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Wie sind die Kollagenfasern in der Haut in Bezug auf die Hautoberfläche ausgerichtet?

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Ich habe in einem Artikel gelesen, dass Kollagenfasern in der Dermis in Bezug auf die Hautoberfläche zufällig in Richtung orientiert sind. Ich kann das Papier jetzt nicht finden. Ich bin jedoch auf dieses Papier gestoßen, das darauf hinweist, dass Kollagen immer parallel zur Hautoberfläche ausgerichtet ist (Seite 3). Welches ist richtig?


Kollagen unter der Epidermis ist nicht völlig zufällig orientiert, sondern meist entlang der darunter liegenden Muskelfasern.

Dies wurde erstmals von Karl Langer beobachtet und daher als Langersche Linien (der Hautspannung) bezeichnet. Diese besondere Anordnung von Kollagen ist für die Aufrechterhaltung der Integrität der Haut in Zeiten der Dehnungskraft verantwortlich, die von den Muskeln auf sie ausgeübt wird. Wären sie senkrecht, würde die Haut leicht reißen.

Dies hat auch klinische Relevanz, da während der Operation bei einem Schnitt entlang dieser Linien die Narbe minimal wäre.


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


Der Nachweis von faserigem Protein kann zu verbessertem Bioprinting und Tissue Engineering führen

Faserproteine ​​wie Kollagen und Fibrinogen bilden eine dünne feste Schicht auf der Oberfläche einer wässrigen Lösung, ähnlich der "Haut", die sich auf warmer Milch bildet, so ein Team von Penn State Researchers, das glaubt, dass dieser Befund zu einem effizienteren Bioprinting führen könnte und Gewebetechnik.

Im menschlichen Körper bieten Faserproteine ​​strukturelle Unterstützung für Zellen und Gewebe und unterstützen die Biomechanik. Kollagen macht 80 % unserer Haut und 10 % unserer Muskeln aus, während Fibrinogen bei der Blutgerinnung hilft, indem es das Hydrogel Fibrin bildet.

"Kollagen- und Fibrinogen-Proteinlösungen werden häufig als Vorläufer von Kollagen- und Fibrin-Hydrogelen in Tissue-Engineering-Anwendungen verwendet", sagte Hemanth Gudapati, Doktorand in Ingenieurwissenschaften und Mechanik. "Das liegt daran, dass Kollagen und Fibrin, die ähnlich ihrer Rolle im menschlichen Körper als Strukturmaterialien für das Tissue Engineering verwendet werden, ungiftig, biologisch abbaubar sind und die natürliche Mikroumgebung von Zellen nachahmen."

Gudapati und andere Forscher berichten, in Weiche Materie, zum ersten Mal, dass faserige Proteine ​​durch Aggregation von Proteinen an der Luft/Wasser-Grenzfläche eine feste Schicht auf der Wasseroberfläche bilden. Diese feste Schicht stört genaue Messungen der Rheologie der Lösung, bei der es sich um die Untersuchung von Fluideigenschaften wie der Strömung handelt. Bisher konnte nur gezeigt werden, dass der andere Hauptproteintyp, die globulären Proteine, diese festen Schichten an der Luft/Wasser-Grenzfläche bildet.

Genaue Rheologiemessungen sind für den erfolgreichen Bioprinting unerlässlich. Die Messung der Viskosität ist wichtig, um zu identifizieren, welche Proteinlösungen potenziell druckbar sind, und um Inkonsistenzen im Fließverhalten zwischen verschiedenen Chargen von Faserproteinen zu erkennen.

„Kollagen und Fibrinogen werden aus Tieren extrahiert und ihr Fließverhalten ändert sich von Charge zu Charge und mit der Zeit“, sagte Gudapati.

Dies wiederum führt zu einer Herausforderung für konsistente Bioprinting-Ergebnisse.

"Eine genaue Messung des Fließverhaltens hilft bei der zuverlässigen oder konsistenten Abgabe der Proteinlösungen während des Bioprintings", sagte Gudapati. "Dies hilft bei der Herstellung von Dingen wie zuverlässigen Organ-on-Chip-Geräten und Krankheitsmodellen."

Eine mögliche Lösung für eine genaue Messung ist die Zugabe eines Tensids wie Polysorbat 80, um die Filmbildung an der Luft/Wasser-Grenzfläche zu verhindern.

Die Forschung identifiziert auch die Konzentrationen von Proteinlösungen, die potenziell über Inkjet-Bioprinting gedruckt werden können, sowie die Identifizierung von Bioprinting-Betriebsparametern.

Gudapati sagte, es gebe andere Ergebnisse in ihrer Forschung, die weitere Untersuchungen erfordern. Dazu gehörte die Möglichkeit, dass die aggregierten faserigen Proteine ​​an der Luft/Wasser-Grenzfläche von der Grenzfläche freigesetzt werden und dass diese Proteinaggregate eine weitere Akkumulation der Proteine ​​in den Lösungen verursachen können.

„Die weitere Massenaggregation könnte einer der Gründe für die schlechte Ausrichtung von Kollagenfasern oder die schlechte mechanische Festigkeit von Fibrin außerhalb des Körpers, d.

Die Arbeit wurde im Labor von Ibrahim Ozbolat, Hartz Family Career Development Associate Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, in Zusammenarbeit mit Ralph Colby, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und Chemieingenieurwesen, durchgeführt.

"Dr. Colbys Arbeit mit globulären Proteinlösungen hat unsere Arbeit beeinflusst", sagte Gudapati. „Wir haben zum Beispiel zu Beginn unserer Forschung erkannt, dass sich die faserigen Proteine ​​an der Luft-Wasser-Grenzfläche ähnlich wie globuläre Proteine ​​verhalten könnten.“

Neben Colby, Ozbolat und Gudapati, anderen Autoren der Weiche Materie Papier gehören Daniele Parisi, Doktorand in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.

Die Osteology Foundation in der Schweiz, die Hartz Family Career Development Professorship in Engineering und das Penn State Department of Engineering Science and Mechanics unterstützten diese Forschung.


Herstellung von Kollagen-Mikrostreifen mit ausgerichteten Fasern für Zellmigrationsassays

Die Orientierung von Kollagenfasern in nativen Geweben spielt eine wichtige Rolle bei der Zellsignalisierung und vermittelt das Fortschreiten von Tumorzellen bei Brustkrebs durch einen Kontaktleitmechanismus. Zu verstehen, wie die Migration von Epithelzellen durch die Ausrichtung der Kollagenfasern gesteuert wird, erfordert in vitro Assays mit standardisierten Orientierungen von Kollagenfasern.

Methoden

Um dieses Problem anzugehen, haben wir Mikrostreifen mit ausgerichteten Kollagenfasern mit einem benutzerfreundlichen und vielseitigen Ansatz hergestellt, der auf der Aspiration einer Kollagenlösung in einem Mikrokanal basiert. Deckgläser wurden mit einer (3-Aminopropyl)triethoxysilan/Glutaraldehyd-Bindung funktionalisiert, um Mikrostreifen aus ausgerichteten Kollagenfasern kovalent zu verankern, während Mikrokanäle mit einem Poly(ethylenoxid)-Poly(propylenoxid)-Poly(ethylenoxid) funktionalisiert wurden ( PEO-PPO-PEO) nichtionisches Triblock-Polymer, um das Anhaften der Kollagen-Mikrostreifen zu verhindern.

Ergebnisse

Mit dieser Strategie können Mikrokanäle abgezogen werden, um Mikrostreifen von ausgerichteten Kollagenfasern freizulegen, ohne ihre mechanische Integrität zu beeinträchtigen. Wir verwendeten konfokale Reflexionsmikroskopie im Zeitraffer, um die Polymerisationskinetik von Kollagennetzwerken für verschiedene Konzentrationen und die Orientierung der Kollagenfasern als Funktion der Mikrokanalbreite zu charakterisieren. Unsere Ergebnisse zeigen eine nichtlineare Konzentrationsabhängigkeit des Fluoreszenzbereichs, was darauf hindeutet, dass die Architektur von Kollagennetzwerken empfindlich auf kleine Konzentrationsänderungen reagiert. Wir zeigen die Möglichkeit, die Bedeckung der Kollagenfibrillen durch Anpassung der Konzentration der Kollagenlösung zu beeinflussen.

Abschluss

Wir wendeten diesen neuartigen Ansatz an, um die Migration von Epithelzellen zu untersuchen und zeigten, dass Kollagen-Mikrostreifen mit ausgerichteten Fasern eine wertvolle in-vitro Assay zur Untersuchung von Zellkontakt-Führungsmechanismen.


EINLEITUNG

Psoriasis ist eine der häufigsten immunvermittelten chronisch-entzündlichen Hauterkrankungen, von der etwa 1 bis 3 % der Weltbevölkerung betroffen sind. Aktive Interaktionen zwischen Immunsystem und Haut treten in der Regel mit systemischer Manifestation auf, insbesondere Arthritis (Weigle und McBane, 2013). Charakteristische Merkmale der Psoriasis sind hyperproliferative Keratinozyten, erweiterte Blutgefäße in der Dermis und eine massive Infiltration von Leukozyten. Psoriasis führt dazu, dass sich Zellen schnell auf der Hautoberfläche aufbauen und juckende, trockene Flecken und dicke silbrige Schuppen bilden. Die häufigste Form der Psoriasis, Psoriasis vulgaris, macht 90 % der Fälle aus (Griffiths und Barker, 2007). Die Behandlung der Psoriasis umfasst entweder eine topische Behandlung mit Immunsuppressiva, Steroiden und mehreren anderen Wirkstoffen oder eine systemische Behandlung wie Methotrexat-Verabreichung, Phototherapie, orale Retinoide und biologische Therapien, wobei die topische Behandlung die am weitesten verbreitete Behandlungsform bleibt. Patienten, die wegen Psoriasis behandelt werden, zeigen jedoch häufig einen Rückfall, unerwünschte Arzneimittelwirkungen und andere Reaktionen wie die Entwicklung von nicht-melanozytärem Hautkrebs (Poulard et al., 2013). Empfohlene Behandlungsoptionen für Psoriasis in der traditionellen Medizin sind eine Änderung des Lebensstils, vorbeugende Maßnahmen sowie eine Kräutertherapie (Atyabi et al., 2016). Daher ist eine neue, wirksamere therapeutische Strategie ohne Nebenwirkungen immer noch wünschenswert.

Die Dysregulation des Immunsystems ist ein wichtiges Kennzeichen bei der Entwicklung von Psoriasis. Regulatorische T-Zellen (Tregs) gelten als Inhibitoren von Autoimmunreaktionen, ihre Rolle bei der Pathogenese der Psoriasis bleibt jedoch unklar. Psoriasis wird als T-Helfer-1-(Th1)-Krankheit angesehen, was durch erhöhte Zytokinspiegel des Th1-Wegs (Interferon gamma, Interleukin (IL) 2 und 12) in Psoriasis-Plaques belegt wird (Griffiths und Barker, 2007, Traub und Marshall, 2007). ). Tregs unterdrücken Immuneffektoren, einschließlich Th17-Zellen, und halten die Immunhomöostase aufrecht (Sugiyama et al., 2005 Bovenschen et al., 2011). Um den fehlregulierten Immunstatus bei Psoriasis wiederherzustellen, ist es daher notwendig, Tregs zu verstärken und/oder Immuneffektoren einschließlich Th17-Zellen zu unterdrücken.

Andere Forscher haben jedoch eine Beteiligung (Yu et al., 2007) oder sogar eine wichtige Rolle von Keratinozyten (Kharaeva et al., 2009) bei der Entwicklung von Psoriasis vorgeschlagen. Ein weiteres Merkmal der psoriatischen Haut ist die Akanthose aufgrund einer reduzierten epidermalen Apoptose (Boehm, 2006). Die Stimulation der Apoptose ist jedoch mit einer Rückbildung der Psoriasis-Hyperplasie verbunden (Heenen und Simonart, 2008). Die Kontrolle der Keratinozytenproliferation kann eine wertvolle Strategie bei der Behandlung von Psoriasis darstellen, da die Wiederherstellung der homöostatischen Regulation der Keratinozytenproliferation und Differenzierung von grundlegender Bedeutung für die Wiederherstellung einer normalen Epidermis ist (Tse et al., 2006).

Schwarzkümmelöl oder Nigella-Sativa-Öl ist das Öl, das aus schwarzen Samen (Nigella sativa) gewonnen wird, bei denen es sich um winzige, schwarz gefärbte Samen handelt, die allgemein als "Schwarzkümmel" bezeichnet werden. Mehrere an Menschen und Labortieren durchgeführte In-vivo- und In-vitro-Studien haben gezeigt, dass N. sativa und seine Inhaltsstoffe ein breites Spektrum an pharmakologischen Wirkungen aufweisen, einschließlich antinozizeptiver (Abdel-Fattah et al., 2000), entzündungshemmender, blutdrucksenkender, antiasthmatischer, hypoglykämische, antiparasitäre, antimikrobielle, antioxidative und krebsbekämpfende Wirkungen (Padhye et al., 2008 Randhawa und Alghamdi, 2011 Abel-Salam, 2012). In der Studie von El-Dakhakhny et al. (2002) wurde festgestellt, dass die entzündungshemmende Wirkung von N. sativa-Öl und seinem Wirkstoff Thymochinon durch ihre Wirkung als Inhibitoren von 5-Lipooxygenase-Produkten und der Produktion von 5-Hydroxyeicosatetraensäure in einer Konzentration erklärt werden kann: abhängig, was an seiner antioxidativen Wirkung liegen kann. Darüber hinaus zeigten das Öl und seine Wirkstoffe vorteilhafte Eigenschaften bei der Immunmodulation, indem sie die Immunantwort von T-Zell- und natürlichen Killerzellen verstärkten (Salem, 2005).

Daher war das Ziel dieser Studie, die Wirkung von Schwarzkümmelöl auf ein Imiquimod (IMQ)-induziertes Psoriasis-ähnliches Rattenmodell durch Licht-/Elektronenmikroskopie sowie Immunhistochemie zu untersuchen, um die Rolle von Schwarzkümmelöl bei der Behandlung von Psoriasis zu beurteilen.


