبغة داخل MM ويرتبط بخيوط الفيبرين، مما يؤدي إلى زيادة تدريجية في شدة اللون الوردي للميكروبات.عند tlys = 60 دقيقة، يتقلص MM بسبب انحلال الجزء الخلفي منه، ويتغير موضع الحافة الأمامية Xf قليلًا.بعد 160 دقيقة، استمر MM المتقلص بشدة في الانكماش، وعند tlys = 161 دقيقة، تعرض للانكماش، وبالتالي استعادة تدفق السوائل عبر القناة الدقيقة (الشكل ثلاثي الأبعاد والشكل التكميلي 18، العمود الأيمن).
على الشكل.يُظهر الشكل 3e النقصان المعتمد على الوقت بوساطة التحلل في الحجم V (tlys) الذي تم تطبيعه إلى الحجم الأولي V0 من ميكروجيلات الفيبرين ذات الأحجام المختلفة.تم وضع ثاني أكسيد الكربون مع D0 174 أو 199 أو 218 ميكرومتر في قناة صغيرة مع ΔP 1200 أو 1800 أو 3000 باسكال، على التوالي، وQ = 1860 ± 70 ميكرومتر / ثانية لمنع القناة الدقيقة (الشكل 3 هـ، أقحم).تَغذِيَة.تتقلص الهلاميات الدقيقة تدريجيًا حتى تصبح صغيرة بما يكفي للمرور عبر القنوات.يتطلب الانخفاض في الحجم الحرج لثاني أكسيد الكربون بقطر أولي أكبر وقتًا أطول للتحلل.بسبب التدفق المماثل من خلال RMs ذات أحجام مختلفة، يحدث الانقسام بنفس المعدل، مما يؤدي إلى هضم الكسور الأصغر من RMs الأكبر وتأخر إزاحتها.على الشكل.يُظهر الشكل 3f التخفيض النسبي في V(tlys)/V0 بسبب تقسيم SM وMM وRM عند D0 = 197 ± 3 ميكرومتر المرسومة كدالة لـ tlys.بالنسبة لـ SM وMM وRM، ضع كل ميكروجيل في قناة متناهية مع ΔP 400 أو 750 أو 1800 Pa وQ 12300 أو 2400 أو 1860 μm3/s، على التوالي.على الرغم من أن الضغط المطبق على SM كان أقل بمقدار 4.5 مرات من الضغط على RM، إلا أن التدفق عبر SM كان أقوى بأكثر من ستة أضعاف بسبب نفاذية SM الأعلى، وانخفض انكماش الميكروجيل من SM إلى MM وRM .على سبيل المثال، عند tlys = 78 دقيقة، تم حل SM وتشريدها في الغالب، بينما استمرت MM وPM في انسداد القنوات الصغيرة، على الرغم من احتفاظها بـ 16% و20% فقط من حجمها الأصلي، على التوالي.تشير هذه النتائج إلى أهمية التحلل الحراري للمواد الهلامية الليفية المقيدة وترتبط بتقارير الهضم الأسرع للجلطات ذات المحتوى المنخفض من الفيبرين.
وهكذا، يوضح عملنا تجريبيًا ونظريًا الآلية التي تستجيب بها المواد الهلامية الخيطية للحبس ثنائي المحور.يتم تحديد سلوك المواد الهلامية الليفية في مساحة محدودة من خلال عدم التماثل القوي في طاقة الانفعال للخيوط (لينة في الضغط وصلبة في التوتر) وفقط من خلال نسبة العرض إلى الارتفاع وانحناء الخيوط.يؤدي هذا التفاعل إلى الحد الأدنى من استطالة المواد الهلامية الليفية الموجودة في الشعيرات الدموية الضيقة، وتتناقص نسبة بواسون ذات المحورين مع زيادة الضغط وانخفاض ضغط البت الخفيف.
نظرًا لاستخدام الاحتواء ثنائي المحور للجسيمات الناعمة القابلة للتشوه في مجموعة واسعة من التقنيات، فإن نتائجنا تحفز تطوير مواد ليفية جديدة.على وجه الخصوص، يؤدي احتجاز المواد الهلامية الخيطية ذات المحورين في الشعيرات الدموية أو الأنابيب الضيقة إلى ضغطها القوي وانخفاض حاد في النفاذية.إن التثبيط القوي لتدفق السوائل عبر المواد الهلامية الليفية المسدودة له مزايا عند استخدامه كسدادات لمنع النزيف أو تقليل تدفق الدم إلى الأورام الخبيثة .من ناحية أخرى، فإن انخفاض تدفق السوائل من خلال هلام الفيبرين الإطباق، وبالتالي تثبيط تحلل الخثرة بوساطة الحمل الحراري، يعطي مؤشرا على التحلل البطيء لجلطات الإطباق [27، 36، 37].يعد نظام النمذجة الخاص بنا هو الخطوة الأولى نحو فهم الآثار المترتبة على الاستجابة الميكانيكية للهيدروجيلات البوليمر الحيوي الليفي للاحتفاظ ثنائي المحور.إن دمج خلايا الدم أو الصفائح الدموية في المواد الهلامية الليفية المسدودة سيؤثر على سلوكها التقييدي 38 وسيكون الخطوة التالية في الكشف عن سلوك الأنظمة الأكثر تعقيدًا ذات الأهمية البيولوجية.
