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¿Cómo se alinean las fibras de colágeno de la piel con respecto a la superficie de la piel?

¿Cómo se alinean las fibras de colágeno de la piel con respecto a la superficie de la piel?


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Leí en un artículo que las fibras de colágeno en la dermis están orientadas aleatoriamente en dirección con respecto a la superficie de la piel. No puedo localizar ese papel ahora. Sin embargo, encontré este documento que indica que el colágeno siempre está alineado paralelo a la superficie de la piel (página 3). Cual es la correcta?


El colágeno debajo de la epidermis no está completamente orientado al azar, de hecho, la mayoría de ellos se dirigen a lo largo de las fibras musculares debajo de ellos.

Esto fue observado por primera vez por Karl Langer y, por lo tanto, se le dio el nombre de líneas de Langer (de tensión de la piel). Esta peculiar disposición del colágeno es responsable de mantener la integridad de la piel en los momentos en que la fuerza de estiramiento desarrollada sobre ella por los músculos. Si fueran perpendiculares, la piel se rasgaría fácilmente.

Esto también tiene relevancia clínica porque durante la cirugía si se hace una incisión en esta línea la cicatriz sería mínima.


Fuente: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Langer%27s_lines


El hallazgo de proteínas fibrosas puede conducir a una mejor bioimpresión e ingeniería de tejidos

Las proteínas fibrosas como el colágeno y el fibrinógeno forman una fina capa sólida en la superficie de una solución acuosa similar a la "piel" que se forma en la leche tibia, según un equipo de investigadores de Penn State, que creen que este hallazgo podría conducir a una bioimpresión más eficiente. e ingeniería de tejidos.

En el cuerpo humano, las proteínas fibrosas brindan soporte estructural a las células y tejidos y ayudan en la biomecánica. El colágeno constituye el 80% de nuestra piel y el 10% de nuestros músculos, mientras que el fibrinógeno ayuda a la coagulación de la sangre formando el hidrogel de fibrina.

"Las soluciones de proteína de colágeno y fibrinógeno se utilizan ampliamente como precursores de hidrogeles de colágeno y fibrina en aplicaciones de ingeniería de tejidos", dijo Hemanth Gudapati, estudiante de posgrado en ingeniería y mecánica. "Esto se debe a que el colágeno y la fibrina, que se utilizan como materiales estructurales para la ingeniería de tejidos similar a su función en el cuerpo humano, no son tóxicos, son biodegradables e imitan los microambientes naturales de las células".

Gudapati y sus colegas investigadores informan, en Materia blanda, por primera vez que las proteínas fibrosas forman una capa sólida en la superficie del agua debido a la agregación de proteínas en la interfaz aire / agua. Esta capa sólida interfiere con las mediciones precisas de la reología de la solución, que es el estudio de las propiedades de los fluidos, como el flujo. Anteriormente, solo se demostró que el otro tipo principal de proteína, las proteínas globulares, formaban estas capas sólidas en la interfaz aire / agua.

Las mediciones de reología precisas son vitales para una bioimpresión exitosa. La medición de la viscosidad es importante para identificar qué soluciones de proteínas son potencialmente imprimibles y para detectar inconsistencias en el comportamiento del flujo entre diferentes lotes de proteínas fibrosas.

"El colágeno y el fibrinógeno se extraen de los animales y su comportamiento de flujo cambia de un lote a otro y con el tiempo", dijo Gudapati.

Esto, a su vez, conduce a un desafío para obtener resultados de bioimpresión consistentes.

"La medición precisa del comportamiento del flujo ayuda a la entrega confiable o consistente de las soluciones de proteínas durante la bioimpresión", dijo Gudapati. "Esto ayuda a fabricar cosas como modelos de enfermedades y dispositivos de órgano en chip fiables".

Una posible solución para una medición precisa es agregar un tensioactivo como polisorbato 80 para evitar la formación de una película en la interfaz aire / agua.

La investigación también identifica las concentraciones de soluciones de proteínas que son potencialmente imprimibles mediante bioimpresión de inyección de tinta, junto con la identificación de los parámetros operativos de la bioimpresión.

Gudapati dijo que hubo otros hallazgos en su investigación que requerirán una mayor investigación. Estos incluyeron la posibilidad de que las proteínas fibrosas agregadas en la interfaz aire / agua puedan liberarse de la interfaz y que estos agregados de proteínas puedan causar una mayor acumulación de proteínas en las soluciones.

"La agregación masiva adicional podría ser una de las razones de la mala alineación de las fibras de colágeno o la mala resistencia mecánica de la fibrina fuera del cuerpo, es decir, in vitro, que son los desafíos que enfrentan las aplicaciones de ingeniería de tejidos en la actualidad", dijo Gudapati.

El trabajo se realizó en el laboratorio de Ibrahim Ozbolat, profesor asociado de Hartz Family Career Development Associate de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica, en colaboración con Ralph Colby, profesor de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química.

"El trabajo del Dr. Colby con soluciones de proteínas globulares influyó en nuestro trabajo", dijo Gudapati. "Por ejemplo, nos dimos cuenta de que las proteínas fibrosas podrían comportarse de manera similar a las proteínas globulares en la interfaz aire / agua al comienzo de nuestra investigación".

Junto con Colby, Ozbolat y Gudapati, otros autores de la Materia blanda El trabajo incluye a Daniele Parisi, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales.

La Fundación de Osteología en Suiza, la Cátedra de Desarrollo de Carrera de la Familia Hartz en Ingeniería y el Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica de Penn State apoyaron esta investigación.


Producción de micro-rayas de colágeno con fibras alineadas para ensayos de migración celular

La orientación de las fibras de colágeno en los tejidos nativos juega un papel importante en la señalización celular y media en la progresión de las células tumorales en el cáncer de mama mediante un mecanismo de guía por contacto. Comprender cómo la alineación de las fibras de colágeno dirige la migración de las células epiteliales requiere in vitro ensayos con orientaciones estandarizadas de fibras de colágeno.

Métodos

Para abordar este problema, producimos micro-rayas con fibras de colágeno alineadas utilizando un enfoque versátil y fácil de usar basado en la aspiración de una solución de colágeno dentro de un microcanal. Los cubreobjetos de vidrio se funcionalizaron con un enlace (3-aminopropil) trietoxisilano / glutaraldehído para anclar covalentemente micro-rayas de fibras de colágeno alineadas, mientras que los microcanales se funcionalizaron con un poli (óxido de etileno) -poli (óxido de propileno) -poli (óxido de etileno) ( PEO-PPO-PEO) polímero tribloque no iónico para evitar la adhesión de las micro-rayas de colágeno.

Resultados

Usando esta estrategia, los microcanales se pueden despegar para exponer micro-rayas de fibras de colágeno alineadas sin afectar su integridad mecánica. Usamos microscopía de reflexión confocal de lapso de tiempo para caracterizar la cinética de polimerización de las redes de colágeno para diferentes concentraciones y la orientación de las fibras de colágeno en función del ancho del microcanal. Nuestros resultados indican una dependencia de la concentración no lineal del área de fluorescencia, lo que sugiere que la arquitectura de las redes de colágeno es sensible a pequeños cambios en la concentración. Mostramos la posibilidad de influir en la cobertura de fibrillas de colágeno ajustando la concentración de la solución de colágeno.

Conclusión

Aplicamos este enfoque novedoso para estudiar la migración de células epiteliales, demostrando que las micro-rayas de colágeno con fibras alineadas representan un valioso in vitro ensayo para estudiar los mecanismos de guía por contacto celular.


INTRODUCCIÓN

La psoriasis es uno de los trastornos cutáneos inflamatorios crónicos inmunomediados más comunes que afecta aproximadamente al 1% -3% de la población mundial. Las interacciones activas entre el sistema inmunológico y la piel suelen ocurrir con manifestaciones sistémicas, especialmente artritis (Weigle y McBane, 2013). Los rasgos característicos de la psoriasis incluyen queratinocitos hiperproliferativos, vasos sanguíneos dilatados en la dermis e infiltración masiva de leucocitos. La psoriasis hace que las células se acumulen rápidamente en la superficie de la piel, formando parches secos que pican y escamas plateadas gruesas. El tipo más común de psoriasis, la psoriasis vulgar, representa el 90% de los casos (Griffiths y Barker, 2007). El tratamiento de la psoriasis implica un tratamiento tópico con inmunosupresores, esteroides y varios otros agentes, o un tratamiento sistémico como la administración de metotrexato, fototerapia, retinoides orales y terapias biológicas, siendo el tratamiento tópico la forma de tratamiento más utilizada. Sin embargo, los pacientes tratados por psoriasis a menudo presentan recaídas, efectos adversos de los medicamentos y otras reacciones como el desarrollo de cáncer de piel no melanoma (Pouplard et al., 2013). Las opciones de tratamiento recomendadas para la psoriasis en la medicina tradicional son cambios en el estilo de vida, medidas preventivas y terapia a base de hierbas (Atyabi et al., 2016). Por tanto, sigue siendo deseable una estrategia terapéutica nueva, más eficaz, desprovista de efectos secundarios.

La desregulación del sistema inmunológico es un sello importante en el desarrollo de la psoriasis. Se considera que las células T reguladoras (Treg) son inhibidores de las respuestas autoinmunes, pero su papel en la patogenia de la psoriasis sigue sin estar claro. La psoriasis se considera una enfermedad de T-helper 1 (Th1) como lo demuestra el aumento de los niveles de citocinas pertenecientes a la vía Th1 (interferón gamma, interleucina (IL) 2 y 12) en las placas psoriásicas (Griffiths y Barker, 2007 Traub y Marshall, 2007 ). Las Treg suprimen los efectores inmunes, incluidas las células Th17, y mantienen la homeostasis inmunitaria (Sugiyama et al., 2005 Bovenschen et al., 2011). Por lo tanto, para restaurar el estado inmunológico desregulado en la psoriasis, es necesario mejorar las Treg y / o suprimir los efectores inmunitarios, incluidas las células Th17.

Sin embargo, otros investigadores han sugerido la participación (Yu et al., 2007) o incluso un papel importante de los queratinocitos (Kharaeva et al., 2009) en el desarrollo de la psoriasis. Otra característica de la piel psoriásica es la acantosis, debido a la reducción de la apoptosis epidérmica (Boehm, 2006). Sin embargo, la estimulación de la apoptosis se asocia con el retroceso de la hiperplasia psoriásica (Heenen y Simonart, 2008). El control de la proliferación de queratinocitos puede constituir una estrategia valiosa en el tratamiento de la psoriasis, ya que el restablecimiento de la regulación homeostática de la proliferación y diferenciación de queratinocitos es fundamental para la restauración de la epidermis normal (Tse et al., 2006).

El aceite de semilla negra o aceite de nigella sativa es el aceite extraído de las semillas negras (Nigella sativa), que son semillas diminutas de color negro comúnmente llamadas "comino negro". Múltiples estudios in vivo e in vitro realizados en humanos y animales de laboratorio han demostrado que N. sativa y sus ingredientes tienen una amplia gama de acciones farmacológicas que incluyen antinociceptivas (Abdel-Fattah et al., 2000), antiinflamatorias, antihipertensivas, antiasmáticas, efectos hipoglucémicos, antiparasitarios, antimicrobianos, antioxidantes y anticancerígenos (Padhye et al., 2008 Randhawa y Alghamdi, 2011 Abel-Salam, 2012). En el estudio de El-Dakhakhny et al. (2002), se afirmó que los efectos antiinflamatorios del aceite de N. sativa y su principio activo, la timoquinona, pueden explicarse por su acción como inhibidores de los productos 5-lipooxigenasa y la producción de ácido 5-hidroxieicosatetraenoico en una concentración- de manera dependiente, lo que puede deberse a su acción antioxidante. Además, el aceite y sus ingredientes activos mostraron propiedades beneficiosas en la inmunomodulación, ya que aumentaron las respuestas inmunitarias de las células T y las células asesinas naturales (Salem, 2005).

Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue investigar el efecto del aceite de semilla negra en un modelo de rata similar a la psoriasis inducida por Imiquimod (IMQ) mediante microscopía óptica / electrónica, así como inmunohistoquímica para evaluar el papel del aceite de semilla negra en el tratamiento de la psoriasis.


Estudio experimental y de modelado de andamios de colágeno con efectos de reticulación y alineación de fibras

Los andamios de colágeno tipo I se utilizan comúnmente debido a su abundancia, biocompatibilidad y ubicuidad. La mayoría de las aplicaciones requieren que los andamios funcionen bajo tensiones mecánicas. Por lo tanto, comprender y ser capaz de controlar la integridad estructural-funcional de los andamios de colágeno se vuelve crucial. Utilizando un enfoque combinado experimental y de modelado, estudiamos la estructura y función del gel de colágeno tipo I con los efectos de la alineación espacial y la reticulación de las fibras. Se crearon andamios de colágeno alineados a través del flujo de partículas magnéticas enredadas en fibrillas de colágeno para imitar la anisotropía observada en el tejido nativo. La reticulación inter e intramolecular se modificó químicamente con Genipin para mejorar aún más la rigidez de los armazones de colágeno. Las propiedades mecánicas anisotrópicas de los armazones de colágeno se caracterizaron utilizando un probador de tracción biaxial plano y un reómetro de placas paralelas. La rigidez de la tangente de la prueba de tracción biaxial es de dos a tres órdenes de magnitud mayor que los módulos de almacenamiento de las mediciones reológicas. Se discutió la naturaleza bifásica del gel de colágeno y se usó para explicar el comportamiento mecánico de los andamios de colágeno bajo diferentes tipos de pruebas mecánicas. Se utilizó un modelo constitutivo hiperelástico anisotrópico para capturar las características del comportamiento tensión-deformación exhibido por los andamios de colágeno.

1. Introducción

El colágeno, uno de los principales componentes extracelulares (MEC), es fundamental para las propiedades mecánicas de muchos tipos de tejidos biológicos, incluidos tendones, ligamentos, huesos, vasos sanguíneos y piel. Los andamios de colágeno se han utilizado ampliamente en ingeniería de tejidos, administración de fármacos, cicatrización de heridas y sustrato guía de neurorregeneración [1-3] por su biocompatibilidad, baja toxicidad y propiedades estructurales, físicas, químicas e inmunológicas bien documentadas [4]. La mayoría de estas aplicaciones requieren que los andamios operen bajo tensiones mecánicas, por lo que poder controlar y adaptar la integridad estructural-funcional se vuelve crucial. El gel de colágeno de tipo I preparado a partir de soluciones disponibles comercialmente se ha utilizado ampliamente en la investigación de biomateriales. Sin embargo, tienen propiedades biomecánicas extremadamente deficientes en comparación con los tejidos nativos que pretenden imitar o reemplazar.

Las fibrillas de colágeno se refuerzan mediante enlaces cruzados covalentes dentro y entre las moléculas de colágeno constituyentes. La agregación de fibrillas de colágeno forma una fibra de colágeno, que es la proteína más abundante en el cuerpo. El colágeno puede autoensamblarse a través de una formación enzimática de enlaces cruzados intermoleculares que conducen a una red de cabeza a cola dentro de la fibra. Las propiedades mecánicas de las fibras de colágeno dependen principalmente de la formación de enlaces cruzados intermoleculares dentro de las fibras para evitar el deslizamiento bajo carga [5]. Sin embargo, en los armazones de colágeno diseñados, la densidad de este tipo de reticulación no es lo suficientemente grande para aplicaciones prácticas. Además del autoensamblaje, la resistencia mecánica general de las fibras de colágeno se puede mejorar aumentando la densidad de la reticulación inter e intramolecular con varios reactivos químicos.

El glutaraldehído (GA) es uno de los reactivos de reticulación química más comunes para el colágeno [6-11]. Los geles de colágeno reticulados con GA ya se han estudiado para superficies oculares [12], andamios de ingeniería de tejido corneal [4] y andamios de fibrillas de colágeno a nanoescala [8, 13]. GA ayuda a retener muchas de las propiedades viscoelásticas de la red fibrilar de colágeno y reacciona con relativa rapidez. La adición de GA inducirá enlaces covalentes entre las fibrillas de colágeno a partir de reacciones aldehído-amino, así como de la condensación aldólica [14]. Esto da como resultado una red más estrechamente reticulada. GA también puede conducir a enlaces cruzados intramoleculares formados entre dos α-cadenas por condensación aldólica. Aunque se usa ampliamente como reactivo de reticulación para biomateriales a base de colágeno, el problema de citotoxicidad asociado con GA es un inconveniente reconocido y evita que su aplicación en vivo estudios.

Recientemente, se ha demostrado que la genipina (GP), un compuesto extraído del fruto de Gardenia Jasminoides, reticula eficazmente tejidos biológicos celulares y acelulares, así como muchos biomateriales, incluidos hidrogeles y compuestos de hidrogel [7]. También se encontró que GP es significativamente menos citotóxico que GA [15, 16]. Estas características hacen de GP un agente reticulante alternativo para biomateriales con propiedades mecánicas mejoradas. Al igual que la GA, la GP también puede formar enlaces cruzados intramoleculares e intermoleculares en el colágeno [7]. GP reacciona espontáneamente con los residuos de aminas primarias, lisina y arginina, en el colágeno para formar monómeros que reticulan aún más el colágeno [17]. Sin embargo, el procedimiento de reticulación es un proceso complejo y se sabe poco sobre las propiedades mecánicas del colágeno tratado con GP.

La orientación preferida del colágeno a lo largo de la dirección de carga fisiológica dominante se ha observado en muchos estudios previos [18, 19]. La anisotropía mecánica en tejido nativo está altamente asociada con la orientación de las fibras. Ensamblaje de moléculas de colágeno in vitro sigue siendo un gran desafío para la fabricación de la próxima generación de tejidos diseñados. Hay varias formas de lograr fibrillas de colágeno alineadas con anisotrópicos durante el ensamblaje. Las moléculas pueden alinearse por flujo, canales de microfluidos [20] y la aplicación de fuerzas mecánicas anisotrópicas externas [21-23], corrientes eléctricas [24] y campos magnéticos. Los campos magnéticos constantes pueden alinear las moléculas de colágeno porque las moléculas de colágeno tienen anisotropía diamagnética. Barocas et al. [25] demostró la alineación circunferencial del colágeno en un molde tubular. Sin embargo, el pequeño diamagnetismo de las moléculas de colágeno requiere un imán de fuerza del orden de Tesla [26]. Recientemente, Guo y Kaufman [27] utilizaron el flujo de perlas magnéticas enredadas en fibrillas de colágeno para alinear el colágeno. Las perlas ferromagnéticas recubiertas de estreptavidina (aproximadamente 1,5 μm de diámetro) facilitaron la alineación del colágeno bajo un campo magnético tan bajo como

. El colágeno se alineó a medida que las perlas se mueven hacia los polos magnéticos. Las escalas de tiempo de viaje y gelificación de las perlas deben ser comparables para que la alineación se produzca correctamente.

Como red con estructuras jerárquicas, la relación entre las propiedades mecánicas del colágeno y sus estructuras es obviamente causal. El presente estudio fue diseñado para caracterizar las propiedades mecánicas reológicas y de tracción biaxial de los andamios de colágeno. Se utilizaron diferentes concentraciones de GP para modificar el grado de reticulación en los armazones de colágeno. El método de utilizar el flujo de perlas magnéticas enredadas en fibrillas de colágeno [27] se adaptó para lograr la alineación de las fibras en los andamios. Se estudiaron los efectos acoplados de la alineación y la reticulación de las fibras a través de las jerarquías sobre las propiedades mecánicas de los andamios de colágeno.

2. Materiales y métodos

2.1.Preparación de la muestra

Andamios de colágeno reticulado Genipin
La solución de colágeno de Nutragen tipo I (6 mg / ml) se adquirió de Advanced BioMatirx. Se disolvió colágeno en HCl 0,01 N con un valor de pH de aproximadamente 2,0. La solución de colágeno neutralizado se preparó mezclando rápidamente solución de colágeno de Nutragen, 10x PBS (Fisher Scientific) y solución de NaOH 0,1 M (Fisher Scientific) con una proporción de 8: 1: 1 a 4 ° C con una concentración final de colágeno de 4,8 mg / mL. El valor de pH de la solución se ajustó entre 7,2

7.4. La solución neutralizada se transfirió a un depósito cuadrado hecho a medida con una dimensión de aproximadamente 30 mm.

30 mm que se asienta en una placa de Petri. A cada lado del depósito, se cortó una muesca de 15 mm 1 mm para adaptarse a las barras de carga. Se colocaron cuatro barras de polietileno poroso (18 mm 3 mm 1,5 mm) (Fisher Scientific) previamente roscadas con suturas de nailon a los lados del depósito. La dimensión entre las barras de polietileno fue de aproximadamente 15 mm 15 mm y el espesor del gel fue de aproximadamente 1 mm. La solución se mantuvo en primer lugar en una incubadora a 37 ° C durante 12 horas para la gelificación [4, 6, 11]. Durante la gelificación, las barras de polietileno se polimerizaron en geles de colágeno [28] (Figura 1). A continuación, los geles de colágeno se sumergieron en soluciones de GP al 0,03%, 0,1% y 0,25% durante otras 6 horas en la incubadora para la reticulación [16].


(a)
(B)
(a)
(B) Andamios de colágeno reticulados con (a) 0,03% y (b) 0,1% de GP durante 6 horas. Se polimerizaron cuatro barras de polietileno previamente roscadas en la muestra de armazones de colágeno para la prueba de tracción biaxial.

Gel de colágeno alineado magnéticamente
Los andamios de colágeno alineados se obtuvieron con la ayuda de un flujo de partículas magnéticas incrustadas en fibrillas de colágeno [27]. Brevemente, se prepararon soluciones de colágeno neutralizado como anteriormente. Partículas magnéticas de óxido de hierro recubiertas de estreptavidina (Bangs Labs) de 1,5 μm de diámetro se añadieron a la solución de colágeno neutralizado a una concentración de 0,1 mg / ml. La solución con perlas se transfirió luego al depósito y se incubó durante 12 horas a 37 ° C, durante las cuales se colocó una barra magnética debajo de la placa de Petri. La dirección del campo magnético se marcó en la placa de Petri. Después de la gelificación, las muestras se sumergieron en soluciones de GP al 0,03%, 0,1% y 0,25% para una reticulación adicional.

2.2. Microscopía electrónica de barrido (SEM)

La morfología de los armazones de colágeno se examinó utilizando un SEM JOEL JSM-6100 operado a 10 kV. Para preparar la muestra para SEM, se fijaron geles de colágeno reticulado con paraformaldehído al 4% en PBS durante 1 hora a temperatura ambiente. Las muestras fijadas se deshidrataron en una serie graduada de agua destilada / etanol: 30%, 50%, 70% y 100% durante 15 minutos cada una, seguidas de lavados con una serie graduada de etanol / HMDS: 30%, 50%, 70% y al 100% durante 15 minutos cada uno, y finalmente se deja secar durante la noche [29-31]. Este proceso de secado se ha empleado para evitar la contracción de la muestra. Los hidrogeles secos se recubrieron por pulverización catódica con Pd / Au antes de la SEM. Se tomaron imágenes SEM en múltiples lugares de la muestra y se usaron para evaluar cualitativamente la alineación de las fibras de colágeno.