Experimentelle und modellierende Studie von Kollagengerüsten mit den Auswirkungen von Vernetzung und Faserausrichtung

Kollagen-Typ-I-Gerüste werden aufgrund ihrer Häufigkeit, Biokompatibilität und Allgegenwart häufig verwendet. Bei den meisten Anwendungen müssen die Gerüste unter mechanischen Belastungen betrieben werden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die strukturell-funktionelle Integrität von Kollagengerüsten zu verstehen und zu kontrollieren. Mit einem kombinierten experimentellen und modellierenden Ansatz untersuchten wir die Struktur und Funktion von Typ-I-Kollagengel mit den Auswirkungen der räumlichen Faserausrichtung und Vernetzung. Ausgerichtete Kollagengerüste wurden durch den Fluss magnetischer Partikel erzeugt, die in Kollagenfibrillen eingeschlossen waren, um die in nativem Gewebe beobachtete Anisotropie nachzuahmen. Die inter- und intramolekulare Vernetzung wurde mit Genipin chemisch modifiziert, um die Steifigkeit von Kollagengerüsten weiter zu verbessern. Die anisotropen mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten wurden unter Verwendung eines planaren biaxialen Zugprüfgeräts und eines Parallelplattenrheometers charakterisiert. Die Tangentensteifigkeit aus dem biaxialen Zugversuch ist zwei bis drei Größenordnungen höher als die Speichermoduli aus rheologischen Messungen. Die biphasische Natur von Kollagengel wurde diskutiert und verwendet, um das mechanische Verhalten von Kollagengerüsten unter verschiedenen Arten von mechanischen Tests zu erklären. Ein anisotropes hyperelastisches konstitutives Modell wurde verwendet, um die Eigenschaften des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von Kollagengerüsten zu erfassen.

1. Einleitung

Kollagen, eine der wichtigsten extrazellulären (ECM) Komponenten, ist entscheidend für die mechanischen Eigenschaften vieler Arten von biologischem Gewebe, einschließlich Sehnen, Bänder, Knochen, Blutgefäße und Haut. Kollagengerüste werden aufgrund ihrer Biokompatibilität, geringen Toxizität und gut dokumentierten strukturellen, physikalischen, chemischen und immunologischen Eigenschaften häufig in Tissue Engineering, Wirkstoffabgabe, Wundheilung und Neuroregeneration als Leitsubstrat eingesetzt [1–3]. Die meisten dieser Anwendungen erfordern, dass die Gerüste unter mechanischen Belastungen arbeiten, und daher wird es entscheidend, die strukturell-funktionale Integrität kontrollieren und anpassen zu können. Kollagengel vom Typ I, das aus kommerziell erhältlichen Lösungen hergestellt wurde, wurde in der Biomaterialforschung allgemein verwendet. Sie haben jedoch im Vergleich zu den nativen Geweben, die sie nachahmen oder ersetzen sollen, extrem schlechte biomechanische Eigenschaften.

Kollagenfibrillen werden durch kovalente Vernetzungen innerhalb und zwischen den bildenden Kollagenmolekülen verstärkt. Die Anhäufung von Kollagenfibrillen bildet eine Kollagenfaser, die das am häufigsten vorkommende Protein im Körper ist. Kollagen kann sich durch eine enzymatische Bildung intermolekularer Vernetzungen selbst organisieren, was zu einem Kopf-Schwanz-Netzwerk innerhalb der Faser führt. Die mechanischen Eigenschaften von Kollagenfasern hängen in erster Linie von der Bildung intermolekularer Vernetzungen innerhalb der Fasern ab, um ein Verrutschen unter Belastung zu verhindern [5]. In den konstruierten Kollagengerüsten ist die Dichte dieser Art der Vernetzung jedoch für praktische Anwendungen nicht groß genug. Neben der Selbstorganisation kann die mechanische Gesamtfestigkeit von Kollagenfasern verbessert werden, indem die Dichte der inter- und intramolekularen Vernetzung mit verschiedenen chemischen Reagenzien erhöht wird.

Glutaraldehyd (GA) ist eines der gebräuchlichsten chemischen Vernetzungsreagenzien für Kollagen [6–11]. Mit GA vernetzte Kollagengele wurden bereits für Augenoberflächen [12], corneale Tissue Engineering Scaffolds [4] und nanoskalige Kollagenfibrillengerüste untersucht [8, 13]. GA trägt dazu bei, viele der viskoelastischen Eigenschaften des Kollagenfibrillennetzwerks zu erhalten, und es reagiert relativ schnell. Die Zugabe von GA induziert kovalente Bindungen zwischen Kollagenfibrillen durch Aldehyd-Amino-Reaktionen sowie durch Aldolkondensation [14]. Dies führt zu einem stärker vernetzten Netzwerk. GA kann auch zu intramolekularen Vernetzungen zwischen zwei α-Ketten durch Aldolkondensation. Obwohl es weit verbreitet als Vernetzungsreagenz für Biomaterialien auf Kollagenbasis verwendet wird, ist das mit GA verbundene Zytotoxizitätsproblem ein anerkannter Nachteil und verhindert seine Anwendung von in vivo Studien.

Kürzlich wurde gezeigt, dass Genipin (GP), eine aus der Frucht der Gardenia Jasminoides extrahierte Verbindung, zelluläres und azelluläres biologisches Gewebe sowie viele Biomaterialien, einschließlich Hydrogele und Hydrogel-Komposite, effektiv vernetzt [7]. Es wurde auch festgestellt, dass GP signifikant weniger zytotoxisch ist als GA [15, 16]. Diese Eigenschaften machen GP zu einem alternativen Vernetzungsmittel für Biomaterialien mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Ähnlich wie GA kann auch GP intramolekulare sowie intermolekulare Vernetzungen in Kollagen bilden [7]. GP reagiert spontan mit den primären Aminen, Lysin- und Argininresten im Kollagen, um Monomere zu bilden, die das Kollagen weiter vernetzen [17]. Das Vernetzungsverfahren ist jedoch ein komplexer Vorgang, und über die mechanischen Eigenschaften von mit GP behandeltem Kollagen ist wenig bekannt.

In vielen früheren Studien wurde eine bevorzugte Kollagenorientierung entlang der dominanten physiologischen Belastungsrichtung beobachtet [18, 19]. Mechanische Anisotropie in nativem Gewebe ist stark mit der Faserorientierung verbunden. Zusammenbau von Kollagenmolekülen in vitro bleibt eine große Herausforderung für die Herstellung der nächsten Generation von künstlichen Geweben. Es gibt mehrere Möglichkeiten, während des Zusammenbaus anisotrop ausgerichtete Kollagenfibrillen zu erzielen. Moleküle können durch Strömung, mikrofluidische Kanäle [20] und die Anwendung externer anisotroper mechanischer Kräfte [21–23], elektrischer Ströme [24] und magnetischer Felder ausgerichtet werden. Konstante Magnetfelder können Kollagenmoleküle ausrichten, da die Kollagenmoleküle eine diamagnetische Anisotropie aufweisen. Barocaset al. [25] demonstrierten die umfangsmäßige Ausrichtung des Kollagens in einer röhrenförmigen Form. Der kleine Diamagnetismus von Kollagenmolekülen erfordert jedoch Magnetstärken der Tesla-Ordnung [26]. Kürzlich nutzten Guo und Kaufman [27] den Fluss magnetischer Kügelchen, die in Kollagenfibrillen eingebettet sind, um Kollagen auszurichten. Die Streptavidin-beschichteten ferromagnetischen Kügelchen (ca. 1,5 μm Durchmesser) erleichterten die Kollagenausrichtung unter einem Magnetfeld von nur

. Kollagen wurde ausgerichtet, während sich die Kügelchen zu den Magnetpolen bewegten. Die Zeitskalen des Perlentransports und der Gelierung müssen vergleichbar sein, damit die Ausrichtung richtig erfolgt.

Als Netzwerk mit hierarchischen Strukturen ist der Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften von Kollagen und seinen Strukturen offensichtlich kausal. Die vorliegende Studie wurde entwickelt, um die biaxialen Zugfestigkeits- und rheologischen mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten zu charakterisieren. Unterschiedliche Konzentrationen von GP wurden verwendet, um den Vernetzungsgrad in den Kollagengerüsten zu modifizieren. Die Methode der Verwendung des Flusses von magnetischen Beads, die in Kollagenfibrillen eingebettet sind [27] wurde angepasst, um die Ausrichtung der Fasern in den Gerüsten zu erreichen. Die gekoppelten Effekte von Faserausrichtung und Vernetzung über Hierarchien hinweg auf die mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten wurden untersucht.

2. Materialien und Methoden

2.1.Probenvorbereitung

Genipin vernetzte Kollagengerüste
Nutragen Typ I Collagenlösung (6 mg/ml) wurde von Advanced BioMatirx bezogen. Kollagen wurde in 0,01 N HCl mit einem pH-Wert von ungefähr 2,0 gelöst. Neutralisierte Kollagenlösung wurde durch schnelles Mischen von Nutragen-Kollagenlösung, 10x PBS (Fisher Scientific) und 0,1 M NaOH (Fisher Scientific)-Lösung mit einem Verhältnis von 8 : 1 : 1 bei 4 °C mit einer Kollagen-Endkonzentration von 4,8 mg/m hergestellt. ml. Der pH-Wert der Lösung wurde auf einen Wert zwischen 7,2 . eingestellt

7.4. Die neutralisierte Lösung wurde in einen speziell angefertigten quadratischen Behälter mit einer Abmessung von ca. 30 mm . überführt

30 mm, die in einer Petrischale sitzt. Auf jeder Seite des Behälters wurde eine 15 mm 1 mm Kerbe geschnitten, um die Ladestangen anzupassen. Vier poröse Polyethylenstäbe (18 mm 3 mm 1,5 mm) (Fisher Scientific), die mit Nylonnähten vorgefädelt waren, wurden an den Seiten des Reservoirs platziert. Die Abmessung zwischen den Polyethylenstäben betrug etwa 15 mm 15 mm, und die Dicke des Gels betrug etwa 1 mm. Die Lösung wurde zunächst zur Gelierung 12 Stunden bei 37 °C in einem Brutschrank aufbewahrt [4, 6, 11]. Während der Gelierung wurden die Polyethylenriegel in die Kollagengele einpolymerisiert [28] (Abbildung 1). Die Kollagengele wurden dann für weitere 6 Stunden im Brutschrank zur Vernetzung in 0,03 %, 0,1 % und 0,25 % GP-Lösungen eingetaucht [16].


(ein)
(B)
(ein)
(B) Kollagengerüste, vernetzt mit (a) 0,03 % und (b) 0,1 % GP für 6 Stunden. Vier vorgefertigte Polyethylenstäbe wurden in die Kollagengerüstprobe für den biaxialen Zugtest einpolymerisiert.

Magnetisch ausgerichtetes Kollagengel
Die ausgerichteten Kollagengerüste wurden mit Hilfe eines Flusses von in Kollagenfibrillen eingebetteten magnetischen Partikeln erhalten [27]. Kurz gesagt wurden neutralisierte Kollagenlösungen wie oben hergestellt. Streptavidin-beschichtete Eisenoxid-Magnetpartikel (Bangs Labs) von 1,5 μm Durchmesser wurden in einer Konzentration von 0,1 mg/ml in die neutralisierte Kollagenlösung gegeben. Die Lösung mit Kügelchen wurde dann in das Reservoir überführt und 12 Stunden bei 37 °C inkubiert, wobei ein Magnetstab unter der Petrischale platziert wurde. Die Richtung des Magnetfeldes wurde auf der Petrischale markiert. Nach der Gelierung wurden die Proben zur weiteren Vernetzung in 0,03 %, 0,1 % und 0,25 % GP-Lösungen eingetaucht.

2.2. Rasterelektronenmikroskopie (REM)

Die Morphologie der Kollagengerüste wurde unter Verwendung eines JOEL JSM-6100 SEM untersucht, das bei 10 kV betrieben wurde. Um die Probe für SEM vorzubereiten, wurden vernetzte Kollagengele mit 4% Paraformaldehyd in PBS 1 Stunde bei Raumtemperatur fixiert. Die fixierten Proben wurden in einer abgestuften Reihe von destilliertem Wasser/Ethanol: 30 %, 50 %, 70 % und 100 % jeweils für 15 Minuten dehydratisiert, gefolgt von Waschungen mit einer abgestuften Ethanol-/HMDS-Reihe: 30 %, 50 %, 70 % , und 100 % für jeweils 15 Minuten und schließlich über Nacht trocknen gelassen [29–31]. Dieses Trocknungsverfahren wurde verwendet, um ein Schrumpfen der Probe zu vermeiden. Die getrockneten Hydrogele wurden vor dem SEM mit Pd/Au sputterbeschichtet. SEM-Bilder wurden an mehreren Stellen der Probe aufgenommen und verwendet, um die Ausrichtung der Kollagenfasern qualitativ zu beurteilen.

2.3. Planarer biaxialer Zugversuch

Die mechanischen Zugeigenschaften von Kollagengerüsten wurden unter Verwendung eines planaren biaxialen Zugprüfgeräts charakterisiert. Beim biaxialen Zugversuch wurde eine etwa quadratische Probe so montiert, dass sie sowohl entlang der

Richtungen in der Ebene. Vier Karbonpunkt-Marker, die ein 5 mm × 5 mm-Quadrat bildeten, wurden in der Mitte des Prüfkörpers platziert, und eine CCD-Kamera wurde verwendet, um die Position der Marker zu verfolgen, aus denen die Gewebedehnungen in beiden Richtungen während der Verformung bestimmt werden können. Die Probe wurde mit Zugspannung beaufschlagt und die Belastung während des Be- und Entladevorgangs mit Wägezellen gemessen. Die quadratischen Proben wurden biaxial über Nähte geladen, die an den Polyethylenstäben vorgefädelt waren. Eine Vorspannung von 2 g wurde verwendet, um die Nähte zu begradigen. Die Proben wurden äquibiaxial für 8 Zyklen mit einer Last von 10 g vorkonditioniert, um eine wiederholbare Materialreaktion zu erreichen. Es wurde eine Halbzykluszeit von 10 Sekunden verwendet. Der vorgespannte Zustand wurde als Referenzzustand für die spätere Dehnungsberechnung verwendet. Die Proben wurden dann unter Lastkontrollverfahren getestet und einer Reihe von äquibiaxialen Lasten ausgesetzt, wobei die maximalen Lasten von 70 g bis 100 g variierten. Cauchy-Spannung und logarithmische Dehnung wurden berechnet [32] und zur Beschreibung des biaxialen mechanischen Zugverhaltens von Kollagengel verwendet.

