جهاز اختبار الاحتكاك - المفاعل الحيوي لدراسة الميكانيكا الحيوية للمفصل الزليلي ، وعلم الأحياء الميكانيكي ، والتنظيم الفيزيائي
يونيو 2, 2022
يصف هذا البروتوكول جهاز اختبار الاحتكاك الذي يطبق الانزلاق المتبادل المتزامن والحمل العادي على وجهين بيولوجيين متلامسين.
تقليديا ، استخدمنا المختبر لدراسة الأنسجة غير الحية لحساب معاملات الاحتكاك ولكننا نعمل على توسيع قدرات المختبر بشكل كبير لاختبار الأنسجة الحية وتقييم التفاعلات البيولوجية. يوفر جهاز اختبار الاحتكاك حركة ترجمة متبادلة وحمل ضاغط لملامسة أسطح الأنسجة الحية. الجهاز معياري ، مما يسمح باختبار مختلف الوجوه البيولوجية المضادة.
يمكن أن توفر هذه الطريقة نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير قوى الاحتكاك على الاستجابات الميكانيكية والميكانيكية البيولوجية للغضروف الحي والغشاء الزليلي ، مما قد يؤدي إلى استراتيجيات جديدة للحفاظ على صحة المفاصل. ابدأ بحصاد الزعنفة البقرية اليافعة. باستخدام شفرة مشرط ، تتبع الخطوط العريضة لمنطقة الغشاء الزليلي ذات الاهتمام.
باستخدام الملقط ، أمسك أحد طرفي الغشاء الزليلي وارفعه بلطف لتمديد الغشاء الزليلي البعيد إلى العظم الأساسي. استخدم شفرة مشرط لإزالة الغشاء الزليلي من العظم ووضع الأنسجة في وسائط الثقافة المناسبة أو محلول حمام الاختبار. ثم حصاد الغضروف البقري الأحداث عن طريق تأمين الساق في حامل قابل للتعديل.
قم بإزالة الغضروف المفصلي بعناية مع تجنب ملامسة سطح الغضروف. على الحواف الخارجية لهضبة الظنبوب، استخدم قاطع صندوقي لقطع الغضروف عموديا على الغضروف باتجاه العظم. قطع تماما من خلال الغضروف لجعل حواف مستقيمة أو الجانبين.
إزالة الأنسجة الزائدة. على الحواف الخارجية ، استخدم قاطع الصندوق لإجراء قطع نظيف في الواجهة بين العظم والغضروف. لإزالة الشريط الظنبوبي من سطح الهضبة، أدخل بلطف مفك براغي مسطح الرأس أسفل القطع وقم بتدويره بلطف لتخفيف الغضروف المفصلي من العظم تحت الغضروف.
عندما ترتخي العينة، ادفع مفك البراغي ببطء إلى الأمام حتى ينفصل شريط الغضروف عن العظم. تأكد من دفع مفك البراغي نحو العظم ، وليس الغضروف. باستخدام قاطع صندوقي ، قم بقطع سطح هضبة الظنبوب لإنتاج عينات مستطيلة بالحجم والسمك المطلوبين.
ضع الأنسجة في وسائط الثقافة المناسبة أو محلول الاستحمام الاختباري. إذا تم استخدام الشريط الظنبوبي كوجه سفلي ، فقم بإزالة القاعدة المغناطيسية القابلة للفصل ولصق طبق بتري قطره 60 ملم على السطح العلوي للقاعدة القابلة للفصل. مع لصق طبق بتري في مكانه ، قم بتوصيل القاعدة المنفصلة بالقاعدة الثابتة ووضع علامة على طبق بتري للإشارة إلى اتجاه الانزلاق.
ضع كمية صغيرة من سيانواكريليت على وسط الطبق. محاذاة شريط الظنبوب مع الاتجاه المنزلق للمرحلة. اضغط برفق على شريط الغضروف على الطبق.
استعادة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة إلى قاعدتها الثابتة المقترنة في اختبار الاحتكاك. املأ طبق بتري بمحلول حمام الاختبار المطلوب. إذا تم استخدام الغشاء الزليلي كواجهة مضادة علوية ، فقم بإزالة السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم من اختبار الاحتكاك.
ضع الغشاء الزليلي فوق السطح الزجاجي الدائري. لتأمين الغشاء الزليلي ، انشر حلقة O على محيطها. باستخدام الملقط ، اسحب الغشاء الزليلي برفق لتمديد الأنسجة المشدودة والمسطحة أسفل الحلقة O.
تقليم الأنسجة الزائدة بالمقص الجراحي. قم باستعادة السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم إلى جهاز اختبار الاحتكاك. اضبط الارتفاع الرأسي لسطح التحميل بحيث يحوم الغشاء الزليلي فوق الوجه السفلي ويتم غمره في حمام الاختبار.