تم وصف الكواشف المستخدمة لتحضير جزيئات الفيبرين الدقيقة وتصنيع أجهزة MF في المعلومات التكميلية (أقسام الطرق التكميلية 2 و 4).تم تحضير جزيئات الفيبرين الدقيقة عن طريق استحلاب محلول مختلط من الفيبرينوجين وعازلة تريس والثرومبين في جهاز MF يركز على التدفق، متبوعًا بتجلط القطرات.تم إعطاء محلول الفيبرينوجين البقري (60 ملغم / مل في TBS) ومحلول Tris العازل ومحلول الثرومبين البقري (5 وحدات / مل في محلول CaCl 2 10 ملم) باستخدام مضختي حقنة يتم التحكم فيهما بشكل مستقل (PhD 200 Harvard Apparatus PHD 2000 Syring Pump).لمنع MF ، الولايات المتحدة الأمريكية).تم إدخال المرحلة المستمرة من الزيت F التي تحتوي على 1٪ بالوزن من البوليمر المشترك PFPE-P (EO-PO) -PFPE، إلى وحدة MF باستخدام مضخة حقنة ثالثة.يتم جمع القطرات المتكونة في جهاز MF في أنبوب طرد مركزي سعة 15 مل يحتوي على زيت F.ضع الأنابيب في حمام مائي عند 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لإكمال جيلاتين الفيبرين.تم تحضير ميكروجيلات الفيبرين المسمى FITC عن طريق خلط الفيبرينوجين البقري والفيبرينوجين البشري المسمى FITC بنسبة وزن 33: 1، على التوالي.الإجراء هو نفسه بالنسبة لإعداد ميكروجيلات الفيبرين.
نقل ميكروجيلس من النفط F إلى TBS عن طريق الطرد المركزي التشتت عند 185 جم لمدة 2 دقيقة.تم تشتيت الميكروبات الهلامية المترسبة في الزيت F الممزوج بنسبة 20٪ بالوزن من كحول البيرفلوروكتيل، ثم تم تفريقها في الهكسان الذي يحتوي على 0.5٪ بالوزن Span 80، الهكسان، 0.1٪ بالوزن Triton X في الماء وTBS.أخيرًا، تم تفريق الميكروبات في TBS الذي يحتوي على 0.01٪ بالوزن توين 20 وتخزينها عند 4 درجات مئوية لمدة 1-2 أسابيع تقريبًا قبل التجارب.
تم وصف تصنيع جهاز MF في المعلومات التكميلية (قسم الطرق التكميلية 5).في تجربة نموذجية، يتم تحديد القيمة الإيجابية لـ ΔP بواسطة الارتفاع النسبي للخزانات المتصلة قبل وبعد جهاز MF لإدخال microgels بقطر 150 < D0 < 270 ميكرومتر في القنوات الدقيقة.تم تحديد الحجم غير المضطرب للميكروبات من خلال تصورها في القناة الكبيرة.تتوقف الميكروجيل في منطقة مخروطية عند مدخل الانقباض.عندما يبقى غيض من ميكروجيل الأمامي دون تغيير لمدة 2 دقيقة، استخدم برنامج MATLAB لتحديد موضع ميكروجيل على طول المحور السيني.مع زيادة تدريجية في ΔP، تتحرك الهلامة الدقيقة على طول المنطقة ذات الشكل الإسفيني حتى تدخل في الانقباض.بمجرد إدخال ميكروجيل وضغطه بالكامل، تنخفض ΔP بسرعة إلى الصفر، مما يؤدي إلى موازنة مستوى الماء بين الخزانات، ويظل ميكروجيل المغلق ثابتًا تحت الضغط.تم قياس طول microgel الانسدادي بعد 30 دقيقة من توقف الانقباض.
أثناء تجارب انحلال الفيبرين، تخترق محاليل t-PA وديكستران المسمى FITC الجزيئات الصغيرة المحظورة.تمت مراقبة تدفق كل سائل باستخدام التصوير الفلوري أحادي القناة.TAP المسمى بـ AlexaFluor 633 المتصل بألياف الفيبرين والمتراكم داخل ميكروجيلات الفيبرين المضغوطة (قناة TRITC في الشكل التكميلي 18).يتحرك محلول ديكستران المسمى بـ FITC دون تراكم في الجل الصغير.
