Name: Eine experimentelle und Finite-Elemente-Protokoll den Transport von neutralen und geladenen gelösten Stoffen durch Gelenkknorpel zur Untersuchung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Erfahren Sie ein experimentelles und numerisches Protokoll zur Untersuchung des Molekültransports durch Gelenkknorpel. Diese Methode ermittelt Diffusionskoeffizienten und feste Ladungsdichte in verschiedenen Knorpelzonen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Die Autoren möchten ihren Dank für ihre Hilfe an Herrn Jeroen van den Berg und Herr Matthijs Wassink von der Entwicklung Mechanik Gruppe bei UMC Utrecht auszudrücken Prozess der Knochen-Knorpel-Stecker in Verpackung. Diese Arbeit wurde unterstützt durch einen Zuschuss aus dem Niederländischen Arthritis Foundation unterstützt.

HINWEIS: Das Protokoll hier präsentiert wird aus den experimentellen und rechnerischen Verfahren der jüngsten Forschungsarbeiten angenommen 6, 8, 9. Das Protokoll ist in 1 dargestellt. Die Kadaver Materialien wurden mit freundlicher Genehmigung von Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Utrecht gesammelt. 1. Probe und Badherstellung <ol><li> Ausbohren zylindrisches osteochondralen Topfen (Durchmesser von 8,5 mm) aus cadaveric equine Femurkondylen Verwendung maßgefertigte Bohrmeißel (Abbildung 1) , während kühle phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) Aufsprühen Überhitzung und nachfolgende Knorpelschäden zu verhindern. </li><li> Schrumpf die osteochondrale Stecker mit einer Kunststoffhülle schrumpft die seitliche Diffusion des überlagernden Bad zu minimieren. <ol><li> Montieren Sie den Knochen-Knorpel-Stecker mit Knorpel an the oben zunächst im Inneren der Hülse aus Kunststoff schrumpfen und folgen durch Einblasen von Heißluft zu. In nassen Baumwollstücke auf der Oberfläche des Knorpels hitzebedingten Schäden zu vermeiden. </li></ol></li><li> Bereiten finite-Bäder von geladenen (zB 650 &amp; mgr; l, 420 mM, Ioxaglat, Molekulargewicht (MW) = 1.269 Da, Ladung = -1) und neutral (650 &amp; mgr; l, 420 mM, Iodixanol, MW = 1.550 Da) gelösten Stoffe getrennt. </li><li> Laden die vorbereiteten finite-Bäder auf der Oberfläche des Knorpels mit einer Spritze und legen einen Kork Stecker auf der umwickelte Probenverdampfung während der Experimente bei RT (2A) zu verhindern. Um den Stofftransport neutral zu untersuchen, legen die Iodixanol Bad und studieren, um die negativ geladenen Stofftransport statt Ioxaglat Bad auf der Knorpeloberfläche. </li></ol> 2. Imaging und Bildverarbeitung <ol><li> Plazieren der eingewickelten Proben isoliert mit Kork Stecker auf maßgefertigte Halter an der motorisierten Stufe eines Mikro-CT. Platz ter Probe, so dass die Knorpeloberfläche bedeckt mit Kontrastmittel-Lösung ist nach oben gerichtet. </li><li> - Scan unter Verwendung der Micro-CT (Voxel - Größe von 40 × 40 × 40 &amp; mgr; m 3, Zykluszeit von 2 min, Röhrenspannung von 90 kV und Röhrenstrom von 180 &amp; mgr; A) mit einem Sichtfeld , bestehend aus Knorpel, subchondrale Platte und endliche Bad in mehreren Zeitpunkten bis zum Gleichgewichtszustand (48 h) wird (2A) erreicht wird . Der Gleichgewichtszustand erreicht wird, wenn Konzentrationswerte nicht im Laufe der Zeit ändern. </li><li> Registrieren Sie die 3D - Bilder in verschiedenen Zeitpunkt basierend auf dem Anfangsbild Positionierung der Region of Interest zu erleichtern (ROI) mit Herstellersoftware (zB Analyse). </li><li> Konvertieren der rekonstruierten 3D-Mikro-CT-Bilder in 2D Tagged Image File Format (TIFF) Stapel vor der Verarbeitung des Herstellers Software. </li><li> Globally Segment (ImageJ&gt; Anpassen&gt; Threshold) der Knorpel aus dem subchondralen Knochen und überLiegen Bad in der Software. </li><li> Erhalten der durchschnittliche Grauwert des Knorpels zu verschiedenen Zeitpunkten (ImageJ&gt; Analysieren&gt; Measure) unter Verwendung der erzeugten Maske Knorpels im vorherigen Schritt. </li><li> Angesichts die anfängliche Badkonzentration und die anfängliche Kontrastmittelkonzentration in dem Knorpel, verwendet, um eine lineare Kalibrierungskurve den durchschnittlichen Grauwert an die tatsächlichen Konzentration der gelösten Stoffe zu überführen. Vorherige Daten stützen die Tatsache, dass Grauwerte eine lineare Beziehung mit der Konzentration von Kontrastmitteln aufrechtzuerhalten. </li><li> Zeichnen Sie die Konzentrationen an gelösten Stoffen im Vergleich zu experimentellen