2.3. Prueba de tracción biaxial plana

Las propiedades mecánicas de tracción de los armazones de colágeno se caracterizaron usando un probador de tracción biaxial plano. En la prueba de tracción biaxial, se montó una muestra de forma aproximadamente cuadrada para que pudiera estirarse a lo largo de ambos lados.

direcciones en el plano. Se colocaron cuatro marcadores de puntos de carbono que formaban un cuadrado de 5 mm × 5 mm en el centro de la muestra de prueba, y se utilizó una cámara CCD para rastrear la posición de los marcadores a partir de los cuales se pueden determinar las tensiones de tejido en ambas direcciones a lo largo de la deformación. Se aplicó tensión de tracción a la muestra y se midió la carga utilizando celdas de carga durante los procesos de carga y descarga. Las muestras cuadradas se cargaron biaxialmente mediante suturas preenhebradas a las barras de polietileno. Se utilizó una precarga de 2 g para enderezar las suturas. Las muestras se preacondicionaron equibiaxialmente durante 8 ciclos con una carga de 10 g para lograr una respuesta repetible del material. Se utilizó un tiempo de medio ciclo de 10 segundos. El estado precargado se utilizó como estado de referencia para el cálculo posterior de la deformación. A continuación, las muestras se analizaron bajo el método de control de carga y se sometieron a un conjunto de cargas equibiaxiales con cargas máximas que variaban de 70 ga 100 g. Se calcularon la tensión de Cauchy y la deformación logarítmica [32] y se utilizaron para la descripción del comportamiento mecánico de tracción biaxial del gel de colágeno.

2.4. Estudio de reometría

Las propiedades mecánicas del gel de colágeno también se evaluaron usando un reómetro de placas paralelas (AR2000, TA Instrument). Se preparó una solución de colágeno neutralizado como se indicó anteriormente con una concentración final de colágeno de 4,8 mg / ml. La solución se transfirió a placas de Petri P60 y se incubó a 37 ° C durante 12 horas. A continuación, los geles de colágeno se reticularon con GP al 0,03%, 0,1% y 0,25% durante 6 horas. Antes de las pruebas de reometría, las muestras de gel de 60 mm de diámetro y 2 mm de espesor se retiraron cuidadosamente de la placa de Petri y se transfirieron a la placa inferior del reómetro. La temperatura de la placa se fijó en 37 ° C. La placa superior se bajó a una altura de 0,9 mm. Se realizaron pruebas de frecuencia y barrido de deformación. Para la prueba de barrido de frecuencia, el almacenamiento dinámico y los módulos de pérdida se evaluaron a una amplitud de deformación por cizallamiento del 1% a frecuencias que varían de 0,1 a 10 Hz. Para la prueba de barrido de deformación, los módulos se evaluaron a una deformación por cizallamiento en un rango de 0 a aproximadamente 10% a 5 Hz.

2.5. Modelado constitutivo

Con el fin de capturar las características del comportamiento tensión-deformación exhibido por los geles de colágeno, se utilizó un modelo constitutivo hiperelástico anisotrópico [33]. La función de energía de deformación fue introducida originalmente por Holzapfel et al. [34] para la descripción de la respuesta mecánica pasiva del tejido arterial, en la que cada capa se trata como un material reforzado con fibras con las fibras correspondientes al componente colágeno distribuidas helicoidalmente alrededor de la pared arterial. Posteriormente, el modelo se generalizó para incluir la dispersión de fibras de colágeno [33]. El modelo constitutivo de base estructural tiene parámetros materiales que poseen significados físicos que pueden relacionarse con la estructura y los componentes del material que se está estudiando. En este estudio se eligió el modelo constitutivo, ya que se ha utilizado con éxito en estudios previos para tejido cardiovascular colágeno y arterias degradadas por elastina [35-37]. La forma general de la función de energía de deformación es

. La respuesta del modelo se rige por dos partes, los componentes isotrópico y anisotrópico. El primer término en (1) captura el comportamiento isotrópico del material de la matriz.

es el primer invariante del tensor

son las contrapartes modificadas del tensor de Cauchy-Green derecho [34]. es un parámetro de material similar al estrés asociado con la parte isotrópica de la respuesta general del tejido. La anisotropía del tejido es capturada por el segundo término en (1). Una suposición en este modelo es que las fibras de colágeno solo están activas en extensión y no en compresión. los

representa el corchete de Macauley e impone la condición de que

. es otro parámetro similar al estrés y es una constante adimensional relacionada con las fibras de colágeno. es el número de familias de fibras, y κ es una medida de la dispersión de la orientación de la fibra alrededor de una dirección media, como se muestra en la Figura 2 (a). La dirección media de las fibras, γ, se define como el ángulo entre la dirección de la circunferencia del tejido y la dirección media de las fibras. es la función de densidad de orientación y da el número normalizado de fibras dentro de una cierta orientación con respecto a la dirección media.

son cuadrados de los tramos en la dirección de la α familia de fibras. Finalmente, es la inversa del módulo de volumen y se establece en cero ya que se supone que el material es incompresible.

es la relación de volumen elástico. Tenga en cuenta que para material incompresible. Los lectores interesados ​​pueden consultar a Gasser et al. [33] para obtener explicaciones más detalladas del modelo.


(a)
(B)
(a)
(B)

Debido a las condiciones de carga simétricas en la prueba de tracción biaxial, se modeló una cuarta parte de la muestra de colágeno en ABAQUS 6.8-4 con las condiciones de carga y de contorno que se muestran en la Figura 2 (b). Carga del borde de la cáscara

-se aplicaron condiciones de contorno de simetría para simular la configuración experimental de ensayos de tracción biaxial. En el modelo de elementos finitos se utilizaron elementos de carcasa de propósito general (S4R) con suposición de esfuerzo plano inherente. Los parámetros de los materiales se ajustaron para ajustar los resultados de la simulación a las curvas experimentales de tensión-deformación.

3. Resultados

La apariencia de color de los geles de colágeno cambia cuando se reticulan con reactivos reticulantes. Los geles de colágeno reticulados térmicamente a 37 ° C sin reactivos reticulantes tienen un color blanquecino y son semitransparentes. Estos andamios son extremadamente frágiles y no se pueden probar mecánicamente. Los geles de colágeno reticulados con GP se vuelven de color azulado y se vuelven opacos, como se muestra en la Figura 1. La concentración más alta de GP aumenta la intensidad del azul.

La Figura 3 muestra las respuestas de tensión-deformación representativas de los armazones de colágeno reticulados con diferentes concentraciones de GP. Las muestras se sometieron a una prueba de tracción equibiaxial con una carga máxima de 70 a 100 g. La prueba de tracción biaxial reveló que la rigidez del gel de colágeno aumenta con concentraciones más altas de GP. También se observa que todos los armazones de colágeno exhiben un comportamiento mecánico isotrópico como se ve en los resultados de las pruebas equibiaxiales. Para comparar aún más la rigidez de los geles de colágeno reticulado, el módulo de tangente

se obtuvo para cada muestra diferenciando las curvas tensión-deformación y se estimó a partir de

[38]. A continuación, se obtuvieron módulos de tangente promediados para armazones de colágeno con 0,03%, 0,1% y 0,25% de GP. La Figura 4 muestra que los módulos tangentes iniciales del andamio de colágeno aumentan con la concentración de GP. Los módulos de tangente también aumentan con la deformación. Para una deformación inferior al 2%, los módulos de tangente de los armazones de colágeno reticulado con GP al 0,03% y al 0,1% aumentan más rápido que el reticulado con GP al 0,25%. Sin embargo, el módulo de tangente del gel de colágeno reticulado GP al 0,25% siguió siendo el más alto. Cuando la deformación es superior al 2%, los módulos de tangente de los armazones reticulados con GP al 0,1% son aproximadamente los mismos que los de los armazones reticulados con GP al 0,25%. A medida que aumenta aún más la deformación, los módulos de tangente aumentan aproximadamente a la misma velocidad para todas las muestras.


Respuestas de tensión-deformación representativas de armazones de colágeno reticulados con GP al 0,03%, 0,1% y 0,25% sometidos a ensayo de tracción equibiaxial. La carga máxima es de 70 g, 100 gy 100 g para muestras reticuladas con GP al 0,03%, 0,1% y 0,25%, respectivamente.


Las pruebas reológicas con un reómetro de placas paralelas demuestran que el almacenamiento

y los módulos de pérdida de los armazones de colágeno reticulado con GP aumentan ambos con la concentración de GP, como se muestra en las Figuras 5 (a) y 5 (b). El aumenta ligeramente con la frecuencia, mientras que el disminuye con la frecuencia seguido inicialmente por un ligero aumento. La de los geles de colágeno es aproximadamente 10 veces mayor que la que sugiere que el gel de colágeno es un material predominantemente elástico con una viscosidad pequeña. La variación del módulo de almacenamiento y pérdida con amplitudes de deformación cortante se presentan en las Figuras 5 (c) y 5 (d). Hay una ligera disminución en los módulos de almacenamiento y un aumento en los módulos de pérdida al aumentar la amplitud de deformación. En general, los módulos de almacenamiento y corte no varían significativamente dentro del rango de deformación por corte aplicado en este estudio.


(a)
(B)
(C)
(D)
(a)
(B)
(C)
(D) (a, b) Almacenamiento dinámico y módulos de pérdida de pruebas reológicas de barrido de frecuencia (c, d) de pruebas reológicas de barrido de deformación de armazones de colágeno reticulados con 0,03%, 0,1% y 0,25% de GP.

Se realizó SEM para examinar la estructura en los andamios de colágeno alineados. El gel de colágeno no alineado también se examinó para comparar. Como se muestra en la Figura 6 (a), las fibras en el gel de colágeno no alineado se distribuyen al azar y no hay una distribución preferida de fibras. Por otro lado, las fibras en el gel de colágeno alineado muestran una alineación general de las fibras en una dirección particular, como se muestra en la Figura 6 (b). El comportamiento mecánico de los andamios de colágeno alineados se probó utilizando un medidor de tracción biaxial y se comparó con los resultados de los no alineados. Las muestras se sometieron a una prueba de tracción equibiaxial con un eje de carga paralelo a la dirección de alineación de la fibra mientras que la otra dirección de carga perpendicular a la dirección de alineación de la fibra. Los armazones de colágeno no alineados con perlas magnéticas incrustadas también se probaron para validar que la presencia de perlas no afectaría la propiedad mecánica de los armazones de colágeno (ahora se muestran los resultados). Las respuestas de tensión-deformación de los armazones de colágeno alineados se muestran en la Figura 7. En comparación con los armazones no alineados, los alineados demuestran un comportamiento mecánico anisotrópico obvio, manifestado por una dirección más rígida que la otra. Como era de esperar, los andamios son más rígidos en la dirección paralela a la alineación de la fibra que en la dirección perpendicular a la alineación de la fibra. Los armazones de colágeno no alineados parecen ser isotrópicos y las curvas de tensión-deformación caen entre las de los armazones alineados.


(a)
(B)
(a)
(B) Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de (a) andamios de colágeno reticulado GP al 0,03% no alineados y (b) alineados. Todas las barras de escala representan 10 μmetro.


Respuesta de tensión-deformación representativa de los andamios de colágeno alineados y no alineados reticulados con GP al 0,03%. La prueba de tracción equibiaxial revela un comportamiento mecánico anisotrópico obvio en el andamio de colágeno alineado.

La figura 8 muestra los resultados de la simulación. Los resultados experimentales también se grafican para comparar. Para andamios de colágeno no alineados, γ se fijó en 45 ° y κ se fijó en 0,333 para representar un material isotrópico. los , , y luego se eligieron valores para ajustar el modelo a los datos experimentales. Para los andamios alineados, se mantuvo igual que el correspondiente no alineado y las opciones apropiadas de,, γ, y κ se hicieron para ajustarse a los datos experimentales. Los parámetros de material para los modelos se resumen en la Tabla 1.


(a)
(B)
(C)
(a)
(B)
(C) Resultados de la simulación del estrés de Cauchy frente a la deformación logarítmica para geles de colágeno isotrópico y anisotrópico reticulados con (a) 0,03% (b) 0,1% (c) 0,25% GP. Los ajustes isotrópicos se muestran con líneas punteadas. Los ajustes anisotrópicos se muestran con líneas continuas. Los resultados experimentales se muestran con los símbolos.