2.4. Rheometrie-Studie

Die mechanischen Eigenschaften von Kollagengel wurden auch unter Verwendung eines Parallelplatten-Rheometers (AR2000, TA Instrument) bewertet. Neutralisierte Collagenlösung wurde wie oben angegeben mit einer Collagen-Endkonzentration von 4,8 mg/ml hergestellt. Die Lösung wurde in P60-Petrischalen überführt und 12 Stunden bei 37 °C inkubiert. Die Kollagengele wurden dann mit 0,03 %, 0,1 % und 0,25 % GP für 6 Stunden vernetzt. Vor Rheometrietests wurden die Gelproben mit 60 mm Durchmesser und 2 mm Dicke vorsichtig aus der Petrischale entnommen und auf die Bodenplatte des Rheometers übertragen. Die Temperatur der Platte wurde auf 37ºC eingestellt. Die obere Platte wurde auf eine Höhe von 0,9 mm abgesenkt. Es wurden Frequenz- und Dehnungs-Sweep-Tests durchgeführt. Für den Frequenz-Sweep-Test wurden die dynamischen Speicher- und Verlustmodule bei 1% Scherdehnungsamplitude bei Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 10 Hz bewertet. Für den Dehnungs-Sweep-Test wurden die Moduli bei einer Scherdehnung im Bereich von 0 bis etwa 10 % bei 5 Hz bewertet.

2.5. Konstitutive Modellierung

Um die Eigenschaften des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens von Kollagengelen zu erfassen, wurde ein anisotropes hyperelastisches konstitutives Modell verwendet [33]. Die Dehnungsenergiefunktion wurde ursprünglich von Holzapfel et al. [34] zur Beschreibung der passiven mechanischen Reaktion von arteriellem Gewebe, bei der jede Schicht als faserverstärktes Material behandelt wird, wobei die Fasern entsprechend der kollagenen Komponente schraubenförmig um die Arterienwand verteilt sind. Das Modell wurde später verallgemeinert, um die Kollagenfaserdispersion einzubeziehen [33]. Das strukturbasierte konstitutive Modell weist Materialparameter mit physikalischen Bedeutungen auf, die mit der Struktur und den Komponenten des untersuchten Materials in Beziehung gesetzt werden können. Das konstitutive Modell wurde in dieser Studie gewählt, da es in früheren Studien erfolgreich für kollagenes kardiovaskuläres Gewebe und Elastin-degradierte Arterien eingesetzt wurde [35–37]. Die allgemeine Form der Dehnungsenergiefunktion ist

. Die Antwort des Modells wird von zwei Teilen bestimmt, der isotropen und der anisotropen Komponente. Der erste Term in (1) erfasst das isotrope Verhalten des Matrixmaterials.

ist die erste Invariante des Tensors

ist das modifizierte Gegenstück des rechten Cauchy-Green-Tensors [34]. ist ein spannungsähnlicher Materialparameter, der mit dem isotropen Teil der Gesamtreaktion des Gewebes verbunden ist. Die Anisotropie des Gewebes wird durch den zweiten Term in (1) erfasst. Eine Annahme in diesem Modell ist, dass die Kollagenfasern nur bei Dehnung und nicht bei Kompression aktiv sind. Die

steht für die Macauley-Klammer und stellt die Bedingung, dass

. ist ein weiterer spannungsähnlicher Parameter und ist eine dimensionslose Konstante, die sich auf die Kollagenfasern bezieht. die Anzahl der Faserfamilien ist, und κ ist ein Maß für die Streuung der Faserorientierung um eine mittlere Richtung, wie in Fig. 2(a) gezeigt. Die mittlere Richtung der Fasern, γ, ist definiert als der Winkel zwischen der Umfangsrichtung des Gewebes und der mittleren Richtung der Fasern. ist die Orientierungsdichtefunktion und gibt die normierte Anzahl von Fasern innerhalb einer bestimmten Orientierung in Bezug auf die mittlere Richtung an.

sind Quadrate der Strecken in Richtung der α Familie der Fasern. Schließlich ist der Kehrwert des Volumenmoduls und wird auf Null gesetzt, da angenommen wird, dass das Material inkompressibel ist.

ist das elastische Volumenverhältnis. Beachten Sie dies bei inkompressiblem Material. Interessierte Leser werden auf Gasser et al. [33] für detailliertere Erklärungen des Modells.


(ein)
(B)
(ein)
(B)

Aufgrund der symmetrischen Belastungsbedingungen im biaxialen Zugversuch wurde ein Viertel der Kollagenprobe in ABAQUS 6.8-4 modelliert, wobei die Belastungs- und Randbedingungen in Abbildung 2(b) dargestellt sind. Schalenrandbelastung

-Symmetrie-Randbedingungen wurden angewendet, um experimentelle Einstellungen für biaxiale Zugversuche zu simulieren. Im Finite-Elemente-Modell wurden Allzweck-Schalenelemente (S4R) mit inhärenter ebenen Spannungsannahme verwendet. Die Materialparameter wurden angepasst, um die Simulationsergebnisse an experimentelle Spannungs-Dehnungs-Kurven anzupassen.

3. Ergebnisse

Die Farbe von Kollagengelen ändert sich, wenn sie mit Vernetzungsreagenzien vernetzt werden. Thermisch vernetzte Kollagengele bei 37 °C ohne Vernetzungsreagenzien haben eine weißliche Farbe und sind halbtransparent. Diese Gerüste sind extrem zerbrechlich und können nicht mechanisch geprüft werden. Mit GP vernetzte Kollagengele verfärben sich bläulich und werden opak, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die höhere Konzentration von GP erhöht die Intensität des Blaus.

Abbildung 3 zeigt die repräsentativen Stress-Dehnungs-Reaktionen von Kollagengerüsten, die mit unterschiedlichen GP-Konzentrationen vernetzt sind. Die Proben wurden einem äquibiaxialen Zugversuch mit einer maximalen Belastung von 70–100 g unterzogen. Der biaxiale Zugtest zeigte, dass die Steifigkeit des Kollagengels mit höheren GP-Konzentrationen zunimmt. Es wird auch darauf hingewiesen, dass alle Kollagengerüste ein isotropes mechanisches Verhalten aufweisen, wie aus den äquibiaxialen Testergebnissen ersichtlich ist. Um die Steifigkeit von vernetzten Kollagengelen weiter zu vergleichen, wurde der Tangensmodul

wurde für jede Probe durch Differenzierung der Spannungs-Dehnungs-Kurven ermittelt und aus

[38]. Gemittelte Tangentenmoduli wurden dann für Kollagengerüste mit 0,03 %, 0,1 % und 0,25 % GP erhalten. Abbildung 4 zeigt, dass die anfänglichen Tangensmoduli des Kollagengerüsts mit der Konzentration von GP zunehmen. Auch die Tangensmoduli nehmen mit der Dehnung zu. Bei einer Dehnung von weniger als 2% steigen die Tangensmoduli der 0,03% und 0,1% GP vernetzten Kollagengerüste schneller an als die der 0,25% GP vernetzten. Der Tangensmodul des mit 0,25% GP vernetzten Kollagengels blieb jedoch am höchsten. Wenn die Dehnung höher als 2% ist, sind die Tangensmoduli der vernetzten Gerüste mit 0,1% GP ungefähr die gleichen wie bei den vernetzten Gerüsten mit 0,25% GP. Wenn die Dehnung weiter ansteigt, nehmen die Tangentenmoduli für alle Proben ungefähr mit der gleichen Rate zu.


Repräsentative Spannungs-Dehnungs-Reaktionen von Kollagengerüsten, vernetzt mit 0,03 %, 0,1 % und 0,25 % GP, die einem äquibiaxialen Zugtest unterzogen wurden. Die maximale Beladung beträgt 70 g, 100 g bzw. 100 g für 0,03%, 0,1% bzw. 0,25% GP vernetzte Proben.


Rheologische Tests mit einem Parallelplattenrheometer zeigen, dass die Lagerung

und Verlustmoduli von GP-vernetzten Kollagengerüsten nehmen beide mit der GP-Konzentration zu, wie in den Fig. 5(a) und 5(b) gezeigt. Der nimmt mit der Häufigkeit leicht zu, während der mit der Häufigkeit abnimmt, gefolgt von einem leichten Anstieg. Der von Kollagengelen ist etwa 10-mal größer als der, was darauf hindeutet, dass Kollagengel ein überwiegend elastisches Material mit geringer Viskosität ist. Die Variation des Speicher- und Verlustmoduls mit den Scherdehnungsamplituden sind in den Abbildungen 5(c) und 5(d) dargestellt. Mit zunehmender Dehnungsamplitude nehmen die Speichermoduli leicht ab und die Verlustmoduli an. Insgesamt variieren die Speicher- und Schubmodule innerhalb des in dieser Studie verwendeten Scherdehnungsbereichs nicht signifikant.


(ein)
(B)
(C)
(D)
(ein)
(B)
(C)
(D) (a, b) Dynamische Speicher- und Verlustmoduli aus rheologischen Tests mit Frequenz-Sweep (c, d) aus rheologischen Tests mit Dehnungs-Sweep von Kollagengerüsten, die mit 0,03 %, 0,1 % und 0,25 % GP vernetzt sind.

SEM wurde durchgeführt, um die Struktur in den ausgerichteten Kollagengerüsten zu untersuchen. Zum Vergleich wurde auch das nicht ausgerichtete Kollagengel untersucht. Wie in Fig. 6(a) gezeigt, verteilen sich die Fasern in dem nicht ausgerichteten Kollagengel zufällig und es gibt keine bevorzugte Faserverteilung. Andererseits zeigen die Fasern in dem ausgerichteten Kollagengel eine Gesamtfaserausrichtung in einer bestimmten Richtung, wie in Fig. 6(b) gezeigt. Das mechanische Verhalten der ausgerichteten Kollagengerüste wurde mit einem biaxialen Zugprüfgerät getestet und mit den Ergebnissen der nicht ausgerichteten verglichen. Die Proben wurden einem äquibiaxialen Zugtest unterzogen, wobei eine Belastungsachse parallel zur Faserausrichtungsrichtung war, während die andere Belastungsrichtung senkrecht zur Faserausrichtungsrichtung war. Die nicht ausgerichteten Kollagengerüste mit eingebetteten magnetischen Kügelchen wurden ebenfalls getestet, um zu bestätigen, dass das Vorhandensein von Kügelchen die mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten nicht beeinflusst (Ergebnisse jetzt gezeigt). Die Spannungs-Dehnungs-Reaktionen der ausgerichteten Kollagengerüste sind in Abbildung 7 gezeigt. Im Vergleich zu den nicht ausgerichteten Gerüsten zeigen die ausgerichteten ein offensichtlich anisotropes mechanisches Verhalten, das sich darin manifestiert, dass eine Richtung steifer ist als die andere. Erwartungsgemäß sind die Gerüste in Richtung parallel zur Faserausrichtung steifer als in Richtung senkrecht zur Faserausrichtung. Die nicht ausgerichteten Kollagengerüste scheinen isotrop zu sein, wobei die Spannungs-Dehnungs-Kurven zwischen denen der ausgerichteten Gerüste liegen.


(ein)
(B)
(ein)
(B) Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Bilder von (a) nicht ausgerichteten und (b) ausgerichteten 0,03% GP-vernetzten Kollagengerüsten. Alle Skalenbalken repräsentieren 10 μm.


Repräsentative Stress-Dehnungs-Reaktion der ausgerichteten und nicht ausgerichteten Kollagengerüste, vernetzt mit 0,03 % GP. Der äqui-biaxiale Zugtest zeigt ein offensichtliches anisotropes mechanisches Verhalten im ausgerichteten Kollagengerüst.

Abbildung 8 zeigt die Simulationsergebnisse. Zum Vergleich sind auch experimentelle Ergebnisse aufgetragen. Für nicht ausgerichtete Kollagengerüste, γ wurde auf 45° eingestellt und κ wurde auf 0,333 gesetzt, um ein isotropes Material darzustellen. Die , , und Werte wurden dann gewählt, um das Modell an experimentelle Daten anzupassen. Für die ausgerichteten Gerüste wurde das gleiche wie für das entsprechende nicht ausgerichtete Gerüst beibehalten und die entsprechende Auswahl von , , γ, und κ wurden an die experimentellen Daten angepasst. Die Materialparameter für die Modelle sind in Tabelle 1 zusammengefasst.


(ein)
(B)
(C)
(ein)
(B)
(C) Simulationsergebnisse von Cauchy-Spannung gegenüber logarithmischer Dehnung für isotrope und anisotrope Kollagengele, vernetzt mit (a) 0,03 % (b) 0,1 % (c) 0,25 % GP. Isotrope Anpassungen sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Anisotrope Anpassungen werden mit durchgezogenen Linien dargestellt. Experimentelle Ergebnisse sind mit den Symbolen dargestellt.