البيانات الداعمة لنتائج هذه الدراسة متاحة من المؤلفين المعنيين عند الطلب.صور SEM الخام للمواد الهلامية الليفين، وصور TEM الخام للمواد الهلامية الفيبرين قبل وبعد التلقيح، وبيانات الإدخال الرئيسية للأشكال 1 و 2. يتم توفير 2 و 3 في ملف البيانات الأولية.توفر هذه المقالة البيانات الأصلية.
ليتفينوف آر آي، بيترز إم، دي لانج-لوتس زد، ويزل جي في فيبرينوجين وفيبرين.في مجمع البروتين الجزيئي الثالث: البنية والوظيفة (ed. Harris, JR and Marles-Wright, J.) 471-501 https://doi.org/10.1007/978-3-030-58971-4_15 (سبرينغر وشام، 2021).
Bosman FT وStamenkovich I. الهيكل الوظيفي وتكوين المصفوفة خارج الخلية.جيه باسول.200، 423-428 (2003).
Prince E. وKumacheva E. تصميم وتطبيق الهلاميات المائية المصنوعة من الألياف الاصطناعية ذات المحاكاة الحيوية.الوطنية مات الأحمر.4، 99-115 (2019).
Broedersz، CP & Mackintosh، FC نمذجة شبكات البوليمر شبه المرنة.مود الكاهن.الفيزياء.86، 995-1036 (2014).
Khatami-Marbini، H. and Piku، KR النمذجة الميكانيكية لشبكات البوليمر الحيوي شبه المرنة: تشوه غير متجانس ووجود تبعيات طويلة المدى.التقدم في ميكانيكا المادة الناعمة 119-145 (سبرينغر، برلين، هايدلبرغ، 2012).
Vader D، Kabla A، Weitz D، and Mahadevan L. محاذاة المواد الهلامية الكولاجينية الناتجة عن الإجهاد.بلوس واحد 4، e5902 (2009).
Storm S.، Pastore JJ، McKintosh FS، Lubensky TS، and Gianmi PA المرونة غير الخطية للجيلات الحيوية.طبيعة 435، 191-194 (2005).
Likup، AJ Stress يتحكم في آليات شبكة الكولاجين.عملية.الأكاديمية الوطنية للعلوم.العلم.الولايات المتحدة 112، 9573-9578 (2015).
جانمي، السلطة الفلسطينية، وآخرون.الإجهاد الطبيعي السلبي في المواد الهلامية الحيوية شبه المرنة.المدرسة الوطنية.6، 48-51 (2007).
كانغ، H. وآخرون.المرونة غير الخطية لشبكات الألياف الصلبة: تصلب الإجهاد، والإجهاد الطبيعي السلبي، ومحاذاة الألياف في المواد الهلامية الفيبرين.ي. الفيزياء.المواد الكيميائية.خامسا 113، 3799-3805 (2009).
جارديل، مل وآخرون.السلوك المرن لشبكات الأكتين المترابطة والمرتبطة.العلوم 304، 1301-1305 (2004).
شارما، A. وآخرون.الميكانيكا غير الخطية لشبكات الألياف الضوئية التي يتم التحكم فيها بالضغط مع التحكم النقدي.الفيزياء الوطنية.12، 584-587 (2016).
الوهابي، M. وآخرون.مرونة شبكات الألياف تحت الإجهاد أحادي المحور.المادة الناعمة 12، 5050-5060 (2016).
Wufsus، AR، Macera، NE & Neeves، KB النفاذية الهيدروليكية لتجلط الدم كدالة لكثافة الفيبرين والصفائح الدموية.الفيزياء الحيوية.مجلة 104، 1812-1823 (2013).
لي، Y. وآخرون.يقتصر السلوك المتنوع للهيدروجيلات على الشعيرات الدموية الضيقة.العلم.منزل 5، 17017 (2015).
Liu، X.، Li، N. & Wen، C. تأثير عدم التجانس المرضي على التصوير المرن لموجة القص في مراحل تجلط الأوردة العميقة.بلوس وان 12، e0179103 (2017).
Mfoumou، E.، Tripette، J.، Blostein، M. & Cloutier، G. في الجسم الحي الكمي لتصلب جلطات الدم المعتمدة على الوقت باستخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية لموجة القص في نموذج تجلط الدم الوريدي في الأرانب.الجلطة.خزان.133، 265-271 (2014).
Weisel، JW & Nagaswami، C. محاكاة الكمبيوتر لديناميات بلمرة الفيبرين فيما يتعلق بالمجهر الإلكتروني وملاحظات التعكر: يتم التحكم في بنية الجلطة وتجميعها حركيًا.الفيزياء الحيوية.مجلة 63، 111-128 (1992).
Ryan، EA، Mokros، LF، Weisel، JW and Lorand، L. الأصل الهيكلي لريولوجيا جلطة الفيبرين.الفيزياء الحيوية.ج. 77، 2813-2826 (1999).
وقت النشر: 23 فبراير 2023