4. Discusión

4.1. Efecto de la reticulación

El cambio de color en los armazones de colágeno reticulados con reactivos químicos indica cambios en la microestructura durante la reticulación. Para el colágeno reticulado GP, el pigmento azul se produce por la reacción entre el colágeno y el GP [39]. Se propuso que la reacción entre GP y un aminoácido en la molécula de colágeno formará un monómero y una reacción radical adicional provocará dimerización. Las mezclas de polímeros formadas a partir de estas reacciones son la causa del pigmento azul [40]. Estudios anteriores sugirieron que la GP puede formar enlaces cruzados intramoleculares e intermoleculares dentro de las fibras de colágeno en el tejido biológico [7].

Se han desarrollado varios métodos para mejorar las propiedades mecánicas de los andamios de colágeno, incluida la reticulación física mediante la exposición a fuentes de radiación como la luz ultravioleta [41, 42] y la reticulación química mediante reacciones químicas con varios reactivos de reticulación [6, 43]. El glutaraldehído se usa comúnmente para biomateriales a base de colágeno. Se ha demostrado que la rigidez del gel de colágeno aumenta con una mayor concentración de GA [11]. Sin embargo, esta tendencia se detiene cuando la concentración de GA es mayor que un valor umbral. Un estudio previo que utilizó colágeno dérmico de oveja [6] mostró que la red de colágeno tratada con 0.08% y 0.5% GA tenía un módulo similar. Sheu y col. [11] sugirió que se alcanza una reticulación completa en el gel de colágeno cuando la concentración de GA es del 0,12%. Después de la reticulación completa, no habrá más grupos amino disponibles para reaccionar con los aldehídos de GA. La falta de grupos amino en el gel de colágeno conducirá a la autopolimerización de GA, lo que puede afectar negativamente a las propiedades mecánicas de todo el gel de colágeno [9, 14]. Aunque la reticulación de GA mejoró en gran medida la resistencia mecánica del gel de colágeno, el efecto tóxico potencial ha sido un inconveniente vital de este reactivo químico comúnmente utilizado para tejidos biológicos. Algunos estudios han demostrado que GP tiene el potencial de ser utilizado como reactivo reticulante sustituto [7, 15, 16, 44]. Entre estos estudios, se ha encontrado que la GP es significativamente menos citotóxica que la GA [15, 44]. Desde la perspectiva mecánica, estudios previos encontraron que la GP puede usarse para endurecer los geles de colágeno en un período de tiempo relativamente corto. También se observa que las propiedades mecánicas del gel de colágeno se pueden controlar variando la concentración de GP. Sundararaghavan y col. [16] encontró que el grado de reticulación y el módulo de almacenamiento del gel de colágeno reticulado con GP aumentaron con una concentración más alta de GP. Nuestros resultados de las pruebas de tracción biaxial (Figuras 3 y 4) y las mediciones de reometría (Figura 5) muestran que el módulo de tangente, el almacenamiento y el módulo de pérdida de los andamios de colágeno aumentan con la concentración de GP. Aunque la genipina se puede utilizar para ajustar la rigidez general de los armazones de colágeno, concentraciones más altas de genipina pueden provocar una muerte celular significativa [16], lo que debe tenerse en cuenta en las aplicaciones de armazones de colágeno poblados por células.

4.2. Efecto de la alineación de la fibra

Las propiedades mecánicas de los armazones de colágeno no solo se ven afectadas por el grado de reticulación, sino que también están altamente correlacionadas con la orientación de las fibras de colágeno en los armazones. La orientación preferida de las fibras a lo largo de la dirección de carga fisiológica dominante se ha observado en muchos estudios previos en varios tejidos [45-47]. La orientación de la fibra de colágeno juega un papel importante en la determinación de las funcionalidades mecánicas del material biológico nativo y de ingeniería a base de colágeno. En el presente estudio, la alineación de las fibras de colágeno se logró a través del flujo de perlas magnéticas recubiertas de estreptavidina que se unen con fibrillas de colágeno propuesto previamente por Guo y Kaufman [27], a las que se remite a los lectores interesados ​​para obtener más detalles. Brevemente, el recubrimiento de estreptavidina contiene una secuencia de aminoácidos Arg-Tyr-Asp (RYD) similar al dominio del receptor RGD de la fibronectina, que tiene la función de unirse a las fibrillas de colágeno.Nuestros resultados demostraron que, con esta técnica simple, los andamios resultantes poseen propiedades mecánicas anisotrópicas obvias como se manifiesta en las respuestas de tensión-deformación de la prueba de tracción equibiaxial (Figura 7). Este tipo de resultados preliminares son útiles para una futura investigación cuantitativa de la relación estructura-función de los armazones de colágeno. Los andamios anisotrópicos son más rígidos en la dirección en que las fibras están alineadas que en la dirección perpendicular a la alineación.

Nuestros resultados también demostraron que la reticulación de los andamios se puede utilizar para ajustar la rigidez general de los andamios sin afectar la existencia de anisotropía en el gel de colágeno. Estudio previo de Sung et al. [7] encontró que la fijación de las válvulas aórticas usando GP y GA no alteró la anisotropía mecánica observada en las valvas de las válvulas frescas. Llegaron a la conclusión de que las reticulaciones intramoleculares e intermoleculares introducidas en las fibrillas de colágeno durante la fijación son de importancia secundaria a la presencia de anisotropía estructural y mecánica en las valvas frescas. Paik y col. [48] ​​estudiaron el efecto del nitrito sobre las propiedades mecánicas de los geles de colágeno constreñidos uniaxialmente y biaxialmente. Demostraron cuantitativamente que el agente de reticulación no alteró significativamente la distribución de fibras en los geles de colágeno. Su estudio también sugirió que el endurecimiento de las fibras de colágeno podría ser otra fuente del comportamiento mecánico anisotrópico observado en el gel de colágeno constreñido uniaxialmente, además de la reorientación de las fibras en la dirección del constreñimiento. En el presente estudio, la reorientación de las fibras de colágeno inducida por el flujo magnético juega un papel dominante en el control del comportamiento mecánico anisotrópico de los andamios de colágeno.

4.3. Comparación entre ensayos de tracción biaxial y reológicos

En este estudio se utilizó la prueba de tracción biaxial plana para caracterizar las propiedades mecánicas de tracción de los andamios de colágeno. La prueba de tracción biaxial plana con control independiente de la carga en ambas direcciones de carga perpendiculares se ha utilizado ampliamente para estudiar el comportamiento mecánico de varios tejidos biológicos nativos y diseñados [28, 32, 49, 50]. Aunque no puede replicar las condiciones de carga fisiológica, la prueba de tracción biaxial es suficiente para dilucidar las propiedades mecánicas anisotrópicas de los tejidos biológicos con supuestos de estrés plano. En el presente estudio, se realizaron pruebas de tracción equibiaxial para estudiar los efectos de la reticulación y la alineación de fibras sobre las propiedades mecánicas de los andamios de colágeno. Se han aplicado pruebas reológicas para estudiar las propiedades mecánicas de materiales poliméricos y biológicos [29, 51, 52]. Nuestros resultados muestran que una mayor concentración de GP generará un gel de colágeno con mayor almacenamiento dinámico y módulos de pérdida, lo que es consistente con un estudio previo de Sundararaghavan et al. [dieciséis]. Aunque los resultados de las pruebas de tracción biaxial muestran una tendencia similar, la rigidez tangente de la prueba de tracción biaxial es de dos a tres órdenes de magnitud mayor que los módulos de almacenamiento de las mediciones reológicas, que es mucho mayor que 3: 1 para redes elásticas ideales. En estudios previos sobre biomateriales y sistemas de hidrogel se ha observado una relación más alta de módulo de tangente a módulo de cizallamiento. Utilizando una prueba de flexión de tres puntos, Spatz et al. [53] informaron que la relación entre el módulo de Young y el módulo de corte del hueso cortical es del orden de 20: 1. Sugirieron que los materiales que comprenden rellenos rígidos incrustados en una matriz compatible podrían tener un módulo de corte bastante bajo. Este tipo de propiedades permiten que los huesos huecos reaccionen sin problemas a los impactos locales, que de otro modo pueden provocar fallas. El estudio de Richter [54] sobre poli (vinil metiléter) hidrogeles mostró que la relación entre los módulos de compresión y de cizallamiento variaba de 4,8 a 10,9 [54], lo que contribuía a la falta de homogeneidad de la muestra.

Se sabe que el gel de colágeno es un sistema bifásico que consta de una estructura de red fibrilar llena de un gran exceso de líquido intersticial. Las pruebas de tracción en geles de colágeno sondean el comportamiento de tracción de la red fibrilar, y la resistencia al flujo intersticial es insignificante en las pruebas de extensión [55]. Los resultados de nuestras pruebas de tracción biaxial en andamios de colágeno dan una respuesta de tensión-deformación no lineal con una región de "dedo del pie" compatible, seguida de una región rígida. La región del “dedo del pie” compatible inicial se debe a los cambios de orientación de la red hacia el eje de carga, mientras que la región rígida corresponde a la resistencia de la extensión de las fibrillas [56]. En la prueba reológica, los fluidos o sólidos blandos fluyen en lugar de deformarse elásticamente [57]. La placa superior del reómetro comprime el gel de colágeno, oscila y ejerce una fuerza de torsión dinámica sobre la muestra. Durante el fluido de compresión no confinado, es posible que el escape ya no sea trivial. Otra razón que puede contribuir al módulo de cizallamiento medido bajo es que, durante la prueba reológica, el líquido que sale del gel de colágeno puede actuar como lubricante entre la superficie del gel y la placa superior. Por tanto, el gel podría experimentar un cizallamiento menor que el aplicado por la placa superior. Este efecto lubricante puede dominar el aumento de los módulos de almacenamiento y pérdida asociados con la deshidratación. Los resultados de nuestro estudio sugieren que, en una prueba reológica, el movimiento del líquido intersticial juega un papel importante en la determinación de las propiedades mecánicas generales de un gel de colágeno. Es importante comprender las diferentes propiedades mecánicas que puede exhibir un gel de colágeno bifásico bajo condiciones de carga específicas, ya que tales conocimientos son necesarios para los estudios mecanobiológicos en los que la mecánica ECM desempeña un papel fundamental.

4.4. Determinación de parámetros materiales en el modelo constitutivo

El modelo constitutivo anisotrópico en (1) se propuso originalmente para simular tejido arterial en el que la elastina es el medio principal de soporte en regiones de baja carga de tensión y luego el colágeno es el principal componente de carga en tensiones más altas [33, 34]. En un estudio anterior de Holzapfel et al. [58], las capas individuales de arterias se modelaron por separado con sus propios conjuntos de parámetros. Su estudio utilizando el modelo constitutivo de Holzapfel et al. [34] logró modelar las capas íntima y adventicia que carecen de dos componentes estructurales distintos como la capa medial. Con respecto a los parámetros en el modelo con respecto a nuestros geles de colágeno, no había elastina u otro material de sustancia fundamental de ECM que soporta la carga inicial en este experimento. Es probable que el parámetro sea más representativo de algún otro fenómeno, como el desenrollamiento de las fibras de colágeno. Parámetros γ y κ puede variar la cantidad de anisotropía en las curvas tensión-deformación, y κ tiene un mayor efecto sobre la cantidad de curvatura en la curva tensión-deformación [33, 59]. Finalmente, el efecto más significativo de aumentar / disminuir y es traducir las curvas de tensión-deformación a deformaciones más bajas / más altas, respectivamente. Esta relación inversa en el material es lógica ya que describen las propiedades de las fibras de colágeno [58].

Al examinar los parámetros de los geles de colágeno alineados y no alineados, inicialmente intentamos tomar los parámetros de las simulaciones no alineadas y solo cambiar γ y κ para crear un mejor ajuste del gel de colágeno alineado, ya que γ controla la orientación de las fibras, y κ determina la dispersión de la fibra (cantidad de alineación de la fibra). Montaje de γ y κ generalmente se ha realizado fenomenológicamente en lugar de basarse en estudios histológicos [33]. Sin embargo, es interesante señalar que nuestros resultados indican una correlación entre el grado de anisotropía demostrado por las curvas tensión-deformación y γ. Entre los tres andamios de colágeno alineados que se muestran en la Figura 8, los andamios de colágeno alineados con 0.03% GP que poseen la mayor cantidad de anisotropía tienen el parámetro de modelo más pequeño γ correspondientemente. Desafortunadamente, no fue posible un buen ajuste del gel de colágeno alineado sin modificar también el y. Esto parece indicar que el proceso de alineación está afectando las propiedades del material de las fibras de colágeno y no solo su orientación / dispersión.