أدخل العينات المثبتة في جهاز اختبار الاحتكاك. افتح إنشاء البيانات التناظرية MF DAQ. تهيئة تحميل PID وتشغيل Windows المتصل الديناميكي في البرنامج.
قم بتشغيل إنشاء البيانات التناظرية MF DAQ وتهيئة نافذة تحميل PID عن طريق الضغط على الزر تشغيل. انتقل إلى علامة التبويب السائر في نافذة مشغل المتصل الديناميكي. حدد تسارع مرحلة الترجمة وسرعتها وبعدها في مربعات إدخال المستخدم.
لإدخال مدة الاختبار ، انقر فوق الزر فتح مجلد في أسفل يمين جدول الحالة الزمنية وحدد مسار ملف Stepper Time Index. ثم حدد مدة الاختبار مرة أخرى في علامة التبويب الملف الصوتي. حدد مسار ملف فهرس الملف Voice Coil بالنقر فوق الزر "فتح مجلد" في أسفل يمين جدول الحالة الزمنية وحدد الملف.
يجب إجراء ذلك سواء تم استخدام الملف الصوتي أم لا. تطبيق الحمل العادي. في حالة استخدام الأوزان الميتة، ضع الأوزان المطلوبة على المحامل الخطية فوق السطح الزجاجي للتحميل.
تأكد من أن الحمل المطبق بالإضافة إلى وزن السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم لا يتجاوز السعة المقدرة لخلية التحميل. حدد المسار واسم الملف لتخزين البيانات باستخدام الزر فتح مجلد على يسار المربع الحق في الملف. احفظ الملف بامتداد txt.
قم بتوسيط الوجه السفلي أسفل الوجه العلوي وقم بتعيينه على أنه موضع صفر X. للقيام بذلك، قم بتشغيل نافذة المتصل الديناميكي المشغل عن طريق الضغط على الزر تشغيل. في علامة التبويب السائر ، انقر فوق زر الصفحة الرئيسية لنقل المرحلة إلى آخر موضع صفر X محفوظ.
إذا لم تتم محاذاة الوجوه المقابلة، فحرك المرحلة بالنقر فوق زري السهمين الأخضر الأيسر والأيمن. عند الوصول إلى الموقع المطلوب ، انقر فوق الزر صفر لحفظ موقع المرحلة الحالية كموضع صفر X الجديد. أوقف نافذة المتصل الديناميكي المشغل بالنقر فوق الزر إيقاف.
بمجرد تمركز الوجوه المضادة العلوية والسفلية ، ابدأ اختبار الاحتكاك للعينات عن طريق بدء الحركة الدورية للمرحلة. بمجرد أن تتحرك المرحلة ، اجعل الوجه العلوي يتلامس ببطء مع الجزء السفلي. دع الاختبار يعمل ، وجمع بيانات اختبار الاحتكاك.
بعد مدة الاختبار المطلوبة ، أوقف الاختبار عن طريق الضغط على الزر إيقاف ( Stop) وعن طريق تفريغ العينات عن طريق رفع الوجه العلوي وتحريكه بعيدا عن ملامسة الوجه السفلي المقابل. استخدم الرمز المخصص لحساب معامل الاحتكاك والتباطؤ لكل دورة. تأكد من أن مجلدا واحدا يحتوي على جميع الملفات ذات الصلة.
افتح تشغيل دورة الاحتكاك. م ملف. انقر فوق الزر "تشغيل" في البرنامج النصي.
حدد ملف البيانات الخام المراد تحليله وموقع الحفظ المطلوب. سيتم إنتاج معامل الاحتكاك ومؤامرات التباطؤ بواسطة MATLAB. تم استخدام تكوين الغشاء الزليلي على الغضروف لاختبار الاحتكاك للنباتات البقرية اليافعة حيث تم تركيب الزعنفة الزليلي على صفيحة تحميل أكريليك قطرها 10 ملليمترات بحيث تكون الطبقة الداخلية على اتصال بالغضروف الأساسي.
تم استخدام شريط الظنبوب كوجه مضاد للغضروف. تم حساب معامل الاحتكاك الفعال من متوسط FT مقسوما على FN على كل دورة ترددية ثم تم رسمه مقابل مدة الاختبار للحصول على مخطط معامل احتكاك مقابل الوقت. لكل اختبار، تم حساب متوسط قيم معامل الاحتكاك على مدار الاختبار بأكمله.
في حمام اختبار PBS ، زاد متوسط قيم معامل الاحتكاك مع زيادة إجهاد الاتصال. وعلى العكس من ذلك، ظل متوسط قيم معامل الاحتكاك متشابهة مع زيادة إجهاد التلامس في حمام السائل الزليلي البقري. تذكر أن تبدأ في جمع بيانات الحمل قبل ملامسة الأسطح.
هذا يضمن إمكانية حساب الحمل الفارغ المناسب. يمكن تقييم مكونات حمام التشحيم والأنسجة قبل وبعد الاختبار لتقييم التغيرات البيولوجية التي ينقلها نظام تجريبي معين.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
النظرة العامة
يصف هذا البروتوكول جهازًا لاختبار الاحتكاك مصمم لتقييم التفاعلات بين الأنسجة البيولوجية الحية. يطبق الجهاز الانزلاق المتبادل المتزامن والحمل الطبيعي على وجهين بيولوجيين متلامسين، مما يوسع قدراته لتشمل ما هو أبعد من الأنسجة غير الحية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكانيكا الحيوية
- المواد الحيوية
- صحة المفاصل
الخلفية
- ركز اختبار الاحتكاك تقليديًا على الأنسجة غير الحية.
- فهم قوى الاحتكاك أمر بالغ الأهمية لصحة المفاصل.
- تظهر الأنسجة الحية خصائص ميكانيكية مختلفة مقارنة بالأنسجة غير الحية.
- الجهاز قابل للتعديل، مما يسمح باختبار أوجه بيولوجية مختلفة.
هدف الدراسة
- لتقييم التفاعلات الاحتكاكية في الأنسجة الحية.
- لتقييم الاستجابات الميكانيكية والميكانيكية الحيوية للغضروف والمحفظة.
- لتطوير استراتيجيات للحفاظ على صحة المفاصل.
الطرق المستخدمة
- حصاد محفظة البقر الصغار.
- استخدام المشرط لتحديد منطقة الاهتمام.
- تطبيق حركة انتقالية متبادلة وحمل ضغطي.
- اختبار أوجه بيولوجية مختلفة باستخدام جهاز قابل للتعديل.
النتائج الرئيسية
- نجح الجهاز في اختبار أنسجة حية.
- تم الحصول على رؤى حول قوى الاحتكاك التي تؤثر على الأنسجة الحية.
- تم تحديد استراتيجيات جديدة محتملة للحفاظ على صحة المفاصل.
الاستنتاجات
- إن جهاز اختبار الاحتكاك يعزز فهم التفاعلات البيولوجية.
- يوفر منصة للأبحاث المستقبلية حول صحة المفاصل.
- قد تؤدي الدراسات الإضافية إلى تحسين العلاجات للظروف المتعلقة بالمفاصل.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Quantitative friction testing of living synovium and cartilage explants addresses a critical gap in early musculoskeletal target validation by enabling direct measurement of biomechanical and mechanobiological responses under physiologic loading. This capability supports predictive confidence in joint health research and informs risk-adjusted advancement of disease-relevant models for osteoarthritis and related disorders. The modular bioreactor platform positions frictional force quantification as a reusable asset for portfolio-wide mechanistic de-risking and assay development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of tissue-level biomechanical hypotheses in joint health.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying frictional effects on living cartilage and synovium.
- Facilitates functional target validation through controlled, physiologically relevant loading regimens.
- Provides a platform for comparative studies of lubricating agents and tissue responses.
Screening & Assay Development
- Delivers standardized, reproducible friction coefficient measurements for living tissue explants.
- Prepares validated biological systems for downstream screening of lubricants or therapeutic candidates.
- Enables quantitative assessment of assay outputs such as friction coefficient and hysteresis per cycle.
- Supports scalability and modular adaptation for diverse joint tissue configurations.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant biomechanical models for osteoarthritis and joint degeneration.
- Enables continuity from discovery-stage mechanistic studies to preclinical validation of interventions.
- Supports evaluation of biological changes in tissues and lubricating environments before and after testing.
- Provides predictive data to inform translational biomarker strategies in joint health research.
Pipeline & Workflow Integration
This friction testing bioreactor integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis-driven biomechanical studies, assay development, and translational model validation for joint tissue research.
- Discovery Biology: Supports null hypothesis testing of frictional effects on living joint tissues under controlled loading.
- Screening: Provides reproducible, quantitative friction coefficient outputs for assay standardization.
- Analytics: Generates time-resolved friction and hysteresis plots for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Bridges mechanistic findings to preclinical models of joint disease and intervention testing.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, adaptable platform for repeated use across joint tissue types and experimental regimens.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in joint biomechanics research.
- Operational Value: Standardizes friction testing workflows and enables reproducible, scalable data generation.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for joint health targets and interventions, improving capital efficiency.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of disease-relevant models and candidate therapies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in tissue harvesting, biomechanical testing, and data analysis.
- Needs access to modular friction testing instrumentation and analytical software (e.g., MATLAB).
- Demands cross-team standardization of tissue preparation and loading protocols.
- Adaptable to various joint tissue types and lubricating environments with modular components.
- Practical limitations include load cell capacity and tissue viability during extended testing.