4. Diskussion

4.1. Wirkung der Vernetzung

Die Farbänderung in mit chemischen Reagenzien vernetzten Kollagengerüsten weist auf Veränderungen der Mikrostruktur während der Vernetzung hin. Bei GP-vernetztem Kollagen wird blaues Pigment durch die Reaktion zwischen Kollagen und GP erzeugt [39]. Es wurde vorgeschlagen, dass die Reaktion zwischen GP und einer Aminosäure im Kollagenmolekül ein Monomer bildet und eine weitere Radikalreaktion eine Dimerisierung verursacht. Die bei diesen Reaktionen gebildeten Polymermischungen sind die Ursache für das blaue Pigment [40]. Frühere Studien legten nahe, dass GP intramolekulare und intermolekulare Vernetzungen innerhalb von Kollagenfasern in biologischem Gewebe bilden kann [7].

Es wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten zu verbessern, einschließlich der physikalischen Vernetzung durch Einwirkung von Strahlungsquellen wie UV-Licht [41, 42] und der chemischen Vernetzung durch chemische Reaktionen mit verschiedenen Vernetzungsreagenzien [6, 43]. Glutaraldehyd wird häufig für kollagenbasierte Biomaterialien verwendet. Es wurde gezeigt, dass die Steifheit des Kollagengels mit höherer GA-Konzentration zunimmt [11]. Dieser Trend endet jedoch, wenn die GA-Konzentration über einem Schwellenwert liegt. Frühere Studien mit dermalem Schafkollagen [6] zeigten, dass das mit 0,08 % und 0,5 % GA behandelte Kollagennetzwerk einen ähnlichen Modul aufwies. Sheuet al. [11] schlugen vor, dass eine vollständige Vernetzung im Kollagengel erreicht wird, wenn die GA-Konzentration 0,12 % beträgt. Nach vollständiger Vernetzung stehen keine Aminogruppen mehr zur Verfügung, um mit den Aldehyden aus GA zu reagieren. Das Fehlen von Aminogruppen im Kollagengel führt zur Selbstpolymerisation von GA, was die mechanischen Eigenschaften des gesamten Kollagengels beeinträchtigen kann [9, 14]. Obwohl die GA-Vernetzung die mechanische Festigkeit des Kollagengels stark verbesserte, war die potenzielle toxische Wirkung ein wesentlicher Nachteil dieses häufig verwendeten chemischen Reagens für biologische Gewebe. Einige Studien haben gezeigt, dass GP das Potenzial hat, als Ersatzvernetzungsreagenz verwendet zu werden [7, 15, 16, 44]. Unter diesen Studien wurde festgestellt, dass GP signifikant weniger zytotoxisch ist als GA [15, 44]. Aus mechanischer Sicht haben frühere Studien gezeigt, dass GP verwendet werden kann, um Kollagengele in relativ kurzer Zeit zu versteifen. Es ist auch anzumerken, dass die mechanischen Eigenschaften von Kollagengel durch Variieren der Konzentration von GP kontrolliert werden können. Sundararaghavanet al. [16] fanden heraus, dass der Vernetzungsgrad und der Speichermodul von GP-vernetztem Kollagengel mit höherer GP-Konzentration zunahmen. Unsere Ergebnisse sowohl aus biaxialen Zugtests (Abbildungen 3 und 4) als auch aus Rheometriemessungen (Abbildung 5) zeigen, dass der Tangensmodul, der Speicher- und Verlustmodul von Kollagengerüsten mit der GP-Konzentration zunehmen. Obwohl Genipin verwendet werden kann, um die Gesamtsteifigkeit von Kollagengerüsten einzustellen, können höhere Konzentrationen von Genipin zu einem signifikanten Zelltod führen [16], was bei Anwendungen von zellbevölkerten Kollagengerüsten berücksichtigt werden muss.

4.2. Auswirkung der Faserausrichtung

Die mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten werden nicht nur durch den Vernetzungsgrad beeinflusst, sondern auch stark mit der Orientierung der Kollagenfasern in den Gerüsten korreliert. In vielen früheren Studien an verschiedenen Geweben wurde eine bevorzugte Faserorientierung entlang der dominanten physiologischen Belastungsrichtung beobachtet [45–47]. Die Orientierung der Kollagenfasern spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der mechanischen Funktionalitäten von nativem und technisch hergestelltem biologischem Material auf Kollagenbasis. In der vorliegenden Studie wurde die Ausrichtung von Kollagenfasern durch den Fluss von Streptavidin-beschichteten magnetischen Kügelchen erreicht, die sich mit Kollagenfibrillen verbinden, die zuvor von Guo und Kaufman [27] vorgeschlagen wurden, auf die interessierte Leser für weitere Details verwiesen werden. Kurz gesagt enthält die Streptavidin-Beschichtung eine Arg-Tyr-Asp (RYD)-Aminosäuresequenz ähnlich der RGD-Rezeptordomäne von Fibronektin, die eine Funktion der Bindung an Kollagenfibrillen hat.Unsere Ergebnisse zeigten, dass die resultierenden Gerüste mit dieser einfachen Technik offensichtlich anisotrope mechanische Eigenschaften aufweisen, wie sich in den Spannungs-Dehnungs-Reaktionen aus dem äquibiaxialen Zugversuch manifestiert (Abbildung 7). Solche vorläufigen Ergebnisse sind nützlich für zukünftige quantitative Untersuchungen der Struktur-Funktions-Beziehung von Kollagengerüsten. Die anisotropen Gerüste sind in der Richtung, in der die Fasern ausgerichtet sind, steifer als in der Richtung senkrecht zur Ausrichtung.

Unsere Ergebnisse zeigten auch, dass die Vernetzung der Gerüste verwendet werden kann, um die Gesamtsteifigkeit der Gerüste abzustimmen, ohne die Existenz der Anisotropie im Kollagengel zu beeinträchtigen. Frühere Studie von Sung et al. [7] fanden heraus, dass die Fixierung der Aortenklappen mit GP und GA die in frischen Klappensegeln beobachtete mechanische Anisotropie nicht veränderte. Sie kamen zu dem Schluss, dass die intramolekularen und intermolekularen Quervernetzungen, die während der Fixierung in die Kollagenfibrillen eingeführt werden, von untergeordneter Bedeutung gegenüber dem Vorhandensein von struktureller und mechanischer Anisotropie in frischen Blättchen sind. Paiket al. [48] ​​untersuchten die Wirkung von Nitrit auf die mechanischen Eigenschaften von einachsig und zweiachsig gespannten Kollagengelen. Sie zeigten quantitativ, dass das Vernetzungsmittel die Faserverteilung in Kollagengelen nicht signifikant veränderte. Ihre Studie deutete auch darauf hin, dass die Versteifung von Kollagenfasern eine weitere Quelle für das anisotrope mechanische Verhalten des einachsig gespannten Kollagengels sein könnte, zusätzlich zur Neuorientierung der Fasern in der Zwangsrichtung. In der vorliegenden Studie spielt die durch Magnetfluss induzierte Reorientierung von Kollagenfasern eine dominante Rolle bei der Kontrolle des anisotropen mechanischen Verhaltens von Kollagengerüsten.

4.3. Vergleich zwischen biaxialer Zugfestigkeit und rheologischer Prüfung

In dieser Studie wurde ein planarer biaxialer Zugversuch verwendet, um die mechanischen Zugeigenschaften von Kollagengerüsten zu charakterisieren. Planarer biaxialer Zugversuch mit unabhängiger Kontrolle der Belastung in beiden senkrechten Belastungsrichtungen wurde allgemein verwendet, um das mechanische Verhalten verschiedener nativer und künstlich hergestellter biologischer Gewebe zu untersuchen [28, 32, 49, 50]. Obwohl die physiologischen Belastungsbedingungen nicht reproduziert werden können, ist ein biaxialer Zugversuch ausreichend, um die anisotropen mechanischen Eigenschaften von biologischen Geweben mit ebenen Spannungsannahmen aufzuklären. In der vorliegenden Studie wurden äquibiaxiale Zugversuche durchgeführt, um die Auswirkungen von Vernetzung und Faserausrichtung auf die mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten zu untersuchen. Zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von polymeren und biologischen Materialien wurden rheologische Tests angewendet [29, 51, 52]. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine höhere GP-Konzentration ein Kollagengel mit höheren dynamischen Speicher- und Verlustmodulen erzeugt, was mit früheren Studien von Sundararaghavan et al. [16]. Obwohl die Ergebnisse von biaxialen Zugversuchen einen ähnlichen Trend zeigen, ist die Tangentensteifigkeit aus dem biaxialen Zugversuch zwei bis drei Größenordnungen höher als die Speichermoduli aus rheologischen Messungen, die für ideale elastische Netzwerke viel größer als 3 : 1 sind. In früheren Studien zu Biomaterialien und Hydrogelsystemen wurde ein höheres Verhältnis von Tangensmodul zu Schermodul beobachtet. Spatz et al. [53] berichteten, dass das Verhältnis von Young-Modul zu Schermodul von kortikalem Knochen in der Größenordnung von 20 : 1 liegt. Sie schlugen vor, dass Materialien mit steifen Füllstoffen, die in eine nachgiebige Matrix eingebettet sind, einen eher niedrigen Schermodul aufweisen könnten. Solche Eigenschaften ermöglichen es hohlen Knochen, sanft auf lokale Stöße zu reagieren, die sonst zum Versagen führen können. Untersuchungen von Richter [54] an Poly(vinylmethylether)-Hydrogelen zeigten, dass das Verhältnis von Kompressions- zu Schermodulen von 4,8 bis 10,9 variierte [54], was zur Inhomogenität der Probe beitrug.

Es ist bekannt, dass Kollagengel ein zweiphasiges System ist, das aus einer fibrillären Netzwerkstruktur besteht, die mit einem großen Überschuss an interstitiellem Fluid gefüllt ist. Zugversuche an Kollagengelen untersuchen das Zugverhalten des fibrillären Netzwerks, und der interstitielle Strömungswiderstand ist bei Dehnungsversuchen vernachlässigbar [55]. Die Ergebnisse unserer biaxialen Zugtests an Kollagengerüsten ergeben eine nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Reaktion mit einem nachgiebigen „Zehen“-Bereich, gefolgt von einem steifen Bereich. Die anfänglich nachgiebige „Zehen“-Region ist auf die Änderung der Netzwerkorientierung in Richtung der Belastungsachse zurückzuführen, während die steife Region dem Widerstand durch die Fibrillenextension entspricht [56]. Bei rheologischen Tests fließen die Flüssigkeiten oder weichen Feststoffe eher, als dass sie sich elastisch verformen [57]. Die obere Platte des Rheometers komprimiert das Kollagengel, schwingt und übt eine dynamische Torsionskraft auf die Probe aus. Während der uneingeschränkten Kompressionsflüssigkeit darf das Entweichen nicht mehr trivial sein. Ein weiterer Grund, der zu dem niedrigen gemessenen Schermodul beitragen kann, besteht darin, dass während des rheologischen Tests aus dem Kollagengel auslaufende Flüssigkeit als Gleitmittel zwischen der Geloberfläche und der Deckplatte wirken kann. Somit kann das Gel tatsächlich einer geringeren Scherung ausgesetzt sein als die von der oberen Platte aufgebrachte. Dieser Schmiereffekt kann die Zunahme der Speicher- und Verlustmoduli im Zusammenhang mit Dehydratation dominieren. Die Ergebnisse unserer Studie legen nahe, dass in rheologischen Tests die Bewegung der interstitiellen Flüssigkeit eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung der mechanischen Gesamteigenschaften eines Kollagengels spielt. Es ist wichtig, die verschiedenen mechanischen Eigenschaften zu verstehen, die ein biphasisches Kollagengel unter bestimmten Belastungsbedingungen aufweisen kann, da solche Erkenntnisse für mechanobiologische Studien erforderlich sind, bei denen die ECM-Mechanik eine entscheidende Rolle spielt.

4.4. Bestimmung von Materialparametern im konstitutiven Modell

Das anisotrope konstitutive Modell in (1) wurde ursprünglich zur Simulation von arteriellem Gewebe vorgeschlagen, in dem Elastin das primäre Mittel zur Unterstützung in Regionen mit geringer Belastung ist und Kollagen dann die Hauptbelastungskomponente bei höheren Belastungen ist [33, 34]. In einer früheren Studie von Holzapfel et al. [58] wurden einzelne Arterienschichten separat mit ihren eigenen Parametersätzen modelliert. Ihre Studie mit dem konstitutiven Modell von Holzapfel et al. [34] gelang es, die Intima- und Adventitialschicht zu modellieren, denen zwei unterschiedliche strukturelle Komponenten als mediale Schicht fehlen. Hinsichtlich der Parameter im Modell in Bezug auf unsere Kollagengele gab es kein Elastin oder anderes ECM-Grundsubstanzmaterial, das die anfängliche Beladung in diesem Experiment unterstützte. Der Parameter ist wahrscheinlich repräsentativer für ein anderes Phänomen, wie das Abwickeln von Kollagenfasern. Parameter γ und κ kann das Ausmaß der Anisotropie in den Spannungs-Dehnungs-Kurven variieren, und κ hat einen größeren Einfluss auf das Ausmaß der Krümmung in der Spannungs-Dehnungs-Kurve [33, 59]. Schließlich ist der signifikanteste Effekt der Zunahme/Abnahme und die Übertragung der Spannungs-Dehnungs-Kurven in niedrigere bzw. höhere Dehnungen. Diese umgekehrte Beziehung im Material ist logisch, da sie die Eigenschaften der Kollagenfasern beschreiben [58].

Bei der Untersuchung der Parameter für die ausgerichteten und nicht ausgerichteten Kollagengele haben wir zunächst versucht, die Parameter aus den nicht ausgerichteten Simulationen zu übernehmen und nur zu ändern γ und κ um eine optimale Passform des ausgerichteten Kollagengels zu schaffen, da γ steuert die Orientierung der Fasern, und κ bestimmt die Faserdispersion (Ausmaß der Faserausrichtung). Montage von γ und κ wurde im Allgemeinen phänomenologisch und nicht auf histologischen Studien durchgeführt [33]. Es ist jedoch interessant darauf hinzuweisen, dass unsere Ergebnisse eine Korrelation zwischen dem Grad der Anisotropie, der durch Spannungs-Dehnungs-Kurven gezeigt wird, und γ. Unter den drei ausgerichteten Kollagengerüsten, die in Abbildung 8 gezeigt sind, haben die Kollagengerüste, die mit 0,03 % GP ausgerichtet sind und die höchste Anisotropie aufweisen, den kleinsten Modellparameter γ entsprechend. Leider war ein guter Sitz des ausgerichteten Kollagengels ohne Modifikation des und auch nicht möglich. Dies scheint darauf hinzuweisen, dass der Ausrichtungsprozess die Materialeigenschaften der Kollagenfasern beeinflusst und nicht nur deren Orientierung/Dispersion.