En los armazones de colágeno alineados y no alineados, los valores aumentaron con concentraciones más altas de GP, lo que sugiere valores más altos para tejidos más rígidos como resultado de un mayor entrecruzamiento. También hubo un aumento en los valores de y con la concentración de GP. Estudios previos han demostrado que el método de reticulación puede afectar la forma en que se organizan las reticulaciones en las fibras de colágeno [60]. Se ha demostrado que la genipina no solo hace que el colágeno se reticule más, sino que también hace que las fibras se fusionen y formen estructuras más gruesas [61]. Aumenta e indica que las fibras más fuertes están presentes en los geles de colágeno con una mayor concentración de GP. Takiuchi y col. [62] mostró que la reticulación a lo largo de las fibras puede ocurrir con más frecuencia que a través de las fibras. Demostraron que durante el proceso de fijación de muestras de tendones en formalina, la rigidez a lo largo de las fibras aumentaba linealmente con el tiempo de fijación. Sin embargo, este no es el caso en la dirección a través de las fibras. Esto se explica por una diferencia en el número y la tasa de formación de enlaces cruzados en la dirección a lo largo de las fibras y a través de las fibras.

4.5. Limitaciones

Nos gustaría señalar varias limitaciones del estudio actual. El método de alineación de la fibra de colágeno es ideal para geles delgados con un grosor de alrededor de 10

20 μm sin embargo, se necesitaron geles más espesos para la prueba biaxial en este experimento. Por lo tanto, podría ser posible que la alineación de las fibras de colágeno no sea uniforme en un gel relativamente espeso [27], lo que también podría haber causado la necesidad de cambiar los valores de los parámetros del material en el modelo. En este estudio se adoptó el método de alineación de fibras para facilitar la implementación experimental. El enfoque de investigación general se puede aplicar a otros estudios con métodos de alineación más controlables en el futuro. SEM se utilizó en este estudio para acceder cualitativamente a la alineación de la fibra. Debido a la mayor concentración de colágeno, nuestra capacidad de microscopía confocal existente fue incapaz de proporcionar información cuantitativa sobre la orientación de las fibras. Una correlación más cuantitativa entre la estructura y la función de los andamios de colágeno a través del modelo constitutivo podría ser posible mediante la aplicación de técnicas experimentales. Por ejemplo, valores para la orientación media de la fibra. γ y dispersión alrededor de la dirección principal κ se han determinado previamente para las fibras de colágeno en el tejido de la vejiga utilizando dispersión de luz de ángulo pequeño [63]. Utilizando técnicas de microscopía electrónica de barrido, se puede cuantificar el diámetro de las fibras [61]. Las propiedades mecánicas de la fibra se investigaron mediante nanoindentación [64] o pruebas de micromanipulación / tracción de fibras individuales [65].

5. Conclusiones

La mejora de las propiedades mecánicas de los andamios de colágeno a través de un proceso de ensamblaje de colágeno controlado ampliará enormemente su aplicación en numerosas investigaciones de ciencias de la vida y será un paso sustancial hacia la investigación de biomateriales sobre reparación y reemplazo de tejidos. En el presente estudio, se estudiaron tanto experimental como teóricamente las propiedades mecánicas de los andamios de colágeno con los efectos de la reticulación y la alineación de las fibras. Se realizaron ensayos de tracción equibiaxial para probar las propiedades elásticas de la red fibrilar de colágeno dentro de los andamios de colágeno. La rigidez de los armazones de colágeno aumenta con la concentración de GP. El comportamiento anisotrópico de los armazones de colágeno se correlaciona con la presencia de una alineación preferida de las fibras de colágeno. Nuestros resultados demostraron que la reticulación de los andamios se puede utilizar para ajustar la rigidez general de los andamios sin afectar la presencia de anisotropía en la matriz de colágeno. La rigidez de la tangente de las pruebas de tracción biaxial es de dos a tres órdenes de magnitud mayor que los módulos de almacenamiento de las mediciones reológicas. Esto sugiere que en las pruebas reológicas, el movimiento del líquido intersticial juega un papel importante en la determinación de las propiedades mecánicas generales de un gel de colágeno. Por lo tanto, el gel de colágeno altamente hidratado que comprende una red fibrilar rígida incrustada en una matriz muy elástica tiene un módulo de cizallamiento bastante bajo. Las respuestas de tensión-deformación de los andamios de colágeno alineados y no alineados se capturaron bien con el modelo constitutivo hiperelástico anisotrópico. Los resultados de las simulaciones sugieren posibles cambios de la propiedad mecánica de la fibra de colágeno en los armazones de colágeno alineados debido a la reticulación preferida a lo largo de las fibras. El modelo constitutivo de base estructural es prometedor en estudios futuros sobre la relación de los parámetros materiales que poseen significados físicos con la microestructura de los andamios de colágeno.

Expresiones de gratitud

Los autores agradecen a Xin Brown por su ayuda en las mediciones de reología. También agradecen a la National Science Foundation por la financiación a través de la subvención CMMI-0954825.

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Derechos de autor

Copyright © 2011 Bin Xu et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo la licencia de atribución de Creative Commons, que permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones en cualquier medio, siempre que el trabajo original se cite correctamente.


Vías bioquímicas que se desencadenan después de la irradiación UV que activan los receptores de factores de crecimiento y citocinas de la superficie celular

Las células de la piel humana responden a la radiación ultravioleta mediante la activación de múltiples receptores de citocinas y factores de crecimiento. Estos incluyen receptores de factores de crecimiento epidérmico (EGF-R), receptores del factor de necrosis tumoral (TNF) - & # x003b1, receptor del factor activador de plaquetas (PAF), receptor de interleucina (IL) -1, receptor de insulina y factor de crecimiento derivado de plaquetas. Entre estos, la activación de EGF-R ha sido el más estudiado. Es una proteína transmembrana monocatenaria de 180 kDa. El dominio extracelular posee unión de alta afinidad por EGF y ligandos similares a EGF (factor de crecimiento transformante [TGF] - & # x003b1, unión de anfirregulina y heparina - EGF) (Ritti & # x000e9 y Fisher 2002). El dominio intracelular posee actividad tirosina quinasa intrínseca. EGF-R también conocido como ErbB1 sufre homo o heterodimerización con ErbB2 o ErbB3 dando como resultado la transfosforilación de residuos de tirosina específicos. La fosforilación de tirosina EGF-R es un marcador bien caracterizado para la activación del receptor y ocurre dentro de los 10 minutos posteriores a la irradiación UV. En particular, la UV no puede inducir la fosforilación de tirosinasa de EGF-R en células que expresan EGF-R mutante que carece de actividad de tirosina quinasa. La irradiación UV de EGF-R, como la activación del ligando, depende de la transfosforilación catalizada por tirosina quinasa de EGF-R. Alternativamente, se ha propuesto que la fosforilación de tirosina de EGF-R inducida por UV resulta de la inactivación de las proteínas tirosina fosfatasas (PTP) que funcionan para mantener el EGF-R en un estado basal desfosforilado. La inhibición por inhibidores de tirosina quinasa específicos da como resultado una desfosforilación muy rápida de EGF-R. El tratamiento de las células con irradiación UV prolongó sustancialmente la vida de las tirosinasas fosforiladas EGF-R, lo que sugiere un efecto inhibidor de los rayos UV sobre las PTP. Esta actividad inhibidora por UV fue sensible a la N-acetilcisteína, un eliminador de intermediarios reactivos de oxígeno y podría imitarse tratando las células con H2O2. Se postula que la inactivación de la actividad de PTP inducida por UV es el resultado de la oxidación de un residuo de cisteína crítico que está presente en el sitio activo catalítico de todos los PTP a ácido sulfénico. Esta oxidación se produce por la exposición del residuo de cisteína en el PTP a especies reactivas de oxígeno que se generan dentro de las células por irradiación UV (Ritti & # x000e9 y Fisher 2002). Esta inactivación de las PTP puede dar lugar a la activación de otros receptores de la superficie celular y receptores de citocinas, lo que a su vez conduce a la activación de pequeñas familias de proteínas de unión a GTP como Rac, Ras y Cdc42. Estos son reguladores directos o indirectos (a través de otras proteínas de unión a GTP o ROS) de las proteínas quinasas activadas por mitógenos (MAPK). La irradiación UV provoca un aumento de la producción de ROS y un aumento simultáneo de los niveles de ceramida, lo que también puede contribuir a la activación de las vías MAPK. Un efector principal de las rutas de MAPK es la proteína activadora del factor de transcripción 1 (AP-1). AP-1 está constituida por proteínas c-Fos y JunD o las otras proteínas de la familia Jun y Fos (c-Jun, Junb, FosB, Fra1 y Fra2) en la piel no irradiada. La activación de MAPK activa indirectamente los factores de transcripción para la formación de AP-1, es decir, la transcripción de los genes c-Fos y c-Jun. La irradiación UV induce ARNm de c-Jun y proteína en la piel humana in vivo en 30 min y 1 hora, respectivamente, y los niveles de proteína permanecen elevados durante al menos 24 horas después de la irradiación UV. Los niveles aumentados de c-Jun compiten con JunD por formar complejos con c-Fos dando como resultado complejos c-Jun: c-Fos AP-1 (Ritti & # x000e9 y Fisher 2002). La transcripción de varios miembros de la familia MMP está regulada por este complejo AP-1 formado en las células epidérmicas y dérmicas. Las MMP son una gran familia de endoprotreases que requieren zinc con una amplia gama de especificidades que juntas tienen la capacidad de degradar todas las proteínas de la matriz extracelular. Inicialmente, las MMP se sintetizan como cimógenos (proenzimas) que sufren degradación proteolítica para ser activos. Estos son inhibidos por inhibidores tisulares de metaloproteinasas (TIMP). Varias MMP son reguladas positivamente por AP-1, incluida la MMP-1 (colagenasa intersticial o colagenasa1), que inicia la degradación de colágenos fibrilares tipos I y # x00026 III, MMP-9 (gelatinasa o gelatinasa B de 92 kDa) degrada los fragmentos de colágeno (gelatina ) generado por colagenasas y MMP-3 (estromelisina 1) degrada aún más el colágeno tipo IV de la membrana basal y activa proMMP-1. Los transcritos de MMP-1, MMP-3 y MMP-9 se inducen dentro de las 8 horas siguientes a la irradiación con UV. Por lo tanto, las MMP juntas tienen la capacidad de degradar completamente el colágeno fibrilar maduro en la piel dentro de las 24 horas posteriores a la exposición a los rayos UV mediante la inducción del factor de transcripción AP-1. Además de causar la degradación del colágeno, la radiación UV altera la síntesis de colágeno nuevo tipo I y la organización de las fibrillas de colágeno en la piel in vivo. La regulación a la baja del colágeno de tipo I está mediada por la regulación a la baja de la transcripción de genes que codifican el procolágeno de tipo I. Los niveles de expresión de proteína y ARNm de procolágeno de tipo I disminuyen en las 8 horas siguientes a la irradiación UV de la piel humana in vivo y se vuelven esencialmente ausentes en la dermis superior dentro de las 24 horas posteriores a la irradiación UV, lo que es coherente con la inducción sostenida de c-Jun y, por lo tanto, AP- 1 activación.

