이축 감금된 섬유질 하이드로겔

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3264(2022) 이 기사 인용

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좁은 모세혈관에 섬유질 하이드로겔을 가두는 것은 생물학적 및 생물의학 시스템에서 매우 중요합니다. 섬유질 하이드로겔의 신장 및 단축 압축이 광범위하게 연구되었습니다. 그러나 모세혈관의 이축 감금에 대한 반응은 아직 밝혀지지 않았습니다. 여기에서는 압축시 부드럽고 확장시 뻣뻣한 구성 필라멘트의 기계적 특성의 비대칭 성으로 인해 필라멘트 젤이 유연한 가닥 젤과 질적으로 다른 방식으로 감금에 반응한다는 것을 실험적 및 이론적으로 보여줍니다. 강한 구속 하에서, 섬유질 겔은 약한 연신율과 이축 포아송 비의 0으로의 점근적 감소를 나타내며, 이는 강한 겔 조밀화 및 겔을 통한 약한 액체 흐름을 초래합니다. 이러한 결과는 긴장된 폐쇄성 혈전이 치료제로 용해되는 것에 대한 저항성을 밝히고 혈관 출혈을 멈추거나 종양으로의 혈액 공급을 억제하기 위한 섬유 구조를 가진 겔로부터 효과적인 혈관내 플러그의 발달을 자극합니다.

섬유 네트워크는 조직과 살아있는 세포의 주요 구조적, 기능적 구성 요소입니다. 액틴은 세포골격1의 주요 요소입니다. 피브린은 상처 치유와 혈전증2의 중요한 요소이며 콜라겐, 엘라스틴 및 피브로넥틴은 동물계3의 세포외 기질의 구성 요소입니다. 섬유질 생체고분자의 재구성된 네트워크는 조직공학4에서 광범위한 응용이 가능한 재료로 등장했습니다.

필라멘트 네트워크는 유연한 분자 네트워크와는 다른 기계적 특성을 지닌 생물학적 연성 물질의 독특한 클래스를 나타냅니다. 이러한 특성 중 일부는 변형에 대한 생물학적 물질의 반응을 제어하기 위해 진화 과정에서 개발되었습니다6. 예를 들어, 섬유 네트워크는 작은 변형7,8에서 선형 탄력성을 나타내는 반면 큰 변형에서는 강성이 증가하여 조직 무결성을 보장합니다. 섬유질 겔의 다른 기계적 특성, 예를 들어 전단 변형에 대한 음의 수직 응력의 의미는 아직 발견되지 않았습니다.

반유연성 섬유질 하이드로겔의 기계적 특성은 일축 스트레칭13,14 및 압축8,15에서 연구되었지만 좁은 모세관 또는 튜브에서의 감금 유발 이축 압축은 검사되지 않았습니다. 여기에서 우리는 실험 결과를 보고하고 미세유체 채널의 이축 감금 하에서 섬유질 하이드로겔의 거동 메커니즘을 이론적으로 제안합니다.

미세 유체 접근법을 사용하여 피브리노겐 대 트롬빈 농도 비율과 직경 D0가 150에서 220 μm까지 다양한 피브린 마이크로 겔이 생성되었습니다 (보충 그림 1). 그림 1a는 형광 염료로 표지된 마이크로겔의 공초점 형광 현미경(CFM) 이미지를 보여줍니다. 마이크로겔은 구형 모양, 5% 미만의 다분산도 및 CFM(보충 정보 및 영화 S1 및 S2)에서 조사한 규모의 균일한 구조를 가졌습니다. 마이크로겔의 평균 기공 크기(Darcy 투과성을 측정하여 결정)는 피브린 함량이 5.25에서 37.9 mg/mL로 증가하고 트롬빈 농도가 2.56에서 0.27 단위/mL로 감소하여 2280에서 60 nm로 감소했습니다(보충 그림 2). , 3 및 보충 표 1). 해당 마이크로겔 강성은 0.85에서 3.6 kPa로 증가했습니다 (보조 그림 4). 다양한 강성을 지닌 아가로스 마이크로겔이 유연한 가닥에 의해 형성된 겔의 예로 사용되었습니다.

TBS에 현탁된 플루오레세인 이소티오시아네이트(FITC) 표지 RM의 형광 현미경 이미지. 스케일 바는 500μm입니다. b SM(상단)과 RM(하단)의 SEM 이미지. 스케일 바는 500nm입니다. c 채널 크기(직경 dl)와 15° 테이퍼 영역의 입구각 α 및 직경 dc = 65 μm의 수축을 포함하는 미세 유체 채널의 도식입니다. d 왼쪽에서 오른쪽으로: 채널 크기, 테이퍼 영역 및 수축(Dz의 제한된 겔 길이)에서 RM(D0 직경)의 광학 현미경 이미지. 스케일 바는 100μm입니다. e, f 변형되지 않은 RM(e) 및 폐쇄성 RM(f)의 TEM 이미지는 1/λr = 2.7의 수축에서 1시간 동안 감금된 후 후속 방출되고 TBS에서 5wt% 글루타르알데히드 용액으로 고정됩니다. 변형되지 않은 RM의 직경은 176μm였습니다. 스케일 바는 100 nm입니다.

ΔPtr, the microgel passed the constriction, where ΔPtr is the translocation pressure difference. The length and the size of pores of biaxially confined microgels were determined for their equilibrated state, since accounting for gel's viscoelasticity is of utter importance in biological systems. The time of equilibration was 10 and 30 min for agarose and fibrin microgels, respectively. After these time intervals, confined microgel reached their steady-state position and shape, which were recorded with a high-speed camera and analyzed by MATLAB./p> 3.5, a significant increase in filament volume fraction and interactions of neighboring filaments constrained further gel deformation and resulted in the deviation of experimental results from the prediction (the red dotted line in Fig. 2e). We conclude that for the same 1/λr and Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}_{{{{{{\rm{fibrin}}}}}}}}\) < ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}_{{{{{{\rm{agarose}}}}}}}}\), the agarose gel would be trapped in the microchannel, while a fibrin gel of the same stiffness would pass it. For ΔP < Δ\({P}_{{{{{{{\rm{tr}}}}}}}_{{{{{{\rm{fibrin}}}}}}}}\), both gels would obstruct the channel, however the fibrin gel would be pushed deeper and would experience a stronger compression, thus more effectively blocking the flow of liquid. The results shown in Fig. 2 imply that fibrous gels would act as effective plugs to reduce bleeding or suppress blood supply to the tumor./p>

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