In den nicht ausgerichteten und ausgerichteten Kollagengerüsten wurden die Werte mit höheren GP-Konzentrationen erhöht, was darauf hindeutet, dass höhere Werte für steifere Gewebe aus einer erhöhten Vernetzung resultieren. Es gab auch einen Anstieg der Werte von und mit der GP-Konzentration. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Methode der Vernetzung die Organisation der Vernetzungen in den Kollagenfasern beeinflussen kann [60]. Es wurde gezeigt, dass Genipin nicht nur eine stärkere Vernetzung von Kollagen bewirkt, sondern auch dazu führt, dass die Fasern miteinander verschmelzen und dickere Strukturen bilden [61]. Zunahme und zeigt an, dass stärkere Fasern in Kollagengelen mit höherer GP-Konzentration vorhanden sind. Takiuchiet al. [62] zeigten, dass Quervernetzungen entlang von Fasern häufiger auftreten können als über Fasern hinweg. Sie zeigten, dass während des Fixierens von Sehnenproben in Formalin die Steifigkeit entlang der Fasern linear mit der Fixierzeit zunahm. Dies ist jedoch in Richtung quer zu den Fasern nicht der Fall. Dies wurde durch einen Unterschied in der Anzahl und Bildungsrate der Vernetzungen in Richtung entlang der Fasern und quer zu den Fasern erklärt.

4.5. Einschränkungen

Wir möchten auf einige Limitationen der aktuellen Studie hinweisen. Die Methode zur Ausrichtung der Kollagenfasern ist ideal für dünne Gele mit einer Dicke von etwa 10

20 μIn diesem Experiment waren jedoch dickere Gele für die biaxiale Prüfung erforderlich. Daher könnte es möglich sein, dass die Ausrichtung der Kollagenfasern in einem so relativ dicken Gel nicht gleichmäßig ist [27], was auch die Notwendigkeit verursacht haben könnte, die Werte der Materialparameter im Modell zu ändern. Die Faserausrichtungsmethode wurde in dieser Studie verwendet, um die experimentelle Durchführung zu vereinfachen. Der Gesamtforschungsansatz kann in Zukunft auf andere Studien mit besser kontrollierbaren Ausrichtungsmethoden angewendet werden. SEM wurde in dieser Studie verwendet, um qualitativ auf die Faserausrichtung zuzugreifen. Aufgrund der höheren Kollagenkonzentration war unsere vorhandene konfokale Mikroskopie nicht in der Lage, quantitative Informationen über die Faserorientierung zu liefern. Eine quantitativere Korrelation zwischen der Struktur und Funktion von Kollagengerüsten durch das konstitutive Modell könnte durch die Anwendung experimenteller Techniken möglich sein. Zum Beispiel Werte für die mittlere Faserorientierung γ und Streuung um die Hauptrichtung κ wurden zuvor für Kollagenfasern in Blasengewebe unter Verwendung von Kleinwinkellichtstreuung bestimmt [63]. Mit Rasterelektronenmikroskopietechniken kann der Faserdurchmesser quantifiziert werden [61]. Fasermechanische Eigenschaften wurden mittels Nanoindentation [64] oder Mikromanipulation/Zugprüfung einzelner Fasern [65] untersucht.

5. Schlussfolgerungen

Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten durch einen kontrollierten Kollagenaufbauprozess wird deren Anwendung in zahlreichen Life-Science-Forschungen erheblich erweitern und ein wesentlicher Schritt in Richtung Biomaterialforschung zur Gewebereparatur und -ersatz sein. In der vorliegenden Studie wurden die mechanischen Eigenschaften von Kollagengerüsten mit den Auswirkungen der Vernetzung und der Faserausrichtung sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Es wurden äquibiaxiale Zugtests durchgeführt, um die elastischen Eigenschaften des Kollagenfibrillennetzwerks innerhalb der Kollagengerüste zu untersuchen. Die Steifheit der Kollagengerüste nimmt mit der GP-Konzentration zu. Das anisotrope Verhalten von Kollagengerüsten korreliert mit dem Vorliegen einer bevorzugten Ausrichtung der Kollagenfasern. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Vernetzung der Gerüste verwendet werden kann, um die Gesamtsteifigkeit der Gerüste abzustimmen, ohne das Vorhandensein von Anisotropie in der Kollagenmatrix zu beeinträchtigen. Die Tangentensteifigkeit aus biaxialen Zugversuchen ist zwei bis drei Größenordnungen höher als die Speichermoduli aus rheologischen Messungen. Dies legt nahe, dass in rheologischen Tests die Bewegung der interstitiellen Flüssigkeit eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung der mechanischen Gesamteigenschaften eines Kollagengels spielt. Daher hat das stark hydratisierte Kollagengel, das ein steifes fibrilläres Netzwerk umfasst, das in eine sehr nachgiebige Matrix eingebettet ist, einen ziemlich niedrigen Schermodul. Die Spannungs-Dehnungs-Reaktionen sowohl von nicht ausgerichteten als auch ausgerichteten Kollagengerüsten wurden mit dem anisotropen hyperelastischen konstitutiven Modell gut erfasst. Ergebnisse aus Simulationen deuten auf mögliche Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Kollagenfasern in den ausgerichteten Kollagengerüsten aufgrund einer bevorzugten Vernetzung entlang der Fasern hin. Das strukturell basierte konstitutive Modell ist für zukünftige Studien vielversprechend, um Materialparameter mit physikalischer Bedeutung mit der Mikrostruktur von Kollagengerüsten in Beziehung zu setzen.

Danksagung

Die Autoren danken Xin Brown für die Unterstützung bei rheologischen Messungen. Sie danken auch der National Science Foundation für die Finanzierung durch Grant CMMI-0954825.

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Copyright © 2011 Bin Xu et al. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter der Creative Commons Attribution License vertrieben wird und die uneingeschränkte Verwendung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium erlaubt, vorausgesetzt, das Originalwerk wird ordnungsgemäß zitiert.


Biochemische Stoffwechselwege, die nach UV-Bestrahlung ausgelöst werden, aktivieren Zelloberflächen-Zytokin- und Wachstumsfaktor-Rezeptoren

Menschliche Hautzellen reagieren auf UV-Strahlung durch die Aktivierung mehrerer Zytokin- und Wachstumsfaktorrezeptoren. Dazu gehören Rezeptoren für epidermale Wachstumsfaktoren (EGF-R), Tumornekrosefaktor (TNF)-α-Rezeptoren, Thrombozytenaktivierungsfaktor (PAF)-Rezeptor, Interleukin (IL)-1-Rezeptor, Insulinrezeptor und Thrombozyten-Wachstumsfaktor. Unter diesen wurde die EGF-R-Aktivierung am meisten untersucht. Es ist ein einkettiges 180 kDa Transmembranprotein. Die extrazelluläre Domäne besitzt eine hohe Bindungsaffinität für EGF und EGF-ähnliche Liganden (transforming growth factor [TGF]-α, Amphiregulin und Heparin-binding-EGF) (Rittié und Fisher 2002). Die intrazelluläre Domäne besitzt eine intrinsische Tyrosinkinaseaktivität. EGF-R, auch als ErbB1 bekannt, durchläuft eine Homo- oder Heterodimerisierung mit entweder ErbB2 oder ErbB3, was zur Transphosphorylierung spezifischer Tyrosinreste führt. Die EGF-R-Tyrosin-Phosphorylierung ist ein gut charakterisierter Marker für die Rezeptoraktivierung und tritt innerhalb von 10 Minuten nach UV-Bestrahlung auf. Bemerkenswert ist, dass UV keine EGF-R-Tyrosinase-Phosphorylierung in Zellen induziert, die mutierten EGF-R exprimieren, dem die Tyrosinkinase-Aktivität fehlt. Die UV-Bestrahlung von EGF-R hängt wie die Ligandenaktivierung von der EGF-R-Tyrosinkinase-katalysierten trans-Phosphorylierung ab. Alternativ wurde vorgeschlagen, dass die UV-induzierte EGF-R-Tyrosin-Phosphorylierung aus der Inaktivierung von Protein-Tyrosin-Phosphatasen (PTPs) resultiert, die dazu dienen, EGF-R in einem dephosphorylierten Grundzustand zu halten. Die Hemmung durch spezifische Tyrosinkinase-Inhibitoren führt zu einer sehr schnellen Dephosphorylierung von EGF-R. Die Behandlung der Zellen mit UV-Bestrahlung verlängerte die Lebensdauer der EGF-R-phosphorylierten Tyrosinasen wesentlich, was auf eine hemmende Wirkung von UV auf PTPs hindeutet. Diese inhibitorische Aktivität durch UV war empfindlich gegenüber N-Acetylcystein, einem Fänger von reaktiven Sauerstoffzwischenprodukten, und konnte durch die Behandlung von Zellen mit H . nachgeahmt werden2Ö2. Es wird postuliert, dass die UV-induzierte Inaktivierung der PTP-Aktivität aus der Oxidation eines kritischen Cysteinrests, der im katalytisch aktiven Zentrum aller PTPs vorhanden ist, zu Sulfensäure resultiert. Diese Oxidation erfolgt, indem der Cysteinrest auf dem PTP reaktiven Sauerstoffspezies ausgesetzt wird, die in den Zellen durch UV-Bestrahlung erzeugt werden (Rittié und Fisher 2002). Diese Inaktivierung von PTPs kann zur Aktivierung anderer Zelloberflächenrezeptoren und Zytokinrezeptoren führen, was wiederum zur Aktivierung kleiner GTP-bindender Proteinfamilien wie Rac, Ras und Cdc42 führt. Dies sind entweder direkte oder indirekte (über andere GTP-bindende Proteine ​​oder ROS) vorgelagerte Regulatoren von Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPKs). Die UV-Bestrahlung verursacht eine erhöhte ROS-Produktion und gleichzeitig einen Anstieg der Ceramid-Spiegel, die auch zur Aktivierung von MAPK-Wegen beitragen können. Ein Haupteffektor der MAPK-Wege ist das Transkriptionsfaktor-Aktivatorprotein-1 (AP-1). AP-1 besteht in der nicht bestrahlten Haut konstitutiv aus c-Fos- und JunD-Proteinen oder den anderen Proteinen der Jun- und Fos-Familie (c-Jun, Junb, FosB, Fra1 und Fra2). Die Aktivierung von MAPKs aktiviert indirekt die Transkriptionsfaktoren für die AP-1-Bildung, dh die Transkription der c-Fos- und c-Jun-Gene. UV-Bestrahlung induziert c-Jun-mRNA und -Protein in menschlicher Haut in vivo innerhalb von 30 min bzw. 1 Stunde, und die Proteinspiegel bleiben für mindestens 24 Stunden nach der UV-Bestrahlung erhöht. Erhöhte Konzentrationen von c-Jun konkurrieren mit JunD um die Bildung von Komplexen mit c-Fos, was zu c-Jun führt: c-Fos AP-1-Komplexe (Rittié und Fisher 2002). Die Transkription mehrerer Mitglieder der MMP-Familie wird durch diesen AP-1-Komplex reguliert, der in den epidermalen und dermalen Zellen gebildet wird. MMPs sind eine große Familie von Zink-benötigenden Endoprotreasen mit einem breiten Spektrum an Spezifitäten, die zusammen alle Proteine ​​der extrazellulären Matrix abbauen können. Anfänglich werden MMPs als Zymogene (Proenzyme) synthetisiert, die proteolytisch abgebaut werden, um aktiv zu sein. Diese werden durch Gewebeinhibitoren von Metalloproteinasen (TIMPs) gehemmt. Mehrere MMPs werden von AP-1 hochreguliert, einschließlich MMP-1 (interstitielle Collagenase oder Collagenase1), das den Abbau von fibrillären Collagenen vom Typ I & III einleitet, MMP-9 (92 kDa Gelatinase oder Gelatinase B) baut die Collagenfragmente (Gelatine) ab ), das von Kollagenasen und MMP-3 (Stromelysin 1) erzeugt wird, baut Kollagen Typ IV der Basalmembran weiter ab und aktiviert proMMP-1. MMP-1-, MMP-3- und MMP-9-Transkripte werden innerhalb von 8 Stunden nach der UV-Bestrahlung induziert. Somit haben MMPs zusammen die Fähigkeit, reifes fibrilläres Kollagen in der Haut innerhalb von 24 Stunden nach UV-Exposition über die Induktion des Transkriptionsfaktors AP-1 vollständig abzubauen. UV-Strahlung verursacht nicht nur einen Kollagenabbau, sondern beeinträchtigt auch die Synthese von neuem Kollagen Typ I und die Organisation von Kollagenfibrillen in der Haut in vivo. Die Herunterregulierung von Typ-I-Kollagen wird durch Herunterregulierung der Transkription von Genen vermittelt, die für Typ-I-Prokollagen kodieren. Typ-I-Prokollagen-mRNA- und -Protein-Expressionsspiegel werden innerhalb von 8 Stunden nach der UV-Bestrahlung der menschlichen Haut in vivo verringert und verschwinden innerhalb von 24 Stunden nach der UV-Bestrahlung in der oberen Dermis im Wesentlichen, was mit der anhaltenden Induktion von c-Jun und damit von AP- übereinstimmt. 1 Aktivierung.