El TGF - & # x003b2 es una citoquina profibrótica importante, que regula múltiples funciones celulares, incluida la diferenciación, proliferación e inducción de la síntesis de proteínas principales de la matriz extracelular (ECM), colágeno y elastina (Massague 1998). En la piel humana, TGF - & # x003b2 inhibe el crecimiento de queratinocitos epidérmicos y estimula el crecimiento de fibroblastos dérmicos (Massague 2000). TGF - & # x003b2 inhibe la expresión de MMP-1 y MMP-3 uniéndose a un determinado complejo receptor de la superficie celular (proteínas receptoras TGF - & # x003b2: T & # x003b2R I / II / III), evitando así la degradación de los colágenos . Se ha demostrado que la irradiación UV perjudica la vía de señalización de TGF - & # x003b2 al reducir la expresión de T & # x003b2RII y, en menor medida, la inhibición de Smad 7. Además, el factor de crecimiento del tejido conectivo se regula a la baja después de la irradiación UV (Ritti & # x000e9 y Fisher 2002).

En este artículo, comparamos críticamente la eficacia clínica y la seguridad de varios retinoides que han estado en el tratamiento y la protección del envejecimiento de la piel.


Resultados

Diferencias estructurales de las fibras de colágeno dérmico entre diferentes quemaduras

Primero realizamos imágenes de SHG con resolución de profundidad para muestras de control, SDB, DDB y DB. Para visualizar las diferencias estructurales de las fibras de colágeno dérmico con un alto contraste de imagen, la potencia de la luz láser incidente en la muestra se ajustó a 10 mW para el control, 15 mW para SDB, 25 mW para DDB y 40 mW para DB. La serie resultante de imágenes SHG con resolución de profundidad se muestra en la Fig. 3 (región de la imagen = 600 × 600 μ m 2, intervalo de profundidad de exploración = 30 μ m). Además, en el Video 1 se proporcionó una serie de imágenes SHG con resolución de profundidad más precisa (región de la imagen = 600 × 600 μ m 2, intervalo de profundidad de escaneo = 10 μ m). En este experimento, definimos la superficie de la piel como una profundidad de 0 µmetro.La ubicación de la superficie de la piel se determinó mediante microscopía confocal, que es una función incluida en el presente sistema de microscopía SHG (no se muestra en la Fig. 2). Es interesante que las profundidades a las que comenzó a aparecer la luz SHG son diferentes entre los diferentes grados de quemadura: 140 µm para control, 120 µm para SDB, 90 µm para DDB y 40 µm para DB. Este resultado indicó que el grosor de la epidermis disminuyó debido al encogimiento térmico causado por la quemadura de la piel. Si la profundidad de sondaje de la microscopía SHG se determina basándose en la superficie de la piel, la profundidad de sondaje real de la dermis fue diferente entre el control, SDB, DDB y DB. Por lo tanto, es importante investigar la dependencia profunda de la fibra de colágeno dérmico para cada muestra de quemadura. En la muestra de control, observamos que las fibras de colágeno finas en la dermis papilar se transformaron en fibras de colágeno gruesas en la dermis reticular al aumentar la profundidad de sondaje [ver Fig. 3 (a)]. Por otro lado, las imágenes SHG con resolución en profundidad de las muestras SDB, DDB y DB indicaron que cada quemadura se extendió uniformemente por toda la profundidad de la dermis. En la muestra de SDB, los patrones de desaparición de SHG discutidos más adelante se superpusieron sobre la estructura de la fibra del colágeno dérmico [ver Fig. 3 (b)]. En la muestra de DDB, los patrones de desaparición de SHG se volvieron más finos que los de la muestra de SDB [ver Fig. 3 (c)]. Además, las estructuras fibrosas del colágeno dérmico se perdieron casi por completo y se transformaron en estructuras amorfas. En la muestra de DB, se observó un poco de luz SHG solo de agregados de colágeno degenerado [ver Fig. 3 (d)]. Por lo tanto, no hubo dependencia de la profundidad del patrón de desaparición de SHG para cada muestra de quemadura dentro del rango de profundidad de sondeo utilizado en el presente sistema.


¿Cómo se alinean las fibras de colágeno de la piel con respecto a la superficie de la piel? - biología

Las funciones de la piel de las aves son las mismas que las de otros vertebrados y no permiten la entrada de patógenos y otras sustancias potencialmente dañinas, retienen líquidos y gases vitales y sirven como órgano sensorial. La renovación continua de la piel actúa para repeler los microorganismos parásitos. La piel de las aves también produce y sostiene las plumas. Con las plumas, la piel también juega un papel importante en la termorregulación. Aunque está cubierto en gran parte por plumas, el tegumento no tiene plumas en el pico, las patas y, en algunas especies, en otras áreas. A diferencia de los mamíferos, la piel de las aves no tiene glándulas sudoríparas ni glándulas sebáceas. La piel aviar consta de dos capas, la epidermis y la dermis. La capa externa, la epidermis, es generalmente muy delgada y flexible. La dermis es más gruesa que la epidermis y contiene vasos sanguíneos, depósitos de grasa, nervios y terminaciones nerviosas libres, varios tipos de neurorreceptores y músculos lisos que mueven las plumas (Lucas y Stettenheim 1972).

La epidermis, la capa más superficial de la piel, es más delgada en las aves que en los mamíferos de tamaño comparable, flexible y lisa, y esto se debe, al menos en parte, a las presiones selectivas para minimizar el peso corporal para un vuelo más eficiente (Spearman 1966 ). La epidermis es más delgada en áreas cubiertas por plumas (ambos tractos de plumas y apteria Figura 1) y más gruesa en áreas expuestas sin plumas, incluida la cobertura del pico (rhamphotheca) y las patas (podoteca). La epidermis tiene dos capas principales: un estrato córneo superficial y un estrato germinativo más profundo (Figura 2). El estrato córneo está formado por células queratinizadas y aplanadas. Estas células se denominan queratinizadas porque contienen una proteína llamada queratina (y, específicamente, beta queratina) que, junto con los lípidos extracelulares (grasas) producidos por las células epidérmicas, proporcionan una barrera de permeabilidad resistente que evita la pérdida excesiva de agua por evaporación. Se puede considerar que el estrato córneo tiene una organización de & lsquobrick-and-mortar & rsquo, con las células enriquecidas con queratina formando los & lsquobricks & rsquo y los lípidos extracelulares el & lsquomortar & rsquo (Elias y Menon 1991). Sin embargo, en comparación con los reptiles e incluso los mamíferos, las células del estrato córneo tienen menos queratina y, como resultado, esta barrera es menos estricta y puede facilitar el enfriamiento por evaporación al tiempo que conserva la capacidad de impermeabilización facultativa (Menon et al. 1996). Las altas temperaturas corporales de las aves, el aumento de la producción de calor durante el vuelo, el aislamiento por el plumaje y la falta de glándulas sudoríparas, requieren una mayor tasa de enfriamiento por evaporación a través de una barrera de permeabilidad epidérmica relativamente "con fugas". Sin embargo, es importante destacar que se puede modificar la permeabilidad relativa de la epidermis aviar. Por ejemplo, Menon et al. (1996) encontraron que, dentro de las 16 horas posteriores a la privación de agua, los pinzones cebra adultos pueden reducir la pérdida de agua a través de la epidermis en un 50% mediante la rápida secreción de lípidos epidérmicos. Se ha informado de una capacidad similar para influir en la pérdida de agua mediante la regulación de la secreción de lípidos epidérmicos en las alondras (Haugen et al. 2003), Gorriones domésticos (Passer domesticus Mu & ntildeoz-García y Williams 2008), y el tropical Dusky Antbird (Cercomacra tyrannina Muñtildeoz-García y Williams 2007).


Figura 1. Áreas emplumadas (extensiones de plumas) y sin plumas (apteria) del tegumento aviar (Tomado de: Chuong et al. 2000).


Figura 2. Corte transversal a través de la piel de un ave o mamífero (Tomado de: Lillywhite 2006).

Además de formar una barrera dinámica que regula la pérdida de agua a través de la piel, los lípidos epidérmicos también pueden tener propiedades antimicrobianas y ofrecer protección contra la luz ultravioleta (Menon 1984). Además, los lípidos epidérmicos se utilizan para la coloración cosmética en el ibis crestado japonés (Nipponia nippon Wingfield y col. 2000). Antes de la reproducción, la piel del cuello y la cabeza comienza a secretar una sustancia negra que los ibis aplican a su plumaje blanco (Figura 3). La extensión del área de la piel secretora y la parte del plumaje que cubre el & lsquocosmetic & rsquo varía entre los individuos y esta variación influye en la elección de pareja. Las aves jóvenes no producen la secreción negra en absoluto.


Figura 3. Plumajes del ibis crestado japonés. (a) Plumaje típico no reproductivo. (b) Comportamiento de manchado aplicando el pigmento al plumaje de la cabeza, cuello y espalda. (c) y lsquoCosméticamente coloreados y rsquo ibis. (d) Después de la muda post-reproducción (Tomado de: Wingfield et al. 2000).

Entre muchas especies de aves, el tegumento presenta modificaciones especializadas. Por ejemplo, la piel de la cabeza no tiene plumas en diversos grados y tiene un color distintivo en gallinas de Guinea, buitres, colies (Colius) y muchas cigüeñas, ibis, espátulas y grullas. La piel alrededor de los ojos no tiene plumas y tiene un color distintivo en otras aves, como cariamas, halcones, tortugas marinas (Chionis), loros, cucos, pico ancho, ojos desnudos (Flegopsis), pájaros lira (Menura), y casco-alcaudones (Prionops) (Stettenheim 2000). De manera más general, se pueden encontrar parches de piel desnuda, además del pico y las patas, en aves que pertenecen al menos a 19 órdenes diferentes y 62 familias (Negro et al. 2006). Las áreas sin plumas coloreadas en la cabeza y el cuello de las aves pueden ser importantes en (1) la comunicación intra e intersexual, por ejemplo, el estado o la calidad de la publicidad, (2) la termorregulación y (3) la prevención de la suciedad de las plumas para las especies que a veces extienden su se dirige a los cadáveres cuando se alimenta (por ejemplo, buitres y cóndores).

Entre las aves con piel colorida (Figura 4), la coloración se debe a pigmentos, mecanismos estructurales en la epidermis o sangre (y, específicamente, hemoglogina en los glóbulos rojos) en la red capilar superficial (Lucas 1970, Prum y Torres 2003).


Figura 4. Adornos de colores estructurales de una muestra de aves piciformes y paseriformes examinadas: (A) Selenidera reinwardtii, (B) Ramphastos vitellinus, (C) Ramphastos toco, (D) Neodrepanis coruscans, (E) Philepitta castanea, (F) Myrmeciza ferruginea, (G) Gymnopithys leucapsis, (H) Procnias alba, (I) Perissocephalus tricolor, (J) Dyaphorophyia concreta, (K) Terpsiphone mutata y yo) Leucopsar rothschildi. A, F & ndashJ, reproducido con permiso de VIREO B, C, L, reproducido con permiso de Kenneth Fink H, reproducido con permiso de Nate Rice D, reproducido con permiso de Steve Zack K, reproducido con permiso de Tom Schulenberg (De: Prum y Torres 2003).

Algunas especies con piel desnuda en la cabeza y el cuello alteran el color de la piel al cambiar el flujo sanguíneo al área. Por ejemplo, la piel de las áreas sin plumas de un Caracaras con cresta (Polyborus plancus) la cabeza tiene un suministro de vasos sanguíneos mucho más denso que la piel en las áreas emplumadas (Figuras 5 y 6). Aunque a veces se alimentan de carroña, la piel desnuda de los caracaras es más importante para la termorregulación. Los caracaras son aves relativamente grandes con plumaje generalmente oscuro que se encuentran típicamente en áreas relativamente cálidas. Cuando su temperatura corporal aumenta, el flujo de sangre a las áreas de piel desnuda aumenta a medida que los vasos se dilatan. Este aumento del flujo sanguíneo hace que la piel se vuelva de un color rojo más intenso, pero, lo que es más importante, aumenta la pérdida de calor a través de la piel desnuda. La piel desnuda en la cabeza y el cuello probablemente cumple una función similar para muchas especies de aves porque muchas de estas aves son aves relativamente grandes de plumaje oscuro que se encuentran en latitudes bajas donde la disipación del calor puede ser de gran importancia (Negro et al. 2006).


Figura 5. Caracara con cresta que muestra áreas de la cabeza sin plumas (a) y emplumadas (b) (De: Negro et al. 2006).


