Hidrogéis fibrosos sob confinamento biaxial

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3264 (2022) Citar este artigo

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O confinamento de hidrogéis fibrosos em capilares estreitos é de grande importância em sistemas biológicos e biomédicos. O alongamento e a compressão uniaxial de hidrogéis fibrosos têm sido extensivamente estudados; no entanto, sua resposta ao confinamento biaxial em capilares permanece inexplorada. Aqui, mostramos experimentalmente e teoricamente que, devido à assimetria nas propriedades mecânicas dos filamentos constituintes que são macios na compressão e rígidos na extensão, os géis filamentosos respondem ao confinamento de uma maneira qualitativamente diferente dos géis de fita flexível. Sob forte confinamento, os géis fibrosos exibem um alongamento fraco e uma diminuição assintótica para zero de sua razão de Poisson biaxial, o que resulta em forte densificação do gel e um fluxo fraco de líquido através do gel. Esses resultados lançam luz sobre a resistência de coágulos oclusivos tensos à lise com agentes terapêuticos e estimulam o desenvolvimento de tampões endovasculares eficazes a partir de géis com estruturas fibrosas para interromper o sangramento vascular ou suprimir o suprimento de sangue para tumores.

As redes fibrosas são um importante componente estrutural e funcional de tecidos e células vivas. A actina é o principal elemento do citoesqueleto1; a fibrina é um elemento crucial na cicatrização de feridas e trombose2, e o colágeno, a elastina e a fibronectina são os constituintes da matriz extracelular no reino animal3. Redes reconstituídas de biopolímeros fibrosos surgiram como materiais com uma ampla gama de aplicações na engenharia de tecidos4.

As redes filamentosas representam uma classe distinta de matéria mole biológica, com propriedades mecânicas distintas das redes de moléculas flexíveis5. Algumas dessas propriedades se desenvolveram durante o curso da evolução para controlar a resposta da matéria biológica à deformação6. Por exemplo, as redes fibrosas apresentam elasticidade linear em pequenas deformações7,8, enquanto em deformações maiores apresentam um aumento da rigidez9,10, garantindo assim a integridade do tecido. As implicações de outras propriedades mecânicas dos géis fibrosos, por exemplo, a tensão normal negativa em resposta à tensão de cisalhamento11,12 ainda não foram descobertas.

As propriedades mecânicas de hidrogéis fibrosos semiflexíveis foram estudadas sob alongamento uniaxial13,14 e compressão8,15, no entanto, sua compressão biaxial induzida por confinamento em capilares estreitos ou tubos não foi examinada. Aqui, relatamos resultados experimentais e propomos teoricamente o mecanismo do comportamento do hidrogel fibroso sob confinamento biaxial em um canal microfluídico.

Microgéis de fibrina com variação da razão de concentração de fibrinogênio para trombina e diâmetro, D0, de 150 a 220 μm foram gerados usando uma abordagem microfluídica (Suplementar Fig. 1). A Figura 1a mostra uma imagem de microscopia de fluorescência confocal (CFM) de microgéis marcados com corante fluorescente. Os microgéis apresentaram formato esférico, polidispersão abaixo de 5% e estrutura uniforme na escala examinada por CFM (Informações Suplementares e Filmes S1 e S2). O tamanho médio dos poros dos microgéis (determinado pela medição da permeabilidade Darcy16) reduziu de 2280 para 60 nm com o teor de fibrina aumentando de 5,25 para 37,9 mg/mL e a concentração de trombina reduzindo de 2,56 para 0,27 Unidade/mL, respectivamente (Figs. 2 suplementares , 3 e Tabela Complementar 1). A rigidez do microgel correspondente aumentou de 0,85 para 3,6 kPa (Fig. 4 complementar). Microgéis de agarose com várias rigidezes foram usados ​​como exemplo de géis formados por filamentos flexíveis17.

uma imagem de microscopia de fluorescência de RMs marcados com isotiocianato de fluoresceína (FITC) suspensos em TBS. A barra de escala é de 500 μm. b Imagens SEM do SM (superior) e RM (inferior). As barras de escala são 500 nm. c Esquema do canal microfluídico contendo um canal em geral (diâmetro dl) e uma constrição com o ângulo de entrada, α, da região cônica de 15° e um diâmetro, dc = 65 μm. d Esquerda para a direita: imagens de microscopia óptica de RM (diâmetro de D0) no canal-at-large, zona cônica e na constrição (comprimento do gel confinado de Dz). As barras de escala são 100 μm. e, f Imagens TEM do RM indeformado (e) e RM oclusivo (f), após seu confinamento de uma hora na constrição a 1/λr = 2,7, liberação subsequente e fixação com solução de 5% em peso de glutaraldeído em TBS. O diâmetro do RM não deformado foi de 176 μm. A barra de escala é de 100 nm.