Das vorliegende Protokoll beschreibt eine Reibungsprüfvorrichtung, die gleichzeitig reziprokes Gleiten und normale Belastung auf zwei sich berührende biologische Gegenflächen anwendet.
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Methodenartikel
Ein Reibungsprüf-Bioreaktorgerät zur Untersuchung der Synovialgelenksbiomechanik, Mechanobiologie und physikalischen Regulation
* These authors contributed equally
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Bei der primären Osteoarthritis (OA) hemmt normaler "Verschleiß" im Zusammenhang mit dem Altern die Fähigkeit des Knorpels, seine Trag- und Schmierfunktionen aufrechtzuerhalten, und fördert eine schädliche physikalische Umgebung. Die Reibungswechselwirkungen von Gelenkknorpel und Synovia können die Gelenkhomöostase durch Verschleiß auf Gewebeebene und zelluläre Mechanotransduktion beeinflussen. Um diese mechanischen und mechanobiologischen Prozesse zu untersuchen, wird ein Gerät beschrieben, das in der Lage ist, die Bewegung des Gelenks zu replizieren. Das Reibungsprüfgerät steuert die Abgabe von reziproken Übersetzungsbewegungen und normaler Belastung an zwei sich berührende biologische Gegenflächen. Diese Studie verwendet eine Synovium-auf-Knorpel-Konfiguration, und Reibungskoeffizientenmessungen werden für Tests vorgestellt, die in einem phosphatgepufferten Kochsalzlösung (PBS) oder Synovialflüssigkeitsbad (SF) durchgeführt werden. Die Tests wurden für eine Reihe von Kontaktspannungen durchgeführt, wobei die Schmiereigenschaften von SF unter hohen Belastungen hervorgehoben wurden. Dieses Reibungsprüfgerät kann als biomimetischer Bioreaktor zur Untersuchung der physikalischen Regulation von lebendem Gelenkgewebe als Reaktion auf angewandte physiologische Belastung im Zusammenhang mit der diarthrodialen Gelenkartikulation verwendet werden.
Einleitung
Osteoarthritis (OA) ist eine schwächende, degenerative Gelenkerkrankung, von der mehr als 32 Millionen amerikanische Erwachsene betroffen sind, mit Gesundheits- und sozioökonomischen Kosten von über 16,5 Milliarden US-Dollar1. Die Krankheit ist klassischerweise durch den Abbau von Gelenkknorpel und subchondralem Knochen gekennzeichnet; Veränderungen an der Synovia haben jedoch kürzlich Anerkennung gefunden, da Synovitis mit OA-Symptomen und Progression in Verbindung gebracht wurde 2,3,4. Bei primärer (idiopathischer) OA hemmt normaler "Verschleiß", der....
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Protokoll
Für die vorliegende Studie wurden juvenile Kniegelenke von Rindern verwendet, die aus einem lokalen Schlachthof gewonnen wurden. Studien mit solchen Rinderproben sind vom Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ausgenommen.
1. Auslegung der Reibungsprüfeinrichtung
HINWEIS: Eine schematische Darstellung des Reibungsprüfgeräts ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Gerät ist auf einer starren Grundplatte (nicht abgebildet) aufgebaut, die als Plattform für die strukturelle Unterstützung dient.
- Befestigen Sie einen Schrittmotor an der horizont....
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Ergebnisse
Eine Synovium-auf-Knorpel-Konfiguration wurde verwendet, um juvenile Rinderexplantationen zu reiben. Die Synovia wurde auf einer Acryl-Ladeplatte mit einem Durchmesser von 10 mm montiert, so dass die Innenschicht mit dem darunter liegenden Knorpel in Kontakt kam. Als Knorpel-Gegenfläche wurde ein Tibiastreifen verwendet (Abbildung 6A). Tibialstreifen wurden mit einer Tiefe von ca. 1,4 mm und einer Größe von 10 mm x 30 mm geschnitten. Die Proben wurden 1 h bei 37 °C in einem phosphatgepuffert.......
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Diskussion
Innerhalb des Gelenks besteht eine dynamisch-mechanische Umgebung, da Knorpel Druck-, Zug- und Scherkräften sowie hydrostatischen und osmotischen Drücken ausgesetzt ist44,45. Obwohl Knorpel das wichtigste tragende Gewebe des Gelenks ist, erfährt die Synovia auch Reibungswechselwirkungen mit der Knorpeloberfläche und mit sich selbst in Regionen, in denen sich das Gewebe faltet. Die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Knorpel und Synovium sind wahrscheinlich f.......