Figura 6. Micrografías de cortes transversales de piel de Caracara con cresta, una especie con áreas sin plumas en la cabeza. (A) Área sin plumas (piel desnuda) en la cara y (B) área cubierta de plumas en la cabeza. Tenga en cuenta el mayor número de vasos sanguíneos en la piel sin plumas. Barras de escala: 25 y microm. e, epidermis c, colágeno er, eritrocitos bv, vasos sanguíneos. (De: Negro et al. 2006).

Para aquellas especies de aves con la piel desnuda en la cabeza y el cuello y donde la coloración de la piel se ve alterada por cambios en el flujo sanguíneo (& lsquoflushing & rsquo), la termorregulación fue casi con certeza el factor selectivo principal. Sin embargo, en algunas especies, el rubor ocurre en contextos no relacionados con la termorregulación, como durante el cortejo o encuentros agonísticos. Por ejemplo, la piel de los pavos se vuelve más roja cuando cortejan a las hembras y cuando participan en encuentros agonísticos con otros machos. Esto sugiere que & lsquoflushing & rsquo puede, para algunas especies y en algunos contextos, también cumplir una función de señalización. La capacidad de generar una coloración roja más profunda o mantener una coloración más roja durante períodos más prolongados puede estar correlacionada con la calidad individual si hacerlo es energéticamente costoso o potencialmente dañino para el cuerpo (Negro et al. 2006).

El color de la piel de muchas aves se debe a los pigmentos, moléculas que absorben y emiten de manera diferencial longitudes de onda de luz visible. Los carotenoides son los pigmentos responsables de la piel colorida (así como de las plumas) en muchas aves, y generalmente generan un tono rojo, naranja o amarillo. Las aves no pueden sintetizar carotenoides, por lo que deben adquirirlos en su dieta. Como resultado, la variación en la coloración de la piel (o pluma) basada en carotenoides puede proporcionar a los conespecíficos información sobre la calidad individual y, específicamente, la capacidad de diferentes individuos para adquirir un recurso limitado (Negro et al. 2002). Por ejemplo, Perdices de patas rojas (Alectoris rufa) tienen picos y ojales (piel desnuda no plumas) que son rojizos por la presencia de carotenoides y los individuos con picos y ojales más rojos están en mejor condición física (P & eacuterez-Rodr & iacuteguez y Vi & ntildeuela 2008). De manera similar, la piel de color amarillo anaranjado en las piernas, pies y ceres (piel en la base del pico superior) de los cernícalos europeos (Falco tinnunculus) se debe a los carotenoides y los estudios han revelado que los cernícalos machos con piel de colores más brillantes son mejores cazadores y tienen territorios de mejor calidad (Casagrande et al. 2006).

Para muchas aves, la coloración de la piel es el resultado de interacciones ópticas con nanoestructuras biológicas o, en otras palabras, la estructura microscópica de la piel (Figura 7). Estos colores estructurales se encuentran en la piel, el pico (ramphotheca), las piernas y los pies (podotheca) en aproximadamente 129 géneros de aves en 50 familias de 16 órdenes de aves. La piel de color estructural está presente en más de 250 especies de aves, o alrededor del 2.5% de todas las especies de aves (Prum y Torres 2003). El examen del color, la anatomía y la nanoestructura de la piel, la rampoteca y la podoteca coloreadas estructuralmente de varias especies diferentes de aves indica que el color, incluidos los tonos ultravioleta, azul oscuro, azul claro, verde y amarillo, se produce por dispersión coherente (es decir, interferencia constructiva) de la luz de matrices de fibras de colágeno paralelas en la piel (dermis) (Figuras 8 y 9). La dispersión, en este caso, simplemente significa que la luz se desvía de un camino recto.

La luz visible, por supuesto, está compuesta por muchos colores de luz con distintas longitudes de onda. La luz roja tiene una longitud de onda larga (

700 nm), mientras que la luz violeta y azul tiene una longitud de onda mucho más corta (

400 nm). Cuando la luz visible encuentra partículas con el mismo o mayor diámetro que las longitudes de onda de su componente, esos fotones de luz específicos se reflejan. Por ejemplo, las partículas que son de 400 nm o un poco más grandes reflejarán selectivamente fotones de luz azul mientras permiten el paso de otros fotones de luz. En la piel de las aves, la luz se refleja en fibras de colágeno (moléculas de proteína largas en forma de hilo) que están dispuestas de una manera mucho más organizada que en la piel normal. Para los parches de piel de un color particular (p. Ej., Azul o verde), todas las fibras de colágeno tienen el mismo grosor (Figura 8). Como resultado, cada fibra dispersa longitudes de onda de luz que están en fase (Figura 10) y, por lo tanto, se refuerzan, produciendo colores muy brillantes incluso más saturados que los típicos colores basados ​​en pigmentos. Además del reflejo de la luz de ciertas longitudes de onda, la coloración estructural de la piel también requiere un medio para prevenir el reflejo o la dispersión de la luz blanca por los tejidos más profundos debajo de las nanoestructuras productoras de color. En la piel de las aves, esta capa absorbente de luz consiste en una capa gruesa de gránulos de melanina (melanosomas Figura 7).


Figura 7. Micrografías de luz de piel de ave blanca, pigmentada y de color estructural que muestran diferencias entre la piel de color estructural y la piel de color no estructural en el grosor de las capas de colágeno: (A) Chaemapetes unicolor, azul oscuro (B) Numida meleagris, azul oscuro (C) Tragopan temminckii, azul claro (D) Opistocomus hoazin, azul oscuro (E) Ramphastos vitellinus, azul oscuro (F) Selenidera reinwardtii, verde (G) Procnias nudicollis, piel blanca de la pierna (H) Procnias nudicollis, piel de garganta estructuralmente verde y (I) Tragopan temminckii, parches de orejones laterales rojos. Todas las muestras se tiñeron con el tricrómico de Masson, que tiñe el colágeno de azul y las células de rojo. Todas las barras de escala representan 100 micras, excepto en C, que representa 50 micras. Abreviaturas: c, macrofibrillas de colágeno cc, colagenocitos cp, capilares e, epidermis m, melanosomas (Tomado de: Prum y Torres 2003).


Figura 8. Micrografías electrónicas de transmisión que muestran las matrices nanoestructuradas muy regulares de fibras de colágeno dérmico de: (A) Oxyura jamaicensis, azul claro (B) Numida meleagris, azul oscuro (C) Tragopan satyra, azul oscuro (D) Tragopan caboti, azul oscuro (E) Tragopan caboti, azul claro (F) Tragopan caboti, naranja (G) Syrigma sibilatrix, azul (H) Ramphastos toco, azul oscuro (I) Philepitta castanea, azul claro (J) Gymnopithys leucapsis, azul claro (K) Procnias nudicollis, verde y (L) Terpsiphone mutata, azul oscuro. Todas las imágenes se tomaron a 30000 x. Todas las barras de escala representan 200 nm (De: Prum y Torres 2003).


Figura 9. La dispersión coherente es la interferencia diferencial o el refuerzo de las longitudes de onda dispersadas por múltiples objetos que dispersan la luz (x, y). La dispersión coherente de longitudes de onda específicas está determinada por las relaciones de fase entre las ondas dispersas. Las longitudes de onda dispersas que están fuera de fase se cancelarán entre sí, pero las longitudes de onda dispersas que están en fase se reforzarán constructivamente y se dispersarán coherentemente. Las relaciones de fase de las longitudes de onda dispersas por dos objetos diferentes (xey) vienen dadas por las diferencias en las longitudes de la trayectoria de la luz dispersada por el primer objeto (x: 1 & ndash1 ') y un segundo objeto (y: 2 & ndash2') medidas desde planos ondas perpendiculares al incidente (a) y reflejadas (b) en el índice de refracción medio del medio (De: Prum y Torres 2003).

Figura 10. Izquierda, en interferencia constructiva (dispersión coherente), dos ondas de luz (en la parte inferior) están en fase, por lo que se mejora la forma de onda combinada (superior). Derecha, en interferencia destructiva, dos ondas de luz (abajo) desfasadas por lo que se cancelan (arriba). (De: Wikipedia).

En algunos grupos de aves (p. Ej., Phasianidae, Eurylaimidae, Cotingidae, Paradisaeidae y Cnemophilidae), la selección sexual es probablemente responsable de la piel de color estructural de los machos porque la mayoría de las especies son poligínicas. En otros grupos de aves, incluidos Ardeidae, Cariamidae, Bucerotidae, Ramphastidae, Meliphagidae y Monarchidae, ambos sexos tienen colores estructurales tegumentarios, lo que sugiere que dicha coloración puede ser importante tanto en la comunicación inter e intrasexual (Prum y Torres 2003). Muchas aves con piel de color estructural se encuentran en las selvas tropicales. Por ejemplo, casi todas las especies con piel de color estructural en los órdenes Casuariiformes, Galliformes, Opistocomiformes, Cuculiformes, Trogoniformes, Coraciiformes, Piciformes y Passeriformes se encuentran en los bosques tropicales. La calidad de la luz ambiental en los hábitats de los bosques tropicales puede favorecer la evolución de las señales de comunicación en la porción de longitud de onda más corta del espectro visible (azul y verde) y, de ser así, la selección podría favorecer los colores estructurales porque los vertebrados, incluidas las aves, no tienen pigmentos que generan tales colores (Prum y Torres 2003).


Surucua Trogon (Trogon surrucura)

Las garras se encuentran en el extremo distal de todos los dedos de todas las aves y cubren los huesos de las falanges terminales. Algunas aves también tienen garras en las alas. La porción dorsal de las garras está muy queratinizada y calcificada y es muy dura. Las garras se curvan en diversos grados porque la porción dorsal crece más rápido que la porción ventral. Además de la variación en la curvatura, las garras también varían en longitud relativa y en punta (Stettenheim 2000). Entre las aves que bucean y nadan con patas palmeadas o parcialmente palmeadas, como alcatraces, aves acuáticas y gaviotas, las garras tienden a ser pequeñas, menos curvas y más planas. En el extremo, los somormujos tienen garras muy planas que aumentan el área de la superficie del pie y ayudan en la propulsión bajo el agua. En contraste, las aves que trepan en superficies verticales o casi verticales, como pájaros carpinteros y trepadores azules, tienen garras puntiagudas y curvadas para ayudar a agarrar el sustrato (por ejemplo, la corteza de un árbol).Glen y Bennett (2007) examinaron la morfología de las garras y clasificaron a las aves terrestres en seis categorías; las aves que viven en el suelo tienen garras más largas y menos recurvadas y la cantidad de curvatura aumenta para las aves que son cada vez más arbóreas en sus hábitos de alimentación (Figura 11). Entre las aves rapaces que usan sus patas para capturar y matar a sus presas, las garras (también llamadas garras) son relativamente largas, muy curvadas y puntiagudas.


Figura 11. Categorías (GB, Gg, Ga, Ag, Aa y V) de las garras de los dedos de las aves según el grado de búsqueda de alimento en el suelo o en los árboles GB = Aves de tierra y rsquo, limitadas a buscar alimento en el suelo Gg = y recolectores de tierra dedicados y rsquo Ga = & lsquopredominantemente recolectores de tierra y rsquo Ag = & lsquopredominantemente recolectores arbóreos y rsquo Aa = y lsquodedicadores forrajeros de superficie y arborícolas y forrajeros de superficie. El análisis de las garras de los dedos de 249 especies de aves reveló que la curvatura de las garras aumenta a medida que predomina la búsqueda de alimento en los árboles (Glen y Bennett 2007).

Varias especies de aves que representan a 17 familias de aves en ocho órdenes Chotacabras, y que incluyen garzas, fragatas y canasteras, tienen garras medias pectinadas con bordes en forma de peine que se utilizan para acicalar y acicalar las plumas (Figura 12 Stettenheim 2000, Moyer y Clayton 2003 ). Por ejemplo, Chotacabras de cuello ardiente (Caprimulgus pectoralis) usan su garra pectinada para acicalar sus cerdas rictal bastante largas (Jackson 2007), y los chotacabras nocturnos, en general, pueden usar su garra pectinada para limpiar las telarañas de su plumaje (Masterson 1979).


