Волокнистые гидрогели в двухосном удержании

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3264 (2022) Цитировать эту статью

3250 Доступов

1 Цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Удержание волокнистых гидрогелей в узких капиллярах имеет большое значение в биологических и биомедицинских системах. Растяжение и одноосное сжатие волокнистых гидрогелей широко изучены; однако их реакция на двухосное удержание в капиллярах остается неизученной. Здесь мы экспериментально и теоретически показываем, что из-за асимметрии механических свойств составляющих нитей, которые являются мягкими при сжатии и жесткими при растяжении, нитевидные гели реагируют на удержание качественно иным образом, чем гели с гибкими нитями. При сильном удержании волокнистые гели демонстрируют слабое удлинение и асимптотическое уменьшение до нуля их двухосного коэффициента Пуассона, что приводит к сильному уплотнению геля и слабому потоку жидкости через гель. Эти результаты проливают свет на устойчивость напряженных окклюзионных тромбов к лизису терапевтическими агентами и стимулируют разработку эффективных эндоваскулярных пробок из гелей с волокнистой структурой для остановки сосудистого кровотечения или подавления кровоснабжения опухолей.

Волокнистые сети являются основным структурным и функциональным компонентом тканей и живых клеток. Актин является основным элементом цитоскелета1; фибрин является важнейшим элементом заживления ран и тромбообразования2, а коллаген, эластин и фибронектин являются составляющими внеклеточного матрикса в животном мире3. Восстановленные сети волокнистых биополимеров стали материалами с широким спектром применений в тканевой инженерии4.

Нитевидные сети представляют собой отдельный класс биологической мягкой материи с механическими свойствами, отличными от свойств сетей гибких молекул5. Некоторые из этих свойств развились в ходе эволюции, чтобы контролировать реакцию биологической материи на деформацию6. Например, волокнистые сети демонстрируют линейную эластичность при небольших деформациях7,8, а при большей деформации они демонстрируют увеличение жесткости9,10, обеспечивая тем самым целостность тканей. Значение других механических свойств волокнистых гелей, например, отрицательного нормального напряжения в ответ на сдвиговую деформацию11,12 еще предстоит обнаружить.

Механические свойства полугибких волокнистых гидрогелей изучались при одноосном растяжении13,14 и сжатии8,15, однако их двухосное сжатие, вызванное удержанием в узких капиллярах или трубках, не исследовалось. Здесь мы сообщаем об экспериментальных результатах и ​​теоретически предлагаем механизм поведения волокнистого гидрогеля при двухосном удержании в микрофлюидном канале.

Микрогели фибрина с различным соотношением концентрации фибриногена к тромбину и диаметром D0 от 150 до 220 мкм были созданы с использованием микрофлюидного подхода (дополнительный рисунок 1). На рисунке 1а показано изображение микрогелей, меченных флуоресцентным красителем, с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии (CFM). Микрогели имели сферическую форму, полидисперсность ниже 5% и однородную структуру в масштабе, исследованном CFM (дополнительная информация и фильмы S1 и S2). Средний размер пор микрогелей (определенный путем измерения проницаемости по Дарси16) уменьшился с 2280 до 60 нм, при этом содержание фибрина увеличилось с 5,25 до 37,9 мг/мл, а концентрация тромбина снизилась с 2,56 до 0,27 единиц/мл соответственно (дополнительные рисунки 2). , 3 и дополнительная таблица 1). Соответствующая жесткость микрогеля увеличилась с 0,85 до 3,6 кПа (дополнительный рисунок 4). В качестве примера гелей, образованных гибкими нитями, были использованы агарозные микрогели различной жесткости17.

Изображение флуоресцентной микроскопии меченных флюоресцеином изотиоцианатом (FITC) RM, суспендированных в TBS. Масштабная линейка составляет 500 мкм. б СЭМ-изображения СМ (вверху) и РМ (внизу). Масштабные линейки составляют 500 нм. c Схема микрожидкостного канала, содержащего канал в целом (диаметр dl) и сужение с входным углом α конусной области 15° и диаметром dc = 65 мкм. d Слева направо: изображения RM, полученные оптической микроскопией (диаметр D0) в канале в целом, конической зоне и в сужении (длина ограниченного геля Dz). Масштабные линейки составляют 100 мкм. д, е ПЭМ-изображения недеформированного РМ (д) и окклюзионного РМ (е) после его часового заключения в сужении при 1/λr = 2,7, последующего высвобождения и фиксации 5 мас. % раствором глутаральдегида в TBS. Диаметр недеформированного РМ составил 176 мкм. Масштабная линейка составляет 100 нм.