Idrogel fibrosi sotto confinamento biassiale

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3264 (2022) Citare questo articolo

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Il confinamento di idrogel fibrosi in capillari stretti è di grande importanza nei sistemi biologici e biomedici. Lo stiramento e la compressione uniassiale degli idrogel fibrosi sono stati ampiamente studiati; tuttavia, la loro risposta al confinamento biassiale nei capillari rimane inesplorata. Qui, mostriamo sperimentalmente e teoricamente che a causa dell'asimmetria nelle proprietà meccaniche dei filamenti costituenti che sono morbidi alla compressione e rigidi all'estensione, i gel filamentosi rispondono al confinamento in modo qualitativamente diverso rispetto ai gel a filamento flessibile. Sotto forte confinamento, i gel fibrosi mostrano un debole allungamento e una diminuzione asintotica fino a zero del loro rapporto di Poisson biassiale, che si traduce in una forte densificazione del gel e un debole flusso di liquido attraverso il gel. Questi risultati fanno luce sulla resistenza dei coaguli occlusivi tesi alla lisi con agenti terapeutici e stimolano lo sviluppo di efficaci tappi endovascolari da gel con strutture fibrose per arrestare il sanguinamento vascolare o sopprimere l'afflusso di sangue ai tumori.

Le reti fibrose sono un importante componente strutturale e funzionale dei tessuti e delle cellule viventi. L'actina è l'elemento principale del citoscheletro1; la fibrina è un elemento cruciale per la guarigione delle ferite e la trombosi2, mentre il collagene, l'elastina e la fibronectina sono i costituenti della matrice extracellulare nel regno animale3. Reti ricostituite di biopolimeri fibrosi sono emerse come materiali con un'ampia gamma di applicazioni nell'ingegneria dei tessuti4.

Le reti filamentose rappresentano una classe distinta di materia soffice biologica, con proprietà meccaniche distinte da quelle delle reti di molecole flessibili5. Alcune di queste proprietà si sono sviluppate 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 deformazioni maggiori mostrano un aumento della rigidità9,10, garantendo così l'integrità del tessuto. Le implicazioni di altre proprietà meccaniche dei gel fibrosi, ad esempio, 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 in condizioni di stiramento uniassiale13,14 e compressione8,15, tuttavia la loro compressione biassiale indotta dal confinamento in capillari o tubi stretti non è stata esaminata. Qui riportiamo i risultati sperimentali e proponiamo teoricamente il meccanismo del comportamento dell'idrogel fibroso sotto confinamento biassiale in un canale microfluidico.

Microgel di fibrina con rapporto di concentrazione e diametro variabili tra fibrinogeno e trombina, D0, da 150 a 220 μm sono stati generati utilizzando un approccio microfluidico (Figura 1 supplementare). La Figura 1a mostra un'immagine al microscopio a fluorescenza confocale (CFM) di microgel etichettati con colorante fluorescente. I microgel avevano una forma sferica, polidispersità inferiore al 5% e una struttura uniforme sulla scala esaminata da CFM (Informazioni supplementari e filmati S1 e S2). La dimensione media dei pori dei microgel (determinata misurando la permeabilità Darcy16) si è ridotta da 2280 a 60 nm con un aumento del contenuto di fibrina da 5,25 a 37,9 mg/ml e una riduzione della concentrazione di trombina da 2,56 a 0,27 unità/ml, rispettivamente (Fig. 2 supplementari , 3 e Tabella Supplementare 1). La corrispondente rigidità del microgel è aumentata da 0,85 a 3,6 kPa (Figura 4 supplementare). Microgel di agarosio con varia rigidità sono stati utilizzati come esempio di gel formati da filamenti flessibili17.

a Immagine al microscopio a fluorescenza di RM marcati con isotiocianato di fluoresceina (FITC) sospesi in TBS. La barra della scala è 500 μm. b Immagini SEM di SM (in alto) e RM (in basso). Le barre della scala sono 500 nm. c Schema del canale microfluidico contenente un canale ampio (diametro di dl) e una restrizione con l'angolo di ingresso, α, della regione rastremata di 15° e un diametro, dc = 65 μm. d Da sinistra a destra: immagini al microscopio ottico di RM (diametro di D0) nel canale in generale, nella zona rastremata e nella costrizione (lunghezza del gel confinato di Dz). Le barre della scala sono 100 μm. e, f Immagini TEM dell'RM non deformato (e) e dell'RM occlusivo (f), dopo il suo confinamento di un'ora nella costrizione a 1/λr = 2,7, successivo rilascio e fissaggio con una soluzione al 5% in peso di glutaraldeide in TBS. Il diametro dell'RM indeformato era di 176 μm. La barra della scala è 100 nm.