Zeitpunkt. </li></ol> 3. Computational Modelling HINWEIS: Die Diffusion in diesem Problem wird angenommen, in 1D nehmen (entlang der z-Achse), die mit der experimentellen Randbedingung erfüllt. Daher könnte die Geometrie beliebig erstellt. <ol><li> Baue finite-Bad auf Basis Knorpel Mehrzonen-Modelle: 1), bestehend aus Knorpel oberflächlicher Zone (20% des gesamten Knorpeldicke), mittlere Zone (50% des gesamten Knorpeldicke) und tiefere Zone (30% des gesamten Knorpeldicke) 12 und 2) finite-Bad in Febio 13, 14 (2B). </li><li> Zuordnen, die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Zonen des Knorpels und Bad in Febio. Young-Modul (10 MPa) wurde angenommen, hoch genug sein, um den osmotischen Druck, der durch das darüber liegende Bad ausgeübt zu widerstehen und daher den Knorpel vor übermäßigen Verformungen zu schützen. <ol><li> Verwenden , um eine hydraulische Permeabilität von 10 -3 mm 4 / Ns und Poissonzahl von 0. Verwendung tatsächlichen solute Diffusionskoeffizient des Bades in den Simulationen 8, 9. </li></ol></li><li> Generieren mesh (8-Knoten trilineare hexaedrischen Elemente) und verfeinern , es in der Nähe der Grenzen (2B)class = "xref"&gt; 8, 9. </li><li> Biphasic-solute Modell <ol><li> Anwenden anfängliche Konzentration an gelösten Stoffen in dem Bad und effektiven Druck, um es entspricht. Schauen Sie sich die Beschreibung des effektiven Drucks in 9, 15. </li><li> Führen Sie das Modell in transienten Modus Konzentration des gelösten Stoffes als Funktion der Zeit Kurven entsprechend den vorgeschriebenen Diffusionskoeffizienten in verschiedenen Zonen Knorpels zu erhalten. </li></ol></li><li> Multiphasic Modell HINWEIS: Die elektrische Schwankung zwischen Bad und Gewebe kann sowohl durch Zugabe von zwei einwertigen Gegenionen zu dem Bad umgangen werden, und das Gewebe. <ol><li> Für Beharrungsmodelle: verwenden, um die gleichen effektiven Fluiddrücke und Konzentrationen in Knorpeln und darüber liegendes Bad während FCD auf seinen gewünschten Wert erhöht wird. </li><li> Für transiente Modelle: schaffen, indem den gelösten Stoff Diffusionskoeffizienten in dem Bad ausreichend hoch ist ein gut gerührte finite-Bad. injizieren Sie diegelöster Stoff aus der Bad-Luft-Grenzfläche in das Bad seines gewünschten Konzentrationswert zu erreichen. </li><li> Transient: entferne die vorgeschriebene Konzentration an gelösten Stoffen Randbedingung in dem vorherigen Schritt und kehren die Diffusionskoeffizient des finite-Bad zu seiner tatsächlichen Diffusionskoeffizienten. </li><li> Führen Sie die Modellkurven solute Konzentrations-Zeit auf Basis angewendet FCDS und Diffusionskoeffizienten in verschiedenen Zonen Knorpels zu erhalten. </li></ol></li><li> Febio-MATLAB-Schnittstelle <ol><li> Entwickeln eines MATLAB - Code automatisch durch Simulation in Febio und Plot - Konzentrations-Zeit - Kurven (Febio-MATLAB - Schnittstelle) 8, 9. </li><li> Ändern Diffusionskoeffizienten und FCDS in Knorpel- Zonen Febio-MATLAB-Schnittstelle. Führen Modelle in Febio und solute Konzentrations-Zeit - Kurven 8, 9 extrahiert. </li><li> Vergleichen Sie die erhaltenen Konzentration an gelösten Stoffen Zeitkurven mit dem experimentellenDaten und erhalten Sätze von Diffusionskoeffizienten und FCDS in Zonen unterschiedlicher Knorpels auf Mindest root mean square error basiert (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="Abbildung 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg"> Abbildung 1: Experimenteller Aufbau. A) Probenextraktionsverfahren eine maßgefertigte Bohrer. B) Micro-CT - Bildgebungsverfahren Diffusionsprozess zu überwachen. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg"> Abbildung 2: Schematische.A) Experimentelles Design. B) Mehrzonen - Berechnungsmodells des finiten Bad bestehend, oberflächlich, mittleren und tiefen Zonen des Knorpels und der zugehörigen Masche. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<ol><li>Arkill, K. P., Winlove, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+in+the+deep+and+calcified+zones+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage.</a> Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).</li>
