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World File Search SystemLOVAMAP
填充颗粒的空隙空间和支架分析
摘要 我们开发了一种分析填充粒子的工具，以应对颗粒生物材料日益流行的趋势。颗粒水凝胶，包括微孔退火粒子 (MAP) 支架，是一类用于治疗应用的材料，因为它们具有独特的性质，包括粒子之间的微孔隙度。颗粒材料的微观结构很难研究，这导致该领域的许多人报告不可靠的空隙体积分数度量和/或 2D 切片近似“孔径”作为空隙空间的唯一特征。为此，我们创建了 LOVAMAP，这是一款定制软件，它结合了计算几何和图论技术，将空隙空间分割成 3-D 孔隙，这是开放空间的自然口袋。LOVAMAP 的 44 个支架特征为用户提供了描述支架内部和入口的定量概况。我们视觉丰富的输出解决了诸如空隙大小、形状、连通性、路径、各向同性/各向异性、配体可用性以及渗透/迁移限制等主题。使用 LOVAMAP，我们研究了 60 种不同类型的颗粒支架，包括具有相应细胞数据的真实 MAP 支架。我们使用高维分析来表明，我们软件的输出数据可用于对 3-D 孔隙类型进行分类，以及通过生成数字“指纹”来表征整个支架。结合细胞数据，LOVAMAP 揭示了神经球形成与支架空隙几何形状之间的关系。LOVAMAP 是一种支持技术，广泛应用于颗粒生物材料研究以及研究颗粒材料的所有领域。背景由于颗粒生物材料越来越受欢迎，填充颗粒及其周围的空隙（间隙空间、孔隙空间）是一个热门研究课题。颗粒材料在许多应用领域都很有吸引力，包括可注射组织模拟物和 3D 生物打印，因为它们具有独特的属性，例如剪切稀化行为、增加的材料表面积以及离散异质性的选项 1,2。由水凝胶微粒（微凝胶）制成的颗粒材料已用于促进多种疾病模型中的伤口愈合，包括中风 3、心肌梗死 4、皮肤伤口 5 和脊髓损伤 6。当微凝胶堆积在一起时，它们形成一种称为颗粒支架的 3D 结构，当颗粒支架的微凝胶连接在一起时，所得到的稳定结构称为微孔退火颗粒 (MAP) 支架 7。堆积的微凝胶在整个支架中形成空隙空间微孔，从而使细胞在颗粒之间畅通无阻地浸润和迁移。许多研究支持局部几何形状影响细胞行为的观点 8-13 ，并且在颗粒支架中，细胞感知到的局部几何形状是空隙空间的微观结构。因此，我们的目标是了解颗粒支架的内部几何形状，以改进材料设计。在生物材料领域，使用二维显微镜图像近似的孔隙率是最常见的支架空隙空间量化方法。孔隙率通常报告为孔隙体积分数或二维“孔”长度测量值的分布。我们之前已经揭示了报告孔隙率的这种近似值的细微差别 14 ，我们认为空隙体积分数和二维孔隙近似值不足以作为独立指标，因为它们忽略了三维空隙空间局部口袋中的复杂性和几何多样性。其他领域（数学、物理、地球科学、化学、农业等）对堆积颗粒进行了广泛的研究，而没有考虑空隙空间几何形状如何影响细胞的行为。研究通常侧重于粒子本身，其中已经开发出方法来识别粒子边界 15-17 或构建接触粒子的图形以研究粒子连通性、填充配置和应力链 18-23 。然而，这些结果未能表征空隙空间。一些以粒子为中心的研究包括有关空隙空间的信息，
空间限制调节微孔退火粒子（MAP）支架中的巨噬细胞反应
抽象巨噬细胞在炎症过程的开始，维持和过渡中至关重要，例如异物反应和伤口愈合。安装证据表明，物理因素还会在体外和体内调节巨噬细胞的激活。2D体外系统表明，将巨噬细胞限制为小区域或通道可调节其表型，并改变其对已知炎症剂（如脂多糖）的反应。但是，探索尺寸和孔径如何影响巨噬细胞表型。在这项工作中，我们研究了巨噬细胞限制在微孔退火颗粒支架（MAP）中时M1/M2极化的变化，这些粒子是由退火球形微凝胶产生的颗粒状水凝胶。我们设计了三种类型的地图凝胶，分别包括40、70和130 µm直径的粒径。颗粒大小，该输出分析了MAP凝胶中3-D孔的特性。由于构建块粒子的尺寸与最终支架内部的孔径相关，因此我们的三种脚手架类型使我们能够研究空间限制程度如何调节嵌入式巨噬细胞的行为。在空间上限制了骨尺寸的巨噬细胞在细胞尺度上的巨噬细胞导致炎症反应水平降低，这与细胞形态和运动性的变化相关。引言巨噬细胞是许多伤害和疾病的核心1。这些状态可以简化为从促炎（M1）到促育（M2）表型2,3的频谱。这个因素在典型的炎症事件中，巨噬细胞是最早到达并偏振各种激活状态以执行特定功能的巨噬细胞之一。通常，M1表型与炎症的启动和维持有关，而M2表型与炎症的分辨率和再生阶段4密切相关。除了在表型中及时过渡的内在分化途径外，巨噬细胞还适应了来自相邻细胞的微环境线索和居住在5的细胞外基质。其他细胞（例如IFN-γ或IL-4）分泌的生化因子可以将巨噬细胞引导到促炎或育次育进行表型6。这些常见可溶性因子背后的分子机制及其对巨噬细胞的影响已得到广泛研究。但是，物理信号调节巨噬细胞激活的机制的探索较少。在生物材料领域，研究人员已经测试了广泛的材料特性对巨噬细胞调节的影响，以追求更好的生物相容性。例如，通过增加亲水性来修饰表面修饰可减少巨噬细胞的附着，而用细胞结合配体进行装饰表面偏向巨噬细胞极化10-13。了解控制表型巨噬细胞变化的特定机械传输机制将指导未来的生物材料设计并获得深远的生理意义。空间限制是在组织或材料支架中调节巨噬细胞反应的众所周知的参数。地形设计将巨噬细胞迫使伸长的细胞形状被证明可促进促增再效的M2表型14。通过使用微图案表面，微孔底物和细胞拥挤来诱导空间限制，研究人员能够防止小鼠骨髓来源的巨噬细胞或RAW264.7细胞扩散，从而抑制晚期的脂多糖（LPS）晚期（LPS）相关的转录程序和细胞质的表达15。肌动蛋白聚合在狭窄空间内的巨噬细胞中受到限制，这降低了依赖于肌动蛋白的转录副因素，肌动蛋白相关的转录因子-A 15。