本实验方案描述了一种摩擦测试装置，该装置可对两个接触的生物对偶表面同时施加往复滑动和法向载荷。
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方法文章
用于研究滑膜关节生物力学、力学生物学及物理调控的摩擦测试-生物反应装置
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
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，从而形成有害的物理环境。关节软骨与滑膜之间的摩擦相互作用可能通过组织层面的磨损和细胞力学转导影响关节稳态。为了研究这些力学与力学生物学过程，本文介绍了一种能够模拟关节运动的装置。该摩擦测试装置可控制向两个接触的生物对偶表面施加往复平移运动和法向载荷。本研究采用滑膜-软骨配置，展示了在磷酸盐缓冲盐水（PBS）或滑液（SF）环境中测得的摩擦系数。实验在不同接触应力条件下进行，凸显了滑液在高载荷下的润滑特性。该摩擦测试装置可用作仿生生物反应器，用于研究活动性关节运动所施加的生理载荷下，活体关节组织的物理调控机制。
引言
骨关节炎（OA）是一种致残性的退行性关节疾病，影响超过3200万美国成年人，其医疗和经济社会成本超过165亿美元1。该疾病传统上以关节软骨和软骨下骨的降解为特征；然而，近年来人们逐渐认识到滑膜的变化也具有重要意义，因为滑膜炎已被证实与OA的症状和疾病进展相关2,3,4。在原发性（特发性）OA中，与衰老相关的正常“磨损”会削弱软骨维持其承重和润滑功能的能力。研究表明，关节软骨层之间长时间的滑动接触，或软骨与植入材料之间的滑动接触所产生的应力，可通过次表面疲劳破坏促进分层磨损5,6。由于关节内部存在动态的力学环境7,8，关节软骨与滑膜之间的摩擦相互作用可能通过组织层面的磨损和细胞力学转导影响关节稳态。为了研究这些力学和力生物学过程，已设计出一种装置，可精确控制压缩载荷和摩擦载荷，以模拟关节的运动5,6,
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方案
本研究使用从当地屠宰场获取的幼牛膝关节。使用此类牛样本的研究免于接受哥伦比亚大学动物护理与使用委员会（IACUC）的审查。
1. 设计摩擦测试装置
注意：摩擦测试装置的示意图如图1所示。该装置安装在一个刚性底板（未显示）上，该底板用作结构支撑的平台。
- 将步进电机连接到水平平移台（参见 材料表），构建一个双轴摩擦测试装置，可为接触表面提供往复平移运动。
- 将多轴力传感器安装在平移台上（参见 材料表）。安装的载荷传感器将用于测量 z 方向的法向载荷（Fn），以及x方向的切向载荷（Ft).
- 为翻译平台配备线性编码器（参见 材料表）以记录水平位移（ux载物台的行程。此外，为加载载物台配备线性编码器（参见 材料表）以记录垂直位移（uz压板的）
注意：平移阶段编码器记录接触表面之间的相对切向位移，该信息用于检测往复滑动每个新周期的起始点。 - 将加载压头（上接....
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结果
采用滑膜-软骨接触构型对幼牛软骨样本进行摩擦测试。将滑膜固定在直径为10 mm的丙烯酸加载压头上，使其内膜层与下方的软骨接触。胫骨条作为软骨对磨面（图6A）。胫骨条切割成约1.4 mm深、10 mm × 30 mm大小。样本在磷酸盐缓冲液（PBS）或牛滑液（SF）浴中37 °C条件下测试1小时。SF浴由等体积的PBS和牛滑液混合而成。平台加速度为100 mm/s2，平台速度为1 mm/s，平台移动距离为2.5 mm6,9,42。通过砝码施加不同的法向载荷，产生180、230和300 kPa的接触应力11,43。
一小时后，卸去载荷，测定摩擦系数。有效摩擦系数 μ 由平均值计算得出 <.......