<li>Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+across+the+articular+surface+of+injured+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Arch+Biochem+Biophys%22%5BJournal%5D)">Solute transport across the articular surface of injured cartilage.</a> Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-specific+effects+of+compression+on+macromolecular+diffusion+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage.</a> Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-Specific+Molecular+Diffusion+in+Articular+Cartilage+Measured+using+Fluorescence+Recovery+after+Photobleaching%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching.</a> Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).</li>
<li>Gu, W. Y., Yao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+hydration+and+fixed+charge+density+on+fluid+transport+in+charged+hydrated+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues.</a> Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolated+effects+of+external+bath+osmolality%2C+solute+concentration%2C+and+electrical+charge+on+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+and+Physics%22%5BJournal%5D)">Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage.</a> Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).</li>
<li>Kulmala, K. A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+coefficients+of+articular+cartilage+for+different+CT+and+MRI+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+%26+Physics%22%5BJournal%5D)">Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents.</a> Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+of+Neutral+Solute+Across+Articular+Cartilage%3A+The+Role+of+Zonal+Diffusivities%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+modeling+of+charged+solute+transport+across+articular+cartilage%3A+Application+of+multi-zone+finite-bath+model%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model.</a> J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+inverse-forward+artificial+neural+networks+for+fast+and+accurate+estimation+of+the+diffusion+coefficients+of+cartilage+based+on+multi-physics+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models.</a> Journal of Biomechanics. , (2016).</li>
<li>Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Basic+Science+of+Articular+Cartilage%3A+Structure%2C+Composition%2C+and+Function%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Health%22%5BJournal%5D)">The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function.</a> Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).</li>
<li>Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAteshian%2C+G+%22Computer+Models+in+Biomechanics%22">Computer Models in Biomechanics</a>. , Springer. Netherlands. 231-249 (2013).</li>
<li>Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+Finite+Element+Framework+for+Modeling+Hydrated+Mixtures+With+Multiple+Neutral+and+Charged+Solutes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+multiphysics+models+to+efficient+design+of+experiments+of+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Biol+Med%22%5BJournal%5D)">Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage.</a> Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).</li>
<li>Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+superficial+collagen+fibrils+for+the+function+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biomechanics+and+Modeling+in+Mechanobiology%22%5BJournal%5D)">The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).</li>
<li>Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritic+changes+in+the+biphasic+mechanical+properties+of+the+chondrocyte+pericellular+matrix+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage.</a> Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).</li>
<li>Felson, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritis%3A+new+insights.+Part+1%3A+the+disease+and+its+risk+factors%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Intern+Med%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors.</a> Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).</li>
<li>Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+mechanical+injury+of+articular+cartilage+using+contrast+enhanced+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography.</a> Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).</li>
<li>Raya, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion-tensor+imaging+of+human+articular+cartilage+specimens+with+early+signs+of+cartilage+damage%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage.</a> Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).</li>
