双轴约束下的纤维水凝胶
纤维生物聚合物的重组网络已成为在组织工程中具有广泛应用的材料，其机械性能不同于柔性分子的网络。在生物和生物医学系统中，将纤维水凝胶限制在狭窄的毛细管中是非常重要的。纤维水凝胶的拉伸和单轴压缩已被广泛研究，然而，它们对毛细管中双轴约束的反应仍然没有被探索。
多伦多大学的Eugenia Kumacheva教授、Arun Ramachandran教授及杜克大学的Michael Rubinstein教授团队联合，在实验和理论上表明，由于组成纤维的机械性能不对称，这些纤维在压缩时变软，在拉伸时变硬，因此丝状凝胶对限制的反应与柔性链凝胶在性质上不同。在强约束条件下，纤维凝胶表现出弱伸长，双轴泊松比逐渐减小至零，这导致凝胶致密化强烈，液体通过凝胶的通量较弱。这些结果揭示了张力闭塞血栓对治疗剂溶解的抵抗力，并刺激了由纤维结构凝胶制成的有效血管内栓塞的发展，以阻止血管出血或抑制肿瘤的血液供应。该研究以题为“Fibrous hydrogels under biaxial confinement”发表在《Nature Communications》上。
【纤维蛋白微凝胶的制备与表征】
首先使用微流体方法产生具有不同纤维蛋白原与凝血酶浓度比和直径D0从150到220 μm的纤维蛋白微凝胶。荧光染料标记的微凝胶的共聚焦荧光显微镜(CFM)图像显示微凝胶呈球形，多分散性低于5%，具有均匀的结构。微凝胶的平均孔径从2280减少到60 nm，纤维蛋白含量从5.25增加到37.9 mg/mL，凝血酶浓度分别从2.56减少到0.27 Unit/mL。相应的微凝胶刚度从0.85增加到3.6 kPa。
图1：纤维蛋白微凝胶的特性
刚度为0.85(软微凝胶SM)、1.87(中等硬度微凝胶MM)和3.6 kPa(刚性微凝胶RM)的纤维蛋白微凝胶被用于后续实验。这个范围的纤维蛋白凝胶硬度血凝块的数量级相同，与真实的生物系统直接相关。将微凝胶引入微流控通道，当正压差ΔP大于易位压差ΔPtr时，微凝胶通过收缩区域。双轴受限微凝胶的孔长度和大小是根据其平衡状态确定的。琼脂糖和纤维蛋白微凝胶的平衡时间分别为10分钟和30分钟。RM被限制收缩后，微凝胶孔的大小显著减小，其形状变得各向异性，压缩方向的尺寸更小。
【双轴压缩微凝胶的实验和理论分析】
收缩过程中的双轴压缩导致微凝胶在无约束方向上伸长，图2a显示了纤维蛋白和琼脂糖微凝胶的伸长率的变化。纤维蛋白微凝胶的伸长率反应与约束琼脂糖微凝胶的行为形成了明显的对比，这种差异是由于纤维蛋白和琼脂糖微凝胶网络的变形机制不同。纤维蛋白等丝状凝胶平行于压缩方向取向的纤维弯曲，垂直于压缩方向的纤维被拉直和拉伸，导致凝胶伸长。因此，在凝胶的双轴限制下，纤维蛋白丝很容易弯曲但抵抗拉伸。开发了一个理论仿射模型，发现柔性链和丝状凝胶的行为存在进一步的差异，因为它们通过收缩处发生易位。这解释了琼脂糖凝胶会被困在微通道中，而具有相同硬度的纤维蛋白凝胶会通过它。因此纤维凝胶可以作为有效的塞子来减少出血或抑制肿瘤的血液供应。
图2：纤维蛋白和琼脂糖凝胶的双轴压缩
【封闭性纤维蛋白微凝胶的裂解】
为了检查限制对通过阻塞性纤维蛋白凝胶的液体流量减少的影响，我们研究了溶栓剂组织纤溶酶原激活剂(tPA)浸润的SM、MM和RM的裂解。当tPA溶液达到闭塞MM时，微凝胶边缘变得模糊，表明在时间tlys =0时纤维蛋白消化开始。160分钟后，强烈收缩的MM进一步进入收缩区，并在tlys =161分钟时通过收缩，从而恢复液体通过微通道的流动。对于原始直径较大的RM，临界体积减少需要更长的裂解时间，会继续阻塞微通道。这些结果表明对流介导的受限纤维凝胶裂解的重要性。
图3：封闭性纤维蛋白微凝胶的裂解
【小结】
综上所述，该工作从实验和理论上展示了丝状凝胶对双轴约束的响应机制。纤维凝胶在限制条件下的行为受纤维丝变形能的强不对称性控制，且仅受纤维丝长宽比和曲率控制。与具有相似刚度的柔性链凝胶相比，这种反应导致局限于狭窄毛细血管内的纤维凝胶的最小伸长率，随着压缩的增加，它们的双轴泊松比降低，易位压力更小。该发现刺激了新纤维材料的开发。由于阻塞性纤维凝胶的强烈抑制液体流量作用，在用作塞子以防止出血或减少恶性肿瘤的血液供应方面具有优势。另一方面，通过阻塞性纤维蛋白凝胶的液体流量减少，从而抑制对流介导的溶栓作用，可以深入了解阻塞性血凝块的缓慢溶解。
来源：高分子科学前沿
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