Das TGF-β ist ein wichtiges profibrotisches Zytokin, das mehrere Zellfunktionen reguliert, einschließlich Differenzierung, Proliferation und Induktion der Synthese von Hauptproteinen der extrazellulären Matrix (ECM) – Kollagen und Elastin (Massague 1998). In der menschlichen Haut hemmt TGF-β das Wachstum epidermaler Keratinozyten und stimuliert das Wachstum dermaler Fibroblasten ( Massague 2000 ). TGF-β hemmt die Expression von MMP-1 und MMP-3 durch Bindung an einen bestimmten Zelloberflächenrezeptorkomplex (TGF-β Rezeptorproteine: TβR I/II/III) und verhindert so den Abbau von Kollagenen . Es wurde gezeigt, dass UV-Bestrahlung den TGF-β-Signalweg beeinträchtigt, indem sie die TβRII-Expression und in geringerem Maße das inhibitorische Smad 7 reduziert. Darüber hinaus wird der Bindegewebe-Wachstumsfaktor nach der UV-Bestrahlung herunterreguliert ( Rittié und Fischer 2002).

In diesem Artikel vergleichen wir kritisch die klinische Wirksamkeit und Sicherheit verschiedener Retinoide, die bei der Behandlung und dem Schutz der Hautalterung eingesetzt wurden.


Ergebnisse

Strukturelle Unterschiede der dermalen Kollagenfasern bei verschiedenen Verbrennungen

Wir führten zuerst eine tiefenaufgelöste SHG-Bildgebung für Kontroll-, SDB-, DDB- und DB-Proben durch. Um strukturelle Unterschiede der dermalen Kollagenfasern bei hohem Bildkontrast sichtbar zu machen, wurde die Leistung des auf die Probe einfallenden Laserlichts auf 10 mW für die Kontrolle, 15 mW für SDB, 25 mW für DDB und 40 mW für DB eingestellt. Die resultierende Serie von tiefenaufgelösten SHG-Bildern ist in Fig. 3 gezeigt (abgebildeter Bereich = 600 × 600 μm 2 , Abtasttiefenintervall = 30 μm). Darüber hinaus wurde in Video 1 eine Reihe von genaueren, tiefenaufgelösten SHG-Bildern gezeigt ( abgebildeter Bereich = 600 × 600 μm 2 , Abtasttiefenintervall = 10 μm ). In diesem Experiment haben wir die Hautoberfläche als Tiefe von 0 . definiert µm.Die Lage der Hautoberfläche wurde durch konfokale Mikroskopie bestimmt, die eine Funktion ist, die in dem vorliegenden SHG-Mikroskopiesystem enthalten ist (in 2 nicht gezeigt). Es ist interessant, dass die Tiefen, in denen das SHG-Licht zu erscheinen begann, je nach Brenngrad unterschiedlich sind: 140 µm für Steuerung, 120 µm für SDB, 90 µm für DDB und 40 µm für DB. Dieses Ergebnis zeigte, dass die Dicke der Epidermis aufgrund der durch die Hautverbrennung verursachten thermischen Schrumpfung verringert wurde. Wenn die Sondierungstiefe der SHG-Mikroskopie basierend auf der Hautoberfläche bestimmt wird, war die tatsächliche Sondierungstiefe der Dermis bei der Kontrolle, SDB, DDB und DB unterschiedlich. Daher ist es wichtig, die Tiefenabhängigkeit der dermalen Kollagenfaser für jede Verbrennungsprobe zu untersuchen. In der Kontrollprobe beobachteten wir, dass sich feine Kollagenfasern in der papillären Dermis mit zunehmender Sondierungstiefe in dicke Kollagenfasern in der retikulären Dermis umwandelten [siehe Abb. 3(a)]. Andererseits zeigten tiefenaufgelöste SHG-Bilder der SDB-, DDB- und DB-Proben, dass sich jede Verbrennung gleichmäßig über die gesamte Tiefe der Dermis ausbreitete. In der SDB-Probe wurden die später diskutierten SHG-Verschwindungsmuster der Faserstruktur des dermalen Kollagens überlagert [siehe Fig. 3(b)]. In der DDB-Stichprobe wurden die SHG-Verschwindungsmuster feiner als die in der SDB-Stichprobe [siehe Abb. 3(c)]. Darüber hinaus gingen die Faserstrukturen des dermalen Kollagens fast vollständig verloren und wurden in amorphe Strukturen umgewandelt. In der DB-Probe wurde ein wenig SHG-Licht nur von Aggregaten von degeneriertem Kollagen beobachtet [siehe Fig. 3(d)]. Somit gab es keine Tiefenabhängigkeit des SHG-Verschwindungsmusters für jede Verbrennungsprobe innerhalb des im vorliegenden System verwendeten Sondierungstiefenbereichs.


Wie sind die Kollagenfasern in der Haut in Bezug auf die Hautoberfläche ausgerichtet? - Biologie

Die Funktionen der Vogelhaut sind die gleichen wie bei anderen Wirbeltieren, um Krankheitserreger und andere potenziell schädliche Substanzen fernzuhalten, lebenswichtige Flüssigkeiten und Gase zurückzuhalten und als Sinnesorgan zu dienen. Die ständige Erneuerung der Haut wirkt gegen parasitäre Mikroorganismen. Die Haut von Vögeln produziert und trägt auch Federn. Auch bei Federn spielt die Haut eine wichtige Rolle bei der Thermoregulation. Obwohl das Integument größtenteils von Federn bedeckt ist, ist es am Schnabel, an den Füßen und bei einigen Arten an anderen Stellen ungefedert. Im Gegensatz zu Säugetieren besitzt die Vogelhaut keine Schweißdrüsen und Talgdrüsen. Vogelhaut besteht aus zwei Schichten, der Epidermis und Dermis. Die äußere Schicht, die Epidermis, ist im Allgemeinen sehr dünn und biegsam. Die Dermis ist dicker als die Epidermis und enthält Blutgefäße, Fettablagerungen, Nerven und freie Nervenenden, verschiedene Arten von Neurorezeptoren und glatte Muskeln, die die Federn bewegen (Lucas und Stettenheim 1972).

Die Epidermis, die oberflächlichste Schicht der Haut, ist bei Vögeln dünner als bei Säugetieren vergleichbarer Größe, flexibel und glatt, und dies ist zumindest teilweise auf selektiven Druck zurückzuführen, um das Körpergewicht für einen effizienteren Flug zu minimieren (Spearman 1966 .). ). Die Epidermis ist in Bereichen, die von Federn bedeckt sind (sowohl Federbahnen als auch Apteria Abbildung 1), am dünnsten und in exponierten, federlosen Bereichen am dicksten, einschließlich der Bedeckung des Schnabels (Rhamphotheca) und der Füße (Podotheca). Die Epidermis hat zwei Hauptschichten &ndash ein oberflächliches Stratum corneum und ein tieferes Strateus germinativium (Abbildung 2). Das Stratum corneum besteht aus abgeflachten, keratinisierten Zellen. Diese Zellen werden als keratinisiert bezeichnet, weil sie ein Protein namens Keratin (und insbesondere Beta-Keratin) enthalten, das zusammen mit extrazellulären Lipiden (Fetten), die von epidermalen Zellen produziert werden, eine starke Permeabilitätsbarriere bilden, die einen übermäßigen Wasserverlust durch Verdunstung verhindert. Das Stratum corneum kann als "brick-and-mörser"-Organisation angesehen werden, wobei die mit Keratin angereicherten Zellen die "Bricks" und die extrazellulären Lipide die "lsquomortar" bilden (Elias und Menon 1991). Im Vergleich zu Reptilien und sogar Säugetieren weisen Zellen im Stratum corneum jedoch weniger Keratin auf, wodurch diese Barriere weniger streng ist und die Verdunstungskühlung unter Beibehaltung der Fähigkeit zur fakultativen Imprägnierung ermöglicht (Menon et al. 1996). Die hohen Körpertemperaturen von Vögeln, die erhöhte Wärmeproduktion während des Fluges, die Isolierung durch das Gefieder und das Fehlen von Schweißdrüsen erfordern eine höhere Verdunstungskühlungsrate durch eine relativ "undichte" epidermale Permeabilitätsbarriere. Wichtig ist jedoch, dass die relative Permeabilität der Vogelepidermis modifiziert werden kann. Menon et al. (1996) fanden heraus, dass erwachsene Zebrafinken innerhalb von 16 Stunden nach Wasserentzug den Wasserverlust über die Epidermis durch die schnelle Sekretion von epidermalen Lipiden um 50 % reduzieren können. Eine ähnliche Fähigkeit, den Wasserverlust durch Regulierung der Sekretion epidermaler Lipide zu beeinflussen, wurde bei Lerchen (Haugen et al. 2003), Haussperlingen (Passer Domesticus Muñoz-Garcia und Williams 2008) und die tropische Dusky Ameise (Cercomacra tyrannina Muntildeoz-Garcia und Williams 2007).


Abbildung 1. Gefiederte (Federtrakte) und ungefederte (Apteria) Bereiche der Vogelhaut (Aus: Chuong et al. 2000).


Abbildung 2. Querschnitt durch die Haut eines Vogels oder Säugetiers (Aus: Lillywhite 2006).

Neben der Bildung einer dynamischen Barriere, die den Wasserverlust durch die Haut reguliert, können epidermale Lipide auch antimikrobielle Eigenschaften haben und Schutz vor ultraviolettem Licht bieten (Menon 1984). Darüber hinaus werden epidermale Lipide zur kosmetischen Färbung beim Japanischen Schopf-Ibis (Nipponia Nippon Wingfieldet al. 2000). Vor der Brut beginnt die Haut von Hals und Kopf eine schwarze Substanz abzusondern, die die Ibisse auf ihr weißes Gefieder auftragen (Abbildung 3). Die Ausdehnung des sekretorischen Hautbereichs und der Anteil des Gefieders, der von der &lsquokosmetik&rsquo bedeckt ist, variiert von Person zu Person und diese Variation spielt eine Rolle bei der Partnerwahl. Jungvögel produzieren das schwarze Sekret überhaupt nicht.


Abbildung 3. Gefieder des Japanischen Schopfibis. (a) Typisches, nicht brütendes Gefieder. (b) Tupfendes Verhalten beim Auftragen des Pigments auf das Gefieder an Kopf, Hals und Rücken. (c) &lsquoKosmetisch gefärbter&rsquo ibis. (d) Nach der Häutung nach der Brut (Aus: Wingfield et al. 2000).

Bei vielen Vogelarten weist das Integument spezielle Modifikationen auf. Zum Beispiel ist die Haut am Kopf bei Perlhühnern, Geiern, Colies (Colius) und viele Störche, Ibisse, Löffler und Kraniche. Die Haut um die Augen herum ist bei anderen Vögeln, wie Kariamas, Falken, Scheidenschnäbeln, ohne Federn und auffällig gefärbt (Chionis), Papageien, Kuckucke, Breitschnäbel, bloße Augen (Phlegopsis), Leiervögel (Menüra) und Helmwürger (Prionops) (Stettenheim 2000). Allgemeiner ausgedrückt, können bei Vögeln, die mindestens 19 verschiedenen Ordnungen und 62 Familien angehören, außer dem Schnabel und den Beinen Flecken von nackter Haut gefunden werden (Negro et al. 2006). Farbige unbefiederte Bereiche an Kopf und Hals von Vögeln können wichtig sein für (1) intra- und intersexuelle Kommunikation, z Köpfe beim Füttern in Kadaver (zB Geier und Kondore).

Bei Vögeln mit bunter Haut (Abbildung 4) ist die Färbung entweder auf Pigmente, strukturelle Mechanismen in der Epidermis oder auf Blut (und insbesondere Hämoglogin in den roten Blutkörperchen) im oberflächlichen Kapillarnetz zurückzuführen (Lucas 1970, Prum und Torres 2003).


Abbildung 4. Strukturell gefärbte Ornamente einer Probe der untersuchten piciformen und passeriformen Vögel: (A) Selenidera reinwardtii, (B) Ramphastos vitellinus, (C) Ramphastos toco, (D) Neodrepanis coruscans, (E) Philepitta castanea, (F) Myrmeciza ferruginea, (G) Gymnopithys leucapsis, (H) Procnias alba, (ICH) Perissocephalus tricolor, (J) Dyaphorophyia concreta, (K) Terpsiphon mutata und ich) Leucopsar rothschildi. A,F&ndashJ, reproduziert mit Genehmigung von VIREO B,C,L, reproduziert mit Genehmigung von Kenneth Fink H, reproduziert mit Genehmigung von Nate Rice D, reproduziert mit Genehmigung von Steve Zack K, reproduziert mit Genehmigung von Tom Schulenberg (Aus: Prum and Torres 2003).

Einige Arten mit nackter Haut an Kopf und Hals verändern die Hautfarbe, indem sie die Durchblutung des Bereichs verändern. Zum Beispiel Haut in den federnden Bereichen eines Crested Caracaras (Polyborus plancus) hat der Kopf in gefiederten Bereichen eine viel dichtere Versorgung mit Blutgefäßen als die Haut (Abbildungen 5 und 6). Obwohl sie sich manchmal von Aas ernähren, ist die nackte Haut von Caracaras für die Thermoregulation am wichtigsten. Caracaras sind relativ große Vögel mit im Allgemeinen dunklem Gefieder, die normalerweise in relativ heißen Gebieten zu finden sind. Wenn ihre Körpertemperatur ansteigt, erhöht sich der Blutfluss zu den Bereichen der nackten Haut, da sich die Gefäße erweitern. Diese erhöhte Durchblutung führt dazu, dass die Haut tiefer rot wird, aber vor allem erhöht sie den Wärmeverlust über die nackte Haut. Nackte Haut an Kopf und Hals hat wahrscheinlich für viele Vogelarten eine ähnliche Funktion, da viele dieser Vögel relativ große Vögel mit dunklem Gefieder sind, die in niedrigen Breiten vorkommen, wo die Wärmeableitung von großer Bedeutung sein kann (Negro et al. 2006).


Abbildung 5. Ein Crested Caracara mit unbefiederten (a) und gefiederten (b) Bereichen des Kopfes (Aus: Negro et al. 2006).