<li>Tavakoli Nia, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aggrecan+Nanoscale+Solid-Fluid+Interactions+Are+a+Primary+Determinant+of+Cartilage+Dynamic+Mechanical+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties.</a> ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. 11th World Congress on Computational Mechanics & 5th European Conference on Computational Mechanics, Barcelona, Spain, , (2014).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+mechanical+and+physical+properties+of+cartilage+by+coupling+poroelastic-based+finite+element+models+of+indentation+with+artificial+neural+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks.</a> Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).</li>
<li>Kokkonen, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computed+tomography+detects+changes+in+contrast+agent+diffusion+after+collagen+cross-linking+typical+to+natural+aging+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).</li>
<li>Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+and+Distribution+of+Fluorescent+Solutes+near+the+Articular+Surface+of+Mechanically+Injured+Cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage.</a> Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bath+Concentration+of+Anionic+Contrast+Agents+Does+Not+Affect+Their+Diffusion+and+Distribution+in+Articular+cartilage+In+Vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Cartilage%22%5BJournal%5D)">Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro.</a> Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((pQCT+study+on+diffusion+and+equilibrium+distribution+of+iodinated+anionic+contrast+agent+in+human+articular+cartilage+-+associations+to+matrix+composition+and+integrity%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage - associations to matrix composition and integrity.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent's transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. Orthopaedic Research Society Annual Meeting, Las Vegas, Nevada, , (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. International Workshop on Osteoarthritis Imaging (IWOAI), Oulo, Finland, , (2016).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Wir stellten ein experimentelles Protokoll mit einem Finite-Elemente-Modellierungsverfahren kombiniert über Gelenkknorpel die Diffusion von neutralen und geladenen gelösten Stoffe zu untersuchen. Nach unseren jüngsten Studien beschreiben die vorgeschlagenen Modelle könnten genau den Transport von sowohl neutral (zweiphasige-solute) und negativ geladene (mehrphasige) gelösten Stoffe durch verschiedene Zonen des Gelenkknorpels 8, 9. Es wird allgemein angenommen , ...

<html> Molecular Transport spielt eine wichtige Rolle bei der Homöostase der Gelenkverbindungen, die Lieferung von Therapeutika Knorpel- und kontrastverstärkten Bildgebung Knorpel 1, 2, 3 des Gelenkknorpels. Faktoren wie Knorpel Integration und Intaktheit, gelöste Stoff Ladung und Größe sowie die Osmolalität und die Konzentration des Bades in Kontakt mit Knorpel kann die Transportrate beeinflusst 4, 5, 6. Der Transport der gelösten Stoffe, entweder neutral oder geladen ist , kann zwischen Gelenkknorpel Zonen unterschiedlich sein, da jede Zone unterschiedlicher Konzentrationen und Orientierungen der großen extrazellulären Matrixmolekülen besteht, nämlich Proteoglycanen (PGs) und Kollagen - Typ - II - 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Noch wichtiger ist , von der Konzentration der Proteoglykane der Transport von geladenen gelösten Stoffen kann 8, 9 innerhalb der extrazellulären Matrix, die negativen Festladungen stark abhängig sein , die sich über Gelenkknorpel erhöht. Diese Parameter besonders feste Ladungsdichte (FCD), die Orientierung von Kollagenfibrillen und Wassergehalt Variation über Knorpel können Änderungen unterzogen werden, wie Osteoarthritis (OA) fortschreitet, wodurch angezeigt wird, die Bedeutung Diffusion über Knorpel zu studieren. Unter Verwendung von neutralen und geladenen gelösten Stoffen in einem endlichen Bade Modell der Diffusion in der aktuellen Studie zugrunde , ein Protokoll über die zuvor festgelegte experimentelle und theoretische Studien 6, 8, 9 genau Diffusions vorgeschlagen wird unter verschiedenen Randbedingungen zu untersuchen. Ter vorgeschlagenen Methoden besteht aus Mikro Computertomographie-Bildgebung (Mikro-CT) einem System, das Knorpel- und endlicher-Bad durch erweiterte biphasische-gelösten Stoff und mehrphasige Finite-Elemente-Modelle unterstützt. Diese Modelle ermöglichen, die Diffusionskoeffizienten von neutralen und geladenen Moleküle sowie FCDS über verschiedene Zonen des Gelenkknorpels zu erhalten. Mit diesen Modellen kann ein besseres Verständnis des Verhaltens der diffundierenden neutralen und geladenen Moleküle gewinnen, die verwendet werden könnten, um die Wechselwirkungen zwischen Knorpel und Übereinander finite-Bad zu untersuchen.