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讨论
关节内存在动态的力学环境，软骨会受到压缩力、张力和剪切力，以及流体静压力和渗透压的作用44,45。尽管软骨是关节主要的承重组织，滑膜也会在组织折叠区域与软骨表面以及自身发生摩擦相互作用。软骨与滑膜之间的物理相互作用可能促进了细胞的转移，并将间充质干细胞释放到关节环境中，从而为关节软骨有限的修复机制提供潜在的细胞来源37,38,39,40。软骨和滑膜的摩擦特性通过组织磨损对关节的维持与退变具有重要意义13。本文介绍了一种能够提供往复平移运动和压缩载荷的装置，用于研究维持关节稳态及疾病进展过程中的力学与力生物学机制。
测试参数的选择和试样安装是该实验方案中的两个关键步骤.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由骨科科学研究基金会、美国国立卫生研究院（NIH）5R01 AR068133、NIH TERC 5P41EB027062 和 NIGMS R01 692 GM083925（资助者编号：10.13039/100000057）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 铝箔 | 雷诺集团控股公司 | Reynolds Wrap | 无菌组织采集 |
| 铝框亚克力外壳 | 定制 | 摩擦测试仪组件 | |
| 可高压灭菌的一次性密封灭菌袋 | Fisherbrand | 01-812-54 | 工具的灭菌 |
| 高压灭菌 | Buxton | 工具的灭菌 | |
| 烧杯（250 mL） | Pyrex Vista | 70000 | 组织采集 |
| 聚维酮碘消毒液（Betadine） | Medline Industries, LP | MDS093906 | 无菌组织采集 |
| 生物安全柜 | Labconco | Purifier Logic+ II级A2型生物安全柜 | 无菌组织采集 |
| 活检穿孔器 | Steritool 公司 | 50162 | 组织采集 |
| 美工刀 | American Safety Razor Company | 94-120-71 | 组织收获 |
| 圆形丙烯酸-硅胶柱（滑膜） | 定制 | 组织封片 | |
| 培养基 | 定制 | DMEM（货号：11-965-118；Gibco）添加50 μ微克/毫升 L-脯氨酸（货号：P5607；Sigma），100 μg/mL 丙酮酸钠（货号：S8636；Sigma），1% ITS（货号：354350；Corning），以及 1% 抗生素–抗真菌剂（货号：15-240-062，Gibco） | |
| 氰基丙烯酸酯（Loctite 420 Clear） | 亨克尔 | 135455 | 组织封片 |
| 砝码 | OHAUS | 正常载荷 | |
| 乙醇 200 proof | Decon Labs, Inc. | 2701 | 稀释至70% |
| 固定基座 | ThorLabs, Inc. | SB1T | 摩擦测试仪组件 |
| 镊子（滑膜采集） | Fine Science Tools | 11019-12 | 组织采集 |
| 镊子（滑膜固定） | Excelta | 3C-S-PI | 组织封片 |
| 水平线性编码器（用于平移台） | RSF Electronics, Inc. | MSA 670.63 | 摩擦测试仪组件；系统分辨率为1 µm |
| 热熔胶枪和胶棒 | FPC Corporation | Surebonder Pro 4000A | 组织封片 |
| LabVIEW | 美国国家仪器公司 | LabVIEW 2010 | 摩擦测试程序 |
| 加载细胞 | JR3 公司 | 20E12A-M25B | 摩擦测试仪组件；x方向分辨率为0.0019 lbs&y，z轴分辨率为0.0038磅 |
| 加载压板 | 定制 | 组织封片 | |
| O形圈 | Parker | S1138AS568-009 | 组织封片 |
| 培养皿（60 mm） | Falcon | 351007 | 组织封片 |
| PivotLok 工作定位器（胫骨固定器） | 行业仓库，Pivot Lok | PL325 | 组织采集 |
| 可拆卸底座 | ThorLabs, Inc. | SB1B | 摩擦测试仪组件 |
| 铁架台 | 组织采集 | ||
| 手术刀片 | Havel's Inc. | FSC22 | 组织采集 |
| 手术刀柄 | FEATHER 安全剃须刀有限公司 | 4号 | 组织采集 |
| 螺丝刀 | Wera | 3334 | 组织采集 |
| 阶段 | 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 |
| 吸液工具 | Virtual Industries, Inc. | PEN-VAC 真空笔 | 组织封片 |
| 支撑杆 | 定制 | 组织封片 | |
| 手术剪 | Fine Science Tools | 14061-09 | 组织封片 |
| 关节滑液（牛） | Animal Technologies, Inc. | 摩擦测试浴槽 | |
| 测试浴液 | 定制 | 含蛋白酶抑制剂的磷酸盐缓冲液（PBS）：0.04% 异噻唑啉酮类杀菌剂（Proclin 950 货号 46878-U；Sigma）和 0.1% 蛋白酶抑制剂 — 0.05 M 乙二胺四乙酸，EDTA（货号 0369；Sigma） | |
| 组织培养箱 | Fisher Scientific | Isotemp | 无菌培养 |
| 垂直线性编码器（用于加载平台） | 雷尼绍 | T1031-30A | 摩擦测试仪组件；20 nm 分辨率 |
| 音圈电机 | H2W Technologies | NCC20-15-027-1RC | 摩擦测试仪组件 |
参考文献
- 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).
- Buckwalter, J. A., Mankin, H. J. Instructional course lectures, the American....
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