Abbildung 6. Mikroskopische Aufnahmen von Querschnitten der Haut eines Crested Caracara, einer Art mit ungefederten Bereichen am Kopf. (A) Bereich ohne Federn (nackte Haut) im Gesicht und (B) mit Federn bedeckter Bereich auf dem Kopf. Beachten Sie die größere Anzahl von Blutgefäßen in der Haut ohne Federn. Maßstabsleisten: 25 µm. e, Epidermis c, Kollagen er, Erythrozyten bv, Blutgefäße. (Aus: Negro et al. 2006).

Bei Vogelarten mit nackter Haut an Kopf und Hals und bei denen die Hautfarbe durch Veränderungen des Blutflusses verändert wird (&lsquoflushing&rsquo), war die Thermoregulation mit ziemlicher Sicherheit der primäre Selektionsfaktor. Bei einigen Arten tritt das Flushing jedoch in Kontexten auf, die nichts mit der Thermoregulation zu tun haben, wie zum Beispiel während der Balz oder agonistischen Begegnungen. Zum Beispiel wird die Haut von Truthähnen röter, wenn sie Weibchen umwerben und wenn sie agonistische Begegnungen mit anderen Männchen haben. Dies legt nahe, dass &lsquoflushing&rsquo bei einigen Arten und in manchen Kontexten auch eine Signalfunktion haben kann. Die Fähigkeit, eine tiefere Rotfärbung zu erzeugen oder eine Rotfärbung über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten, kann mit der individuellen Qualität korreliert sein, wenn dies energetisch aufwendig oder potenziell schädlich für den Körper ist (Negro et al. 2006).

Die farbige Haut vieler Vögel ist auf Pigmente zurückzuführen, Moleküle, die Wellenlängen des sichtbaren Lichts unterschiedlich absorbieren und emittieren. Carotinoide sind die Pigmente, die bei vielen Vögeln für bunte Haut (sowie Federn) verantwortlich sind und normalerweise einen roten, orangen oder gelben Farbton erzeugen. Vögel können Carotinoide nicht synthetisieren und müssen sie daher mit ihrer Nahrung aufnehmen. Infolgedessen kann eine Variation der Carotinoid-basierten Haut- (oder Feder-)Färbung den Artgenossen Aufschluss über die individuelle Qualität und insbesondere die Fähigkeit verschiedener Individuen geben, eine begrenzte Ressource zu erwerben (Negro et al. 2002). Zum Beispiel Rotbeinige Rebhühner (Alectoris rufa) haben Schnabel und Augenringe (nackte Haut, nicht Federn), die aufgrund des Vorhandenseins von Carotinoiden rötlich sind, und Personen mit röteren Schnabel und Augenringen sind in einer besseren körperlichen Verfassung (Pérez-Rodríguez und Vintildeuela 2008). Ebenso die gelb-orange Haut an Beinen, Füßen und Ceres (Haut an der Basis des Oberschnabels) der europäischen Turmfalken (Falco Tinnunculus) ist auf Carotinoide zurückzuführen und Studien haben gezeigt, dass männliche Turmfalken mit hellerer Haut bessere Jäger sind und bessere Reviere haben (Casagrande et al. 2006).

Bei vielen Vögeln ist die Hautfärbung das Ergebnis optischer Wechselwirkungen mit biologischen Nanostrukturen, also der mikroskopischen Struktur der Haut (Abbildung 7). Solche Strukturfarben kommen in Haut, Schnabel (Rampotheca), Beinen und Füßen (Podotheca) bei etwa 129 Vogelgattungen in 50 Familien aus 16 Vogelordnungen vor. Strukturell gefärbte Haut kommt bei mehr als 250 Vogelarten oder etwa 2,5% aller Vogelarten vor (Prum und Torres 2003). Die Untersuchung der Farbe, Anatomie und Nanostruktur von strukturell gefärbter Haut, Ramphotheca und Podotheca von mehreren verschiedenen Vogelarten zeigt, dass Farben, einschließlich ultravioletter, dunkelblauer, hellblauer, grüner und gelber Farbtöne, durch kohärente Streuung (d. h. konstruktive Interferenz) von Licht von Reihen paralleler Kollagenfasern in der Haut (Dermis) (Abbildungen 8 und 9). Streuung bedeutet in diesem Fall einfach, dass Licht von einem geraden Weg abweicht.

Sichtbares Licht besteht natürlich aus vielen Lichtfarben mit unterschiedlichen Wellenlängen. Rotes Licht hat eine lange Wellenlänge (

700 nm), wohingegen violettes und blaues Licht eine viel kürzere Wellenlänge hat (

400 nm). Trifft sichtbares Licht auf Partikel mit dem gleichen oder einem größeren Durchmesser als seine Komponentenwellenlängen, werden diese spezifischen Lichtphotonen reflektiert. Zum Beispiel reflektieren Partikel mit einer Größe von 400 nm oder etwas größer selektiv Blaulichtphotonen, während andere Lichtphotonen durchgelassen werden. In der Vogelhaut wird das Licht von Kollagenfasern (lange, fadenförmige Eiweißmoleküle) reflektiert, die viel höher organisiert sind als in normaler Haut. Bei Hautstellen mit einer bestimmten Farbe (z. B. blau oder grün) sind alle Kollagenfasern gleich dick (Abbildung 8). Infolgedessen streut jede Faser Lichtwellenlängen, die in Phase sind (Abbildung 10) und daher verstärkt werden, wodurch sehr helle Farben erzeugt werden, die noch gesättigter sind als typische Farben auf Pigmentbasis. Neben der Reflexion von Licht bestimmter Wellenlängen erfordert die Hautstrukturfärbung auch ein Mittel, um die Reflexion oder Streuung von weißem Licht durch tiefere Gewebe unterhalb der farbgebenden Nanostrukturen zu verhindern. In der Vogelhaut besteht diese lichtabsorbierende Schicht aus einer dicken Schicht von Melaninkörnchen (Melanosomen Abbildung 7).


Abbildung 7. Lichtmikroskopische Aufnahmen von strukturell gefärbter, weißer und pigmentierter Vogelhaut, die Unterschiede zwischen strukturell gefärbter und nicht strukturell gefärbter Haut in der Dicke der Kollagenschichten zeigen: (A) Chaemapetes einfarbig, dunkelblau (B) Numida meleagris, dunkelblau (C) Tragopan temminckii, hellblau (D) Opisthocomus hoazin, dunkelblau (E) Ramphastos vitellinus, dunkelblau (F) Selenidera reinwardtii, grün (G) Procnias nudicollis, weiße Beinhaut (H) Procnias nudicollis, strukturell grüne Kehlhaut und (I) Tragopan temminckii, rot, seitliche Lappenflecken. Alle Proben wurden mit Massons Trichrom gefärbt, das Kollagen blau und Zellen rot färbt. Alle Maßstabsbalken stellen 100 µm dar, außer in C, das 50 µm darstellt. Abkürzungen: c, Kollagenmakrofibrillen cc, Kollagenozyten cp, Kapillaren e, Epidermis m, Melanosomen (Aus: Prum und Torres 2003).


Abbildung 8. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen, die die sehr regelmäßigen nanostrukturierten Anordnungen von dermalen Kollagenfasern zeigen aus: (A) Oxyura jamaicensis, hellblau (B) Numida meleagris, dunkelblau (C) Tragopan-Satyra, dunkelblau (D) Tragopan Caboti, dunkelblau (E) Tragopan Caboti, hellblau (F) Tragopan Caboti, orange (G) Syrigma sibilatrix, blau (H) Ramphastos toco, dunkelblau (I) Philepitta castanea, hellblau (J) Gymnopithys leucapsis, hellblau (K) Procnias nudicollis, grün und (L) Terpsiphon mutata, Dunkelblau. Alle Bilder wurden mit 30000 x aufgenommen. Alle Maßstabsbalken repräsentieren 200 nm (Aus: Prum und Torres 2003).


Abbildung 9. Kohärente Streuung ist differenzielle Interferenz oder Verstärkung von Wellenlängen, die von mehreren lichtstreuenden Objekten (x, y) gestreut werden. Die kohärente Streuung bestimmter Wellenlängen wird durch die Phasenbeziehungen zwischen den gestreuten Wellen bestimmt. Gestreute Wellenlängen, die phasenverschoben sind, heben sich gegenseitig auf, aber gestreute Wellenlängen, die in Phase sind, werden konstruktiv verstärkt und kohärent gestreut. Phasenbeziehungen der Wellenlängen, die von zwei verschiedenen Objekten (x und y) gestreut werden, werden durch die Unterschiede in den Weglängen des von dem ersten Objekt (x: 1&ndash1') und einem zweiten Objekt (y: 2&ndash2') gestreuten Lichts, gemessen von Ebenen, gegeben senkrecht zu den einfallenden (a) und reflektierten (b) Wellen im mittleren Brechungsindex der Medien (Aus: Prum und Torres 2003).

Abbildung 10. Links, Bei konstruktiver Interferenz (kohärente Streuung) sind zwei Lichtwellen (unten) in Phase, sodass die kombinierte Wellenform (oben) verstärkt wird. Rechts, Bei der destruktiven Interferenz sind zwei Lichtwellen (unten) phasenverschoben, sodass sie sich aufheben (oben). (Aus: Wikipedia).

Bei einigen Vogelgruppen (z. B. Phasianidae, Eurylaimidae, Cotingidae, Paradisaeidae und Cnemophilidae) ist wahrscheinlich die sexuelle Selektion für die strukturell gefärbte Haut der Männchen verantwortlich, da die meisten Arten polygyn sind. Bei anderen Vogelgruppen, darunter Ardeidae, Cariamidae, Bucerotidae, Ramphastidae, Meliphagidae und Monarchidae, haben beide Geschlechter hauteigene Strukturfarben, was darauf hindeutet, dass eine solche Färbung sowohl für die inter- als auch für die intrasexuelle Kommunikation wichtig sein kann (Prum und Torres 2003). Viele Vögel mit strukturell gefärbter Haut kommen in Regenwäldern vor. Zum Beispiel kommen fast alle Arten mit strukturell gefärbter Haut in den Ordnungen Casuariiformes, Galliformes, Opisthocomiformes, Cuculiformes, Trogoniformes, Coraciiformes, Piciformes und Passeriformes in tropischen Wäldern vor. Die Qualität des Umgebungslichts in tropischen Waldlebensräumen kann die Entwicklung von Kommunikationssignalen im kürzerwelligen Teil des sichtbaren Spektrums (blau und grün) begünstigen, und wenn ja, könnte die Auswahl Strukturfarben begünstigen, da Wirbeltiere, einschließlich Vögel, keine Pigmente haben, die erzeugen solche Farben (Prum und Torres 2003).


Surucua-Trogon (Trogon surrucura)

Krallen befinden sich am distalen Ende aller Zehen aller Vögel und bedecken die Knochen der Endphalangen. Einige Vögel haben auch Flügelkrallen. Der dorsale Teil der Krallen ist stark verhornt und verkalkt und sehr hart. Klauen sind unterschiedlich stark gekrümmt, da der dorsale Teil schneller wächst als der ventrale Teil. Neben der Krümmung variieren die Klauen auch in ihrer relativen Länge und Spitzigkeit (Stettenheim 2000). Bei Tauch- und Schwimmvögeln mit Schwimmhäuten oder teilweise Schwimmfüßen, wie Tölpeln, Wasservögeln und Möwen, neigen die Krallen dazu, klein, weniger gekrümmt und flacher zu sein. Im Extremfall haben Haubentaucher sehr flache Klauen, die die Fußoberfläche vergrößern und den Unterwasserantrieb unterstützen. Im Gegensatz dazu haben Vögel, die auf senkrechten oder fast senkrechten Oberflächen klettern, wie Spechte und Kleiber, scharf nach hinten gebogene und spitze Krallen, um das Substrat (z. B. Baumrinde) zu greifen.Glen und Bennett (2007) untersuchten die Klauenmorphologie und teilten Landvögel in sechs Kategorien ein, wobei bodenbewohnende Vögel längere, weniger gekrümmte Klauen haben und die Krümmung bei Vögeln zunimmt, die in ihren Nahrungsgewohnheiten zunehmend baumbewohnend sind (Abbildung 11). Unter den Greifvögeln, die ihre Füße verwenden, um Beute zu fangen und zu töten, sind Krallen (auch Krallen genannt) relativ lang, stark gebogen und spitz.


Abbildung 11. Kategorien (GB, Gg, Ga, Ag, Aa und V) von Vogelzehenkrallen basierend auf dem Grad der Boden- oder Baumsuche GB = &lsquobodengebundene&rsquo Vögel, beschränkt auf Nahrungssuche am Boden Gg = &lsquodedizierte Bodensammler&rsquo Ga = &lsquovorwiegend Bodensammler&rsquo Ag = &lsquoüberwiegend baumbewohnende Sammler&rsquo Aa = &lsquodedizierte baumbewohnende Sammler&rsquo V = &lsquovertikale Oberflächensammler&rsquo Die Analyse der Zehenkrallen von 249 Vogelarten ergab, dass die Klauenkrümmung zunimmt, wenn die Baumsuche vorherrscht (Glen und Bennett 2007).

Mehrere Vogelarten, die 17 Vogelfamilien in acht Ordnungen Nachtschwalben repräsentieren, darunter Reiher, Fregattvögel und Pratincoles, haben pektinöse Mittelkrallen mit kammartigen Kanten, die zum Pflegen und Putzen der Federn verwendet werden (Abbildung 12 Stettenheim 2000, Moyer und Clayton 2003 ). Zum Beispiel Feuerhals-Nachtschwalben (Caprimulgus pectoralis) verwenden ihre pektinierte Klaue, um ihre ziemlich langen riktalen Borsten zu pflegen (Jackson 2007), und allgemein nachtsuchende Nachtschwalben können ihre pektinierten Klaue verwenden, um Spinnennetze von ihrem Gefieder zu reinigen (Masterson 1979).


Abbildung 12. Eine pektinate Klaue.

