方法文章

一种摩擦试验-用于研究滑膜关节生物力学、机械生物学和物理调节的生物反应器装置

DOI：

10.3791/63880

⸱

2022年6月2日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Columbia University, 2Department of Mechanical Engineering, Columbia University, 3Department of Orthopedic Surgery, Columbia University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

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本方案描述了一种摩擦测试装置，该装置将同时相互滑动和正常载荷施加到两个接触的生物配合面上。

摘要

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在原发性骨关节炎（OA）中，与衰老相关的正常"磨损"会抑制软骨维持其承重和润滑功能的能力，从而促进有害的物理环境。关节软骨和滑膜的摩擦相互作用可能通过组织水平磨损和细胞机械转导影响关节稳态。为了研究这些机械和机械生物学过程，描述了一种能够复制关节运动的装置。摩擦测试装置控制向两个接触的生物配合面传递往相互平移运动和正常载荷。本研究采用滑膜软骨配置，并在磷酸盐缓冲盐水（PBS）或滑液（SF）浴中进行测试时提供摩擦系数测量结果。该测试针对一系列接触应力进行了测试，突出了SF在高负载下的润滑性能。该摩擦测试设备可用作仿生生物反应器，用于研究活关节组织的物理调节，以响应与双关节关节关节相关的应用生理负荷。

引言

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骨关节炎（OA）是一种使人衰弱的退行性关节疾病，影响超过3200万美国成年人，医疗保健和社会经济成本超过165亿美元1。该疾病的典型特征是关节软骨和软骨下骨的降解;然而，滑膜的变化最近引起了人们的赞赏，因为滑膜炎与OA症状和进展有关2，3，4。在原发性（特发性）OA中，与衰老相关的正常"磨损和撕裂"会抑制软骨维持其承重和润滑功能的能力。关节软骨层长时间滑动接触或软骨与植入材料滑动接触所产生的应力已被证明可以通过地下疲劳失效促进分层磨损5，6。由于关节7，8中存在动态机械环境，关节软骨和滑膜的摩擦相互作用可能通过组织水平磨损和细胞机械转移来影响关节稳态。为了研究这些机械和机械生物学过程，设计了一种装置来复制关节的运动，并严格控制压缩和摩擦载荷5，6，9，

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方案

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从当地屠宰场获得的幼年牛膝关节用于本研究。具有此类牛标本样本的研究不受哥伦比亚机构动物护理和使用委员会（IACUC）的约束。

1. 摩擦试验装置的设计

注:摩擦测试装置的示意图如图 1所示。该装置建在刚性底板上（未显示），底板用作结构支撑的平台。

  1. 将步进电机连接到水平平移台（参见 材料表），创建一个双轴摩擦测试设备，该设备可向接触表面提供相互平移运动。
  2. 在平移台上安装多轴称重传感器（参见 材料表）。安装的称重传感器将用于测量 z 方向 （Fn） 的法向载荷和 x 方向 （Ft） 的切向载荷。
  3. 为平移载物台配备线性编码器（参见 材料表），以记录载物台的水平位移（ux）。此外，在装载台上配备线性编码器（参见 材料表），以记录压板的垂直位移（uz）。
    注:平移台编码器记录接触面的相对切向位移，该信息用于检测每个新的往复滑动周期的开始。
  4. 将装载压板（顶部接触面）....

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结果

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软骨上的滑膜结构用于摩擦测试幼年牛外植体。滑膜安装在直径为10毫米的丙烯酸加载压板上，使得内膜层将与下面的软骨接触。胫骨条用作软骨配合面（图6A）。胫骨条的切割深度约为1.4 mm，尺寸为10 mm x 30 mm。将样品在37°C下在磷酸盐缓冲盐水（PBS）浴或牛滑液（SF）浴中测试1小时。SF浴由PBS和牛SF的50/50混合物组成。载物台加速度为100 mm/s2，载物台速度为1 mm/s，载物台路径距离为2.5 mm6，9，42。自重用于施加各种正常载荷，产生180、230和300 kPa11，43的接触应力。

一小时后，将组织卸下，并评估摩擦系数。根据每个往复循环中Ft

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讨论

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关节内存在动态机械环境，因为软骨受到压缩，拉伸和剪切力，以及流体静压和渗透压44，45。虽然软骨是关节的主要承重组织，但滑膜也与软骨表面和自身在组织折叠的区域发生摩擦相互作用。软骨和滑膜之间的物理相互作用可能负责转移细胞并将间充质干细胞释放到关节环境中，提供潜在的细胞来源，以促进（有限的）关节软骨修复机制37，38，39，40。软骨和滑膜的摩擦特性对关节的维持和组织磨损引起的变性具有重要意义13.提出了一种能够传递相互平移运动和压缩载荷的装置，以研究负责关节稳态和疾病进展的机械和机械生物学过程。