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde von der Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 und NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID: 10.13039/100000057) unterstützt.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Aluminiumfolie | Reynolds Group Holdings | Reynolds Wrap | Sterile Gewebeentnahme |
| Acrylgehäuse mit Aluminiumrahmen | Sonderanfertigung | Reibungstesterkomponente | |
| Autoklavierbare Sterilisationsbeutel mit sofortiger Versiegelung | Fisherbrand | 01-812-54 | Sterilisation von Werkzeugen |
| Autoklav | Buxton | Sterilisation von Werkzeugen | |
| Becherglas (250 mL) | Pyrex Vista | 70000 | Gewebeentnahme |
| Betadin (Povidon Iod Prep Solution) | Medline Industries, LP | MDS093906 | Sterile Gewebeentnahme |
| Biologische Sicherheitswerkbank | Labconco | Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC | Sterile Gewebeentnahme |
| Biospy Stanze | Steritool Inc. | 50162 | für die Gewebeentnahme |
| American Safety Razor Company | 94-120-71 | Gewebeentnahme | |
| Kreisförmiger Acryl-Sillikon-Stift (Synovium) | Sonderanfertigung | Gewebehalterung | |
| Nährmedien | Sonderanfertigung | DMEM (Kat.-Nr. 11-965-118; Gibco) ergänzt mit 50 μm; g/mL L-Prolin (Kat. Nr. P5607; Sigma), 100 μ g/mL Natriumpyruvat (Kat. Nr. S8636; Sigma), 1% ITS (Kat. Nr. 354350; Corning) und 1 % Antibiotikum– Antimykotikum (Kat. Nr. 15-240-062, Gibco) | |
| Cyanacrylat (Loctite 420 Clear) | Henkel | 135455 | Gewebemontage |
| Eigengewichte | OHAUS | Normallast | |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs, Inc. | 2701 | Verdünnen auf 70 % |
| Feste Basis | ThorLabs, Inc. | SB1T | Reibungstester-Komponente |
| Pinzette (Synovium-Ernte) | Fine Science Tools | 11019-12 | für die Gewebeentnahme |
| (Synovium-Aufnahme) | Excelta | 3C-S-PI | Gewebe-Montage |
| Horizontaler Linearencoder (für Translationstisch) | RSF Electronics, Inc. | MSA 670.63 | Reibungsprüfgerät-Komponente; Systemauflösung von 1 & Mikro; m |
| Heißklebepistole und Kleber | FPC Corporation | Surebonder Pro 4000A | Gewebemontage |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | LabVIEW 2010 | Reibungsprüfprogramm |
| Wägezelle | JR3 Inc. | 20E12A-M25B | Reibungsprüfgerät-Komponente; 0,0019 lbs Auflösung in x& y, 0,0038 lbs Auflösung in z |
| Ladeplatte | Sonderanfertigung | ||
| Tissue-Halterung O-Ring | Parker | S1138AS568-009 | Tissue-Halterung |
| Petrischale (60 mm) | Falcon | 351007 | Tissue-Halterung |
| PivotLok Work Positioner (Tibia-Halter) | Industry Depot, Pivot Lok | PL325 | Gewebeentnahme |
| Abnehmbare Basis | ThorLabs, Inc. | SB1B | Reibungsprüfgerät Komponente |
| Ringständer | Gewebeentnahme | ||
| Skalpellklingen | Havel's Inc. | FSC22 | Gewebeentnahme |
| Skalpellgriff | FEATHER Sicherheitsrasierer Co., Ltd. | Nr. 4 | Schraubendreher für die Gewebeentnahme |
| Wera | 3334 | Gewebeentnahmestufe | |
| JMAR | Reibungstesterkomponente | ||
| Schrittmotor | Oriental Motor Co., Ltd. | PK266-03B | Reibungsprüfgerät Komponente |
| Saugwerkzeug | Virtual Industries, Inc. | PEN-VAC Vakuum-Stift | Gewebehalterung |
| Stützstange | Sonderanfertigung | Gewebehalterung | |
| Chirurgische Schere Fine | Science Tools | 14061-09 | Gewebehalterung |
| Synovialflüssigkeit (Rind) | Animal Technologies, Inc. | Reibungsprüfbad | |
| Prüfbad Maßgeschneiderte | phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) mit Proteaseinhibitoren: 0,04 % Isothiazolon-basen-Biozid (Proclin 950 Kat. Nr. 46878-U; Sigma) und 0,1 % Proteaseinhibitor - 0,05 M Ethylendiamintetraessigsäure, EDTA (Kat. Nr. 0369; Sigma) | ||
| Inkubator für Gewebekulturen | Fisher Scientific | Isotemp | Sterile Kultur |
| Vertikaler Linearencoder (für die Ladestufe) | Renishaw | T1031-30A | Reibungstester-Komponente; 20 nm Auflösung |
| Schwingspulen-Aktuator | H2W Technologies | NCC20-15-027-1RC | Reibungstester-Komponente |
Referenzen
- 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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Nachdrucke und Genehmigungen