Figura 12. Una garra pectinada.

Las garras de las alas se pueden encontrar en la punta del dedo alular en varios grupos de aves, incluidos somormujos, cigüeñas, búhos y algunas aves playeras, pero son muy pequeñas y no funcionales. Hoatzins jóvenes (Opistocomus hoazin), sin embargo, tienen dos garras bien desarrolladas en cada ala y las usan para trepar arbustos y árboles. Estas garras tienen una función importante para los Hoatzins, una especie neotropical, porque normalmente anidan sobre el agua y los polluelos a veces saltan de los nidos cuando son amenazados por un depredador. Una vez en el agua, nadan hacia los arbustos y árboles cercanos y trepan hacia arriba usando las garras y las patas de sus alas. Los Hoatzins jóvenes pierden las garras de sus alas cuando tienen entre 70 y 100 días de edad (Thomas 1996).

Rhamphotheca

Los picos de las aves consisten en huesos que forman los núcleos de las mandíbulas superior e inferior. Sin embargo, la superficie exterior y parte de la superficie interior de estos huesos están cubiertas con un tegumento modificado llamado rhamphotheca (Figura 13). La epidermis de la ramphotheca es relativamente gruesa, dura y está formada por células muy cornificadas (Lucas y Stetteheim 1972). Estas células producen beta-queratina como la que se encuentra en las escamas y garras de las aves y el calcio depositado entre las proteínas queratínicas generalmente hace que la ramphotheca sea dura y fuerte (Homberger y Brush 1986, Bonser 1996). La epidermis está fuertemente unida al hueso por una fina capa dérmica que contiene numerosas fibras de colágeno. La dermis también contiene receptores sensoriales, incluidos los corpúsculos de Herbst y Grandry que son sensibles al tacto y la vibración (consulte & quot; Órganos de los sentidos & quot en la página & quotSistema nervioso: Cerebro y sentidos & quot). El tegumento del pico crece continuamente desde la base y el culmen, con un crecimiento dirigido rostralmente de modo que hay un movimiento continuo del pico córneo desde la base hasta la punta. La ramphotheca, particularmente en la tomia, se desgasta por la abrasión de los alimentos y otros materiales y por la fricción donde se encuentran los picos superior e inferior.


Figura 13. Corte sagital cerca de la línea media del pico superior de un pollo doméstico de 2 semanas de edad. La punta del billete está a la derecha. La región dorsal muestra la parte superior lisa del pico cubierta por la rhamphotheca (Rh), mientras que la región ventral muestra el tomium o borde cortante del pico superior. Debajo de la rampoteca se encuentra la epidermis (Ep) que proporciona un suministro constante de material celular para formar la cubierta exterior endurecida del pico. En el interior de la epidermis se encuentra la capa de la dermis (Dr) que es la más heterogénea de todas las capas de tejido. Se extiende desde las capas epidérmicas hasta las óseas (Bn). Las estructuras prominentes que se encuentran en esta región incluyen mecanorreceptores (corpúsculos de Herbst [Hb Cp] y Grandry [G Cp]), vasos sanguíneos (BV), vainas perineurales y terminaciones nerviosas libres, o nociceptores (dolor) Barra de escala, 400 y microm. N = nervio Pr Sh = vainas perineurales (De: Kuenzel 2007).

Los bordes de la rhamphotheca (tomia) son relativamente afilados en la mayoría de las especies de aves. Sin embargo, los bordes están finamente dentados para filtrar pequeñas partículas de alimento en aves que se alimentan por filtración, como los flamencos y algunas aves acuáticas. Las especies de varias familias de aves, incluidas Ardeidae, Cuculidae, Coraciidae, Picidae y varias otras, tienen escopata tomia con crestas en forma de cepillo muy pequeñas (típicamente de solo 0,3-0,7 mm de alto y difíciles de ver sin aumento) que probablemente crean fricción y ayudar a las aves a capturar y retener alimentos (Figura 14 Gosner 1993). Pequeñas dentaduras a lo largo de la tomía de una (solo el pico superior) o ambas tomías de algunos colibríes probablemente ayuden a capturar y retener presas de insectos y, en algunas especies de ladrones de néctar, perforar la base de las flores para obtener acceso al néctar (Ornelas 1994 Figura 15). La tomia de los pollos de agua que comen peces tiene numerosas proyecciones puntiagudas que ayudan a capturar y retener a su presa principal. Los halcones y alcaudones tienen proyecciones únicas y afiladas de la tomia a cada lado de su pico superior. Varios autores han sugerido que los halcones usan estos "dientes cúbicos" para romper el cuello de sus presas, pero hay poca o ninguna evidencia que apoye esta hipótesis. Más bien, los & lsquotomiales dientes & rsquo se utilizan probablemente para ayudar a agarrar firmemente y arrancar la carne de la presa (Csermely et al. 1998) y, para los halcones grandes, para ayudar a agarrar y romper los huesos largos de las alas y las patas de las presas más pequeñas antes de tragarlas (White et al. 2002).


Figura 14. Arriba, Scopate tomia del martín pescador anillado que se alimenta de peces (Ceryle torquata). Abajo, scopate tomia del insectívoro Laughing Kookaburra (Dacelo novaguineae). Tomia magnificada 10X (De: Gosner 1993).


Figura 15. Mandíbulas superiores de cuatro especies de colibríes que muestran un típico tomium liso (A, Violet Sabrewing, Campylopterus hemileucurus) más la tomia serrada del Sparkling Violetear (Colibri coruscans, B), Woodnymph coronado (Thalurania ridgwayi, C) y Mango pecho verde (Antracotórax prevostii, D) (Tomado de: Ornelas 1994).

En algunas aves, incluidas las aves rapaces (Falconiformes), búhos (Strigiformes), loros, crácidos y palomas, la rhamphotheca en la base del pico superior se llama cere (Figura 16 Stettenheim 1972). El cere es una porción engrosada, a menudo de colores brillantes, del tegumento que se extiende a ambos lados de la base de la región nasal. (Lucas 1979). Lucas y Stettenheim (1972) sugirieron que la cereza puede proporcionar protección para la fosa nasal alargada subyacente (cavidades). Sin embargo, debido a que los ceres a menudo son de colores brillantes, la variación individual en el color del cere también puede transmitir información sobre la calidad individual. Por ejemplo, el cere de los machos de Aguilucho Montagu & rsquos (Circo pygargus) refleja la luz en longitudes de onda correspondientes al amarillo anaranjado (500-600 nm), pero también refleja las longitudes de onda ultravioleta (UV 300-400 nm) (Figura 17). Se encontró que las diferencias entre los machos en el pico de UV estaban asociadas con diferencias en la masa corporal y la condición, lo que sugiere que la reflectancia UV transmite información sobre la calidad individual (Mougeot y Arroyo 2006).


Figura 16. El cere (C) de una paloma de las rocas ubicada en la base del pico superior. La flecha apunta a las fosas nasales externas (O), opérculo (un pequeño disco de cartílago centrado en la fosa nasal que mantiene los objetos extraños fuera de la cavidad nasal) (Tomado de: Purton 1988).

Figura 17. Un Aguilucho Montagu macho (a) que muestra la cere (área de la piel por encima del pico y entre los ojos) (b) Patrón de reflectancia de una cereza masculina típica que muestra picos en las longitudes de onda amarillo-naranja (500-600 nm) y en el ultravioleta (300 & ndash400nm) (Tomado de: Mougeot y Arroyo 2006).

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Una membrana fibrosa electrohilada porosa alineada con administración controlada de fármacos: una estrategia eficaz para acelerar la cicatrización de heridas diabéticas con una mejor angiogénesis

Una herida crónica en pacientes diabéticos suele caracterizarse por una angiogénesis deficiente y un cierre tardío de la herida. La exploración de una estrategia eficaz para mejorar significativamente la angiogénesis en el lecho de la herida diabética y, por lo tanto, acelerar la cicatrización de la herida sigue siendo un desafío importante. En este documento, informamos sobre un tipo de membranas fibrosas electrohiladas de poli (ácido l-láctico) (PlLA) porosas alineadas que contienen nanopartículas de sílice mesoporosas (DS) cargadas con dimetiloxalilglicina (DS) para la cicatrización de heridas diabéticas. Las fibras electrohiladas de PlLA se alinearon en una sola dirección y se generaron nanoporos en forma de elipse in situ en la superficie de las fibras, mientras que los DS estaban bien distribuidos en las fibras y el DMOG y el ión Si se podían liberar de forma controlada desde el nanoporos en las fibras. Los resultados in vitro revelaron que las membranas compuestas porosas alineadas (DS-PL) podrían estimular la proliferación, la migración y la expresión génica relacionada con la angiogénesis de las células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) en comparación con las membranas PlLA puras. El estudio in vivo demostró además que las membranas DS-PL preparadas mejoraron significativamente la neovascularización, la reepitelización y la formación de colágeno, así como inhibieron la reacción inflamatoria en el lecho de la herida diabética, lo que eventualmente estimuló la cicatrización de la herida diabética. En conjunto, estos resultados sugieren que la combinación de estructuras jerárquicas (nanoporos en las fibras alineadas) con los fármacos DMOG liberados controlables, así como los iones Si de las membranas, podrían crear un efecto sinérgico sobre la estimulación rápida de la angiogénesis en el lecho de la herida diabética. , es una posible estrategia terapéutica novedosa para la cicatrización de heridas diabéticas altamente eficaz.

Declaración de importancia: Una herida crónica en pacientes diabéticos suele caracterizarse por una angiogénesis deficiente y un cierre tardío de la herida. La principal innovación de este estudio es diseñar un nuevo tipo de andamio de ingeniería de tejido cutáneo, membranas electrohiladas de poli (ácido l-láctico) poroso alineado (PlLA) que contienen nanopartículas de sílice mesoporosas (DS) cargadas con dimetiloxalilglicina (DS), que podrían mejorar significativamente angiogénesis en el lecho de la herida diabética y, por lo tanto, acelerar la cicatrización de la herida diabética. Los resultados revelaron que las fibras electrohiladas con nanoporos en forma de elipse en la superficie estaban alineadas en una sola dirección, mientras que había partículas de DS distribuidas en las fibras y el DMOG, así como los iones de Si, podían liberarse de manera controlada de los nanoporos en la superficie. fibras. Los estudios in vitro demostraron que las nanoestructuras jerárquicas (nanoporos en las fibras alineadas) y los agentes activos químicos liberados controlables (fármacos DMOG e iones Si) de las membranas DS-PL podrían ejercer un efecto sinérgico en la inducción de la proliferación, la migración y la migración de las células endoteliales. diferenciación. Sobre todo, los armazones indujeron claramente la angiogénesis, la deposición de colágeno y la reepitelización, así como también inhibieron la reacción de inflamación en los sitios de la herida, lo que eventualmente estimuló la curación de las heridas diabéticas in vivo. La importancia del estudio actual es que la combinación de la estructura nanofibrosa porosa alineada jerárquicamente con MSN cargados con DMOG incorporados en fibras electrohiladas puede sugerir una estrategia de alta eficiencia para la curación de heridas crónicas.

Palabras clave: Estructura porosa alineada Angiogénesis Administración controlada de fármacos Cicatrización de heridas diabéticas Membranas electrohiladas.

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Innovación

El cierre de una herida de espesor total mediante la contracción de la herida es un proceso lento y no se usa comúnmente. El injerto de piel es rápido y eficaz para cerrar un defecto. Sin embargo, el injerto, un procedimiento quirúrgico, crea una nueva herida que causa malestar y plantea problemas estéticos. Las nuevas terapias que conducen a una contracción más rápida de la herida deberían reducir la necesidad de injertos. Se agradecería el desarrollo de una contracción de la herida más eficiente, posiblemente mejorando la tasa de organización del colágeno que aceleraría la tasa de contracción y eliminaría tanto un procedimiento quirúrgico como un defecto y cicatriz secundarios.