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Negativ geladenes Kontrastmittel</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE Healthcare</td><td>12570511</td><td>Nuetral Kontrastmittel</td></tr><tr><td>PBS (phosphatgepufferte Kochsalzlösung)</td><td>Lebenstechnologien</td><td>10010023</td><td></td></tr><tr><td>Medium Mikro-CT</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Überwachung Diffusion</td></tr><tr><td>Gefrierpunkt-Osmometer</td><td>Erweitert Instrumente</td><td></td><td>Messung der Osmolalität von Lösungen</td></tr></tbody></table>

eine experimentelle und finite-elemente-protokoll den transport von neutralen und geladenen gelösten stoffen durch gelenkknorpel zur untersuchung

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

<html> Osteoarthritis (OA) ist eine schwächende Erkrankung, die mit einer Degeneration von Gelenkknorpel und subchondralem Knochen verbunden ist. Degeneration von Gelenkknorpel beeinträchtigt ihre tragende Funktion im wesentlichen wie es enormen chemischen Abbau, also Proteoglykan - Verlust und Kollagenfibrillen Unterbrechung erfährt. Ein vielversprechender Weg chemische Schädigungsmechanismen während OA zu untersuchen, ist die Knorpelproben mit einem externen gelösten Stoffe zu entlarven und die Diffusion der Moleküle zu überwachen. Der Grad der Knorpelschaden (dh Konzentration und die Konfiguration von essentiellen Makromolekülen) mit Kollisions Energieverlust der externen Solute assoziiert , während über Gelenkknorpel Eigenschaften im Vergleich zu gesunden Knorpel schafft unterschiedliche Diffusions bewegt. In dieser Studie stellen wir ein Protokoll, das besteht aus mehreren Schritten und basiert auf zuvor entwickelten experimentellen Mikro-C14px; &quot;&gt; omputed T omography (Mikro-CT) und Finite - Elemente - Modellierung der Transport von geladenen und ungeladenen jodhaltigen Molekülen ersten Mikro-CT aufgezeichnet verwenden, die durch Anwendung biphasische-gelösten Stoffes und mehrphasige Finite - Elemente - Modelle zu erhalten Diffusionskoeffizienten folgt. und Ladungsdichten über Knorpels Zonen fixiert.

Die repräsentativen Ergebnisse hier vorgesehen sind , aus früheren Forschungsarbeiten angenommen 6, 8, 9, 16. In OA erfährt Gelenkknorpel signifikante Veränderungen am wichtigsten GAG Verlust und Kollagenfibrille Schaden 17, 18, <s...

Wir schlagen vor, ein Protokoll, den Transport von geladenen und ungeladenen Molekülen über Gelenkknorpel mit Hilfe von neu entwickelten experimentellen und numerischen Methoden zu untersuchen.

Eine experimentelle und Finite-Elemente-Protokoll den Transport von neutralen und geladenen gelösten Stoffen durch Gelenkknorpel zur Untersuchung

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, den Transport von geladenen und ungeladenen Molekülen durch den Gelenkknorpel mit Hilfe experimenteller und numerischer Methoden zu untersuchen. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen im Zusammenhang mit den physikalischen Eigenschaften des Gelenkknorpels zu beantworten, wie z. B. dem Diffusionskoeffizienten und der festen Ladungsdichte in verschiedenen Zonen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie ein experimentelles Modell mit endlichem Weg verwendet, das auf der Mikrocomputertomographie des Transports von röntgendichten Molekülen basiert.Um mit der Probenvorbereitung zu beginnen, bohren Sie einen zylindrischen osteochondralen Pfropfen mit einem Durchmesser von 8,5 Millimetern aus, während Sie bei Raumtemperatur phosphatgepufferte Kochsalzlösung, PBS, auf den Bohrbereich sprühen. Stecken Sie den Plug so in einen ca. 2,5 Zentimeter langen Schrumpfschlauch, dass die Knochenschicht bündig mit dem Ende abschließt, und decken Sie dann die Knorpeloberfläche mit nasser Watte ab. Verwenden Sie dann ein Heißluftgebläse, um den Schlauch an den Seiten des Stopfens zu schrumpfen.Laden Sie ein endliches Volumen einer 420 millimolaren Ioxaglat oder Iodixanollösung auf die Knorpeloberfläche innerhalb des