测试参数的选择和试样安装是该协议的两个关键步骤。该设备使用自重或音圈致.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项工作得到了骨科科学研究基金会，NIH 5R01 AR068133，NIH TERC 5P41EB027062和NIGMS R01 692 GM083925（资助者ID:10.13039 / 100000057）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
铝箔雷诺兹集团控股雷诺兹包装无菌组织收获
铝框架亚克力外壳定制摩擦测试仪组件
可高压灭菌即时密封灭菌袋Fisherbrand01-812-54工具灭菌
高压灭菌Buxton工具灭菌
烧杯 （250 mL）Pyrex Vista70000组织收获
Betadine （聚维酮碘制备溶液）Medline Industries， LPMDS093906无菌组织采集
生物安全柜Labconco净化器 Logic+ II 类，A2 型 BSC无菌组织收获
Biospy 打孔Steritool Inc.50162组织收获
美方美国安全剃须刀94-120-71组织收获
圆形丙烯酸硅酮柱（滑膜）定制组织安装
培养基定制DMEM（货号 11-965-118;Gibco） 添加 50 &μ;g/mL L-脯氨酸（货号编号 P5607;Sigma）、100 和 mu;g/mL 丙酮酸钠（货号编号 S8636;Sigma）、1% ITS（货号编号 354350;康宁）和 1% 抗生素–抗真菌药（Cat.No. 15-240-062， Gibco）
氰基丙烯酸酯 （Loctite 420 Clear）Henkel135455Tissue 镶样
自重OHAUS正常负载
乙醇 200 proofDecon Labs， Inc.2701稀释至 70 %
固定碱ThorLabs， Inc.SB1T摩擦测试仪组件
镊子（滑膜收获）Fine Science Tools11019-12组织收获
镊子（滑膜安装）Excelta3C-S-PI组织安装
水平线性编码器（用于翻译台）RSF Electronics， Inc.MSA 670.63摩擦测试仪组件;系统分辨率为 1 & 微米;m
热胶枪和胶水FPC CorporationSurebonder Pro 4000A纸巾安装
LabVIEWNational Instruments CorporationLabVIEW  2010摩擦测试程序
称重传感器JR3 Inc.20E12A-M25B摩擦测试仪组件;0.0019 磅分辨率 x 和y，z 轴 0.0038 磅分辨率
装载压板定制组织安装
O 形圈ParkerS1138AS568-009组织安装
培养皿（60 毫米）Falcon351007组织安装
PivotLok 工作定位器（胫骨支架）工业仓库，Pivot LokPL325组织收获
可拆卸底座ThorLabs， Inc.SB1B摩擦测试仪组件
环形支架组织收获
手术刀刀片Havel's Inc.FSC22组织收获
手术刀手柄FEATHER Safety Razor Co.， Ltd.No. 4组织收获
螺丝刀Wera3334组织收获
台JMAR摩擦测试仪组件
步进电机Oriental Motor Co.， Ltd.PK266-03B摩擦测试仪组件
吸力工具Virtual Industries， Inc.PEN-VAC 真空笔组织安装
支架杆定制组织安装
手术剪刀精细科学工具14061-09组织安装
液（牛）Animal Technologies， Inc.摩擦测试槽
测试槽的定制磷酸盐缓冲盐水 （PBS）：0.04% 异噻唑酮碱杀生物剂（Proclin 950 Cat.编号 46878-U;Sigma） 和 0.1% 蛋白酶抑制剂 - 0.05 M 乙二胺四乙酸，EDTA（货号。编号 0369;Sigma）
组织培养箱Fisher ScientificIsotemp无菌培养
物 垂直线性编码器（用于装载台）雷尼绍T1031-30A摩擦测试仪组件;20 nm 分辨率
音圈驱动器H2W TechnologiesNCC20-15-027-1RC摩擦测试仪组件
器 刀 公司 ： 滑 含蛋白酶抑制剂

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. US Department of Health and Human Services. The Cost of Arthritis in US Adults. Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: https://www.cdc.gov/arthritis/data_statistics/cost.htm (2020).
  2. Buckwalter, J. A., Mankin, H. J. Instructional course lectures, the American....

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