Flügelkrallen können an der Spitze der Alularziffer bei mehreren Vogelgruppen gefunden werden, darunter Seetaucher, Störche, Eulen und einige Küstenvögel, aber sie sind sehr klein und nicht funktionsfähig. Junge Hoatzins (Opisthocomus hoazin) haben jedoch zwei gut entwickelte Krallen an jedem Flügel und verwenden sie zum Klettern an Sträuchern und Bäumen. Diese Krallen haben eine wichtige Funktion für Hoatzins, eine neotropische Art, da sie normalerweise über Wasser nisten und Nestlinge manchmal aus Nestern springen, wenn sie von einem Raubtier bedroht werden. Im Wasser schwimmen sie zu nahegelegenen Sträuchern und Bäumen und klettern mit ihren Flügelkrallen und Füßen nach oben. Junge Hoatzins verlieren ihre Flügelkrallen im Alter von 70-100 Tagen (Thomas 1996).

Rhamphotheca

Vogelschnabel bestehen aus Knochen, die die Kerne des Ober- und Unterkiefers bilden. Die äußere Oberfläche und ein Teil der inneren Oberfläche dieser Knochen sind jedoch mit einer modifizierten Haut bedeckt, die als Rhamphotheca bezeichnet wird (Abbildung 13). Die Epidermis der Rhamphotheca ist relativ dick, hart und besteht aus stark verhornten Zellen (Lucas und Stetteheim 1972). Diese Zellen produzieren Beta-Keratin, wie es in Vogelschuppen und -Klauen vorkommt, und Kalzium, das sich zwischen den Keratinproteinen ablagert, macht die Rhamphotheca im Allgemeinen hart und stark (Homberger und Brush 1986, Bonser 1996). Die Epidermis ist durch eine dünne Hautschicht, die zahlreiche Kollagenfasern enthält, fest mit dem Knochen verbunden. Die Dermis enthält auch sensorische Rezeptoren, einschließlich Herbst- und Grandry-Körperchen, die berührungs- und vibrationsempfindlich sind (siehe "Sinnesorgane" auf der Seite "Nervensystem: Gehirn und Sinne"). Die Haut des Schnabels wächst kontinuierlich von der Basis und dem Halm, wobei das Wachstum nach rostral gerichtet ist, so dass der Hornschnabel kontinuierlich von der Basis bis zur Spitze bewegt wird. Die Rhamphotheca, besonders an der Tomia, wird durch Abrieb von Nahrung und anderen Materialien und durch Reibung am Zusammentreffen von Ober- und Unterschnabel abgenutzt.


Abbildung 13. Ein Sagittalschnitt nahe der Mittellinie des Oberschnabels eines 2 Wochen alten Haushuhns. Die Rechnungsspitze befindet sich auf der rechten Seite. Die dorsale Region zeigt den oberen glatten Teil des Schnabels, der von der Rhamphotheca (Rh) bedeckt ist, während die ventrale Region das Tomium oder die Schneide des oberen Schnabels zeigt. Unterhalb der Rhamphotheca befindet sich die Epidermis (Ep), die eine konstante Versorgung mit Zellmaterial zur Bildung der äußeren, gehärteten Hülle des Schnabels bereitstellt. Innerhalb der Epidermis befindet sich die Dermis (Dr)-Schicht, die die heterogenste aller Gewebeschichten ist. Es erstreckt sich von der Epidermis bis zu den Knochenschichten (Bn). Prominente Strukturen, die in dieser Region gefunden werden, umfassen Mechanorezeptoren (Herbst-[Hb-Cp]- und Grandry-[G-Cp]-Körperchen), Blutgefäße (BV), Perineuralscheiden und freie Nervenenden oder Nozizeptoren (Schmerz) Skalenbalken, 400 µm. N = Nerv Pr Sh = Perineuralscheiden (Aus: Kuenzel 2007).

Die Ränder der Rhamphotheca (Tomia) sind bei den meisten Vogelarten relativ scharf. Die Kanten sind jedoch fein gezahnt, um kleine Nahrungspartikel bei filtrierenden Vögeln wie Flamingos und einigen Wasservögeln abzusieben. Arten in einer Reihe von Vogelfamilien, darunter Ardeidae, Cuculidae, Coraciidae, Picidae und einige andere, haben Scopate tomia mit sehr kleinen (normalerweise nur 0,3-0,7 mm hoch und ohne Vergrößerung schwer zu sehenden) bürstenartigen Grate, die wahrscheinlich Reibung erzeugen und helfen Vögeln beim Fangen und Halten von Nahrungsmitteln (Abbildung 14 Gosner 1993). Winzige Zacken entlang der Tomia von einem (nur Oberschnabel) oder beiden Tomia einiger Kolibris helfen wahrscheinlich beim Fangen und Halten von Insektenbeute und bei einigen Arten von Nektarräubern beim Durchstechen der Blütenbasis, um Zugang zu Nektar zu erhalten (Ornelas 1994 Abbildung .) fünfzehn). Die Tomia der fischfressenden Prototypen hat zahlreiche spitze Vorsprünge, die beim Fangen und Halten ihrer Hauptbeute helfen. Falken und Würger haben auf jeder Seite ihres Oberschnabels einzelne, scharfe Vorsprünge der Tomia. Mehrere Autoren haben vorgeschlagen, dass Falken diese &lsquotomialen Zähne&rsquo verwenden, um ihren Beutetieren das Genick zu brechen, aber es gibt wenig oder keine Beweise, die diese Hypothese stützen. Vielmehr werden „Isquotomialzähne&rsquo wahrscheinlich verwendet, um Beutetiere fest zu greifen und das Fleisch zu ziehen (Csermely et al. 2002).


Abbildung 14. Oben, Scopate tomia des fischfressenden Ringed Kingfisher (Ceryle torquata). Unten, scopate tomia des insektenfressenden Laughing Kookaburra (Dacelo novaguineae). Tomia vergrößerte 10X (aus: Gosner 1993).


Abbildung 15. Oberkiefer von vier Kolibrisarten mit einem typischen, glatten Tomium (A, Violet Sabrewing, Campylopterus hemileucurus) plus die gezackte Tomia der Sparkling Violetear (Colibri Coruscaner, B), Gekrönte Waldnymphe (Thalurania ridgwayi, C) und Grünbrust-Mango (Anthracothorax prevostii, D) (Aus: Ornelas 1994).

Bei einigen Vögeln, darunter Greifvögel (Falconiformes), Eulen (Strigiformes), Papageien, Krebse und Tauben, wird die Rhamphotheca an der Basis des Oberschnabels als Cere bezeichnet (Abbildung 16 Stettenheim 1972). Das Cere ist ein verdickter, oft hell gefärbter Teil der Haut, der die Basis der Nasenregion überspannt. (Lukas 1979). Lucas und Stettenheim (1972) schlugen vor, dass das Cere die darunter liegende verlängerte Nasengrube (Kavitäten) schützen kann. Da Ceres jedoch oft leuchtend gefärbt sind, kann eine individuelle Variation der Cere-Farbe auch Informationen über die individuelle Qualität vermitteln. Zum Beispiel die Cere der männlichen Montagu&rsquos Harriers (Zirkus Pygargus) reflektiert Licht bei Wellenlängen, die Gelb-Orange (500-600 nm) entsprechen, reflektiert aber auch ultraviolette (UV 300-400 nm) Wellenlängen (Abbildung 17). Unterschiede im UV-Peak bei Männern wurden mit Unterschieden in Körpermasse und Kondition in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass die UV-Reflexion Informationen über die individuelle Qualität vermittelt (Mougeot und Arroyo 2006).


Abbildung 16. Der Cere (C) einer Rock Pigeon befindet sich an der Basis des oberen Schnabels. Der Pfeil zeigt auf die äußeren Nasenlöcher (O), Operculum (eine kleine Knorpelscheibe im Nasenloch, die Fremdkörper von der Nasenhöhle fernhält) (Aus: Purton 1988).

Abbildung 17. Ein männlicher Montagu's Harrier (a) zeigt den Cere (Hautbereich über dem Schnabel und zwischen den Augen) (b) Reflexionsmuster eines typischen männlichen Cere mit Peaks in den gelb-orangen Wellenlängen (500-600 nm) und in das Ultraviolett (300 &ndash 400 nm) (Aus: Mougeot und Arroyo 2006).

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Eine ausgerichtete poröse elektrogesponnene Fasermembran mit kontrollierter Wirkstoffabgabe – Eine effiziente Strategie zur Beschleunigung der diabetischen Wundheilung mit verbesserter Angiogenese

Eine chronische Wunde bei Diabetikern ist in der Regel durch eine schlechte Angiogenese und einen verzögerten Wundverschluss gekennzeichnet. Die Erforschung einer effizienten Strategie, um die Angiogenese im diabetischen Wundbett signifikant zu verbessern und dadurch die Wundheilung zu beschleunigen, ist nach wie vor eine große Herausforderung. Hier berichteten wir über eine Art von ausgerichteten porösen Poly(l-Milchsäure) (PLA) elektrogesponnenen Fasermembranen, die mit Dimethyloxalylglycin (DMOG) beladene mesoporöse Siliziumdioxid-Nanopartikel (DS) für die diabetische Wundheilung enthalten. Die elektrogesponnenen PlLA-Fasern waren in einer einzigen Richtung ausgerichtet und es wurden ellipsenförmige Nanoporen in situ auf der Oberfläche der Fasern erzeugt, während die DS gut in den Fasern verteilt waren und das DMOG sowie das Si-Ion kontrolliert aus dem . freigesetzt werden konnten Nanoporen auf den Fasern. Die in vitro-Ergebnisse zeigten, dass die ausgerichteten porösen Kompositmembranen (DS-PL) im Vergleich zu den reinen PlLA-Membranen die Proliferation, Migration und Angiogenese-bezogene Genexpression von humanen Nabelvenen-Endothelzellen (HUVECs) stimulieren könnten. Die In-vivo-Studie zeigte weiterhin, dass die präparierten DS-PL-Membranen die Neovaskularisierung, Reepithelisierung und Kollagenbildung signifikant verbesserten sowie Entzündungsreaktionen im diabetischen Wundbett hemmten, was schließlich die Heilung der diabetischen Wunde stimulierte. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass die Kombination hierarchischer Strukturen (Nanoporen auf den ausgerichteten Fasern) mit den kontrollierbar freigesetzten DMOG-Wirkstoffen sowie Si-Ionen aus den Membranen einen synergetischen Effekt auf die schnelle Stimulation der Angiogenese im diabetischen Wundbett erzeugen könnte , ist eine potenzielle neue therapeutische Strategie für eine hocheffiziente diabetische Wundheilung.

Aussage zur Bedeutung: Eine chronische Wunde bei Diabetikern ist meist durch die schlechte Angiogenese und den verzögerten Wundverschluss gekennzeichnet. Die Hauptinnovation dieser Studie ist die Entwicklung einer neuen Art von Hautgewebe-Engineering-Gerüst, ausgerichteten porösen Poly(l-Milchsäure) (PlLA) elektrogesponnenen Membranen, die Dimethyloxalylglycin (DMOG)-beladene mesoporöse Siliziumdioxid-Nanopartikel (DS) enthalten, die eine signifikante Verbesserung bewirken könnten Angiogenese im diabetischen Wundbett und beschleunigen dadurch die diabetische Wundheilung. Die Ergebnisse zeigten, dass die elektrogesponnenen Fasern mit ellipsenförmigen Nanoporen auf der Oberfläche in eine Richtung ausgerichtet waren, während DS-Partikel in den Fasern verteilt waren und das DMOG sowie Si-Ionen kontrolliert aus den Nanoporen auf der Oberfläche freigesetzt werden konnten Fasern. Die In-vitro-Studien zeigten, dass die hierarchischen Nanostrukturen (Nanoporen auf den ausgerichteten Fasern) und die kontrollierbar freigesetzten chemischen Wirkstoffe (DMOG-Medikamente und Si-Ionen) aus den DS-PL-Membranen einen synergistischen Effekt auf die Induktion der Endothelzellproliferation, -migration und Unterscheidung. Vor allem induzierten die Scaffolds deutlich die Angiogenese, Kollagenablagerung und Reepithelisierung sowie hemmte Entzündungsreaktionen an den Wundstellen, was schließlich die Heilung diabetischer Wunden in vivo stimulierte. Die Bedeutung der aktuellen Studie besteht darin, dass die Kombination der hierarchisch ausgerichteten porösen Nanofaserstruktur mit DMOG-beladenen MSNs, die in elektrogesponnene Fasern eingebaut sind, eine hocheffiziente Strategie für die chronische Wundheilung nahelegen kann.

Schlüsselwörter: Ausgerichtete poröse Struktur Angiogenese Kontrollierte Medikamentenabgabe Diabetische Wundheilung Elektrogesponnene Membranen.

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Der Verschluss einer Wunde voller Dicke durch Wundkontraktion ist ein langsamer Prozess und wird nicht häufig verwendet. Die Hauttransplantation ist schnell und effektiv, um einen Defekt zu schließen. Bei der Transplantation, einem chirurgischen Eingriff, entsteht jedoch eine neue Wunde, die Beschwerden verursacht und kosmetische Probleme aufwirft. Neue Therapien, die zu einer schnelleren Wundkontraktion führen, sollen den Transplantationsbedarf reduzieren. Die Entwicklung einer effizienteren Wundkontraktion, möglicherweise durch Erhöhung der Kollagenorganisationsrate, die die Kontraktionsrate beschleunigen und sowohl einen chirurgischen Eingriff als auch einen sekundären Defekt und eine Narbe beseitigen würde, wäre zu begrüßen.


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Bemerkungen:

  1. Duzuru

    Urlaubsgrüße! Ich wünsche dem Administrator und allen Besuchern Gesundheit. Es wird Gesundheit geben, es wird alles andere geben!

  2. Aristaeus

    Gespannt sein auf.

  3. Graeghamm

    Es gibt die Website für das Thema, an dem Sie interessiert sind.

  4. Yonris

    Danke für deine Hilfe in dieser Angelegenheit, jetzt weiß ich es.

  5. Gormain

    DANKE, SEHR NETT !!!!!!!!!!!!!!!!!!



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