Schlauchs, um ein negativ geladenes bzw. neutrales gelöstes Bad vorzubereiten. Verschließen Sie das offene Ende des Rohres mit einem Korken. Legen Sie die Probe mit dem verkorkten Ende nach oben auf einen Probenhalter, der auf dem motorisierten Tisch eines Mikro-CT montiert ist.Scannen Sie über ein Sichtfeld, das den Knorpel, die subchondrale Platte und das endliche Bad enthält. Wiederholen Sie den Scan regelmäßig über die nächsten 48 Stunden oder bis sich die Kontrastmittelkonzentration im Knorpel im Laufe der Zeit nicht ändert. Registrieren Sie die 3D-Bilder in der Gerätesoftware zu unterschiedlichen Zeitpunkten relativ zum Ausgangsbild und konvertieren Sie die rekonstruierten Bilder in einen 2D-TIFF-Dateistapel.Importieren Sie die Bilder in ein Bildbearbeitungsprogramm und duplizieren Sie sie, um das Bad und den subchondralen Knochen separat zu segmentieren. Anschließend werden Löcher im subchondralen Knochen gefüllt und redundante Pixel im Bad manuell entfernt. Die resultierenden segmentierten Bad- und subchondralen Knochenbilder werden dann mathematisch addiert.Und mit dem Zauberstab-Werkzeug wird der Umriss der Knorpelmaske definiert und dem Region of Interest Manager hinzugefügt. Messen Sie den durchschnittlichen Grauwert des Knorpels. Basierend auf den Anfangskonzentrationen im Bad und im Knorpel werden die durchschnittlichen Grauwerte im Bad und im Knorpel unter Verwendung einer linearen Kalibrierkurve in die Konzentration des gelösten Stoffes umgerechnet.Plotten Sie die Konzentrationen gelöster Stoffe im Zeitverlauf. Um mit der rechnerischen Modellierung der Diffusion mit der FEBio-Software zu beginnen, erstellen Sie endliche badbasierte Knorpel-Mehrzonenmodelle, bei denen die oberflächliche Zone 20 % der Knorpeldicke, die mittlere Zone 50 % und die tiefe Zone 30 % der Knorpeldicke ausmacht. Für ein biphasisches Stoffmodell wird eine Tabelle mit den Informationen eines neutralen gelösten Stoffes erstellt. Und eine Tabelle mit den Informationen der geladenen gelösten Stoffe wird für ein multiphasisches Modell erstellt.Um die Diffusion geladener gelöster Stoffe mit dem mehrphasigen Modell zu modellieren, müssen sowohl dem Bad als auch dem Knorpel zwei monovalente Gegenionen zugesetzt werden, um die Auswirkungen der elektrischen Fluktuation zwischen dem Bad und dem Gewebe zu vermeiden. Nachdem die Knorpel- und endlichen Badzonen modelliert wurden, weisen Sie jeder Zone für das Biphasic Solute-Modell die entsprechenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften zu, nämlich den Elastizitätsmodul, die Permeabilität, die freie Diffusivität und die Diffusivität. Weisen Sie jeder Zone für das mehrphasige Modell mechanische und physikalische Eigenschaften zu, nämlich den Elastizitätsmodul, die Permeabilität, die freie Diffusivität und die Diffusivität sowie die feste Ladungsdichte.Generieren Sie als Nächstes ein trilineares hexaedrisches Elementnetz mit acht Knoten, und verfeinern Sie es in der Nähe der Grenzen. Um die Diffusion neutraler gelöster Stoffe mit dem biphasischen Modell des gelösten Stoffes zu modellieren, wenden Sie die anfängliche Konzentration des gelösten Stoffes und den effektiven Druck auf das Modell des endlichen Bades an. Führen Sie das Modell "Biphasischer gelöster Stoff" im transienten Modus aus, um Kurven zwischen Konzentration und Zeit des gelösten Stoffes basierend auf den Diffusionskoeffizienten für jede Knorpelzone zu erzeugen.Stellen Sie für das mehrphasige Modell in einem stationären Schritt die gleichen effektiven Flüssigkeitsdrücke und Konzentrationen gelöster Stoffe für den Knorpel und das endliche Bad ein, während Sie die feste geladene Dichte auf den gewünschten Wert erhöhen. In einem transienten Schritt entsteht ein gut gerührtes endliches Bad, indem der Diffusionskoeffizient im Bad ausreichend hoch gehalten wird. Injizieren Sie den gelösten Stoff aus der Badluftschnittstelle in das Bad, um den Konzentrationswert zu erreichen.Entfernen Sie dann die vorgeschriebene Randbedingung für die Konzentration des gelösten Stoffes aus dem vorherigen Schritt und setzen Sie den Diffusionskoeffizienten des endlichen Bades auf seinen tatsächlichen Diffusionskoeffizienten zurück. Führen Sie das multiphasische Modell mit einer FEBio MATLAB-Schnittstelle aus, um Kurven zur Konzentration gelöster Stoffe in Abhängigkeit von Zeit zu erhalten, die auf den angewendeten festen Ladungsdichten und den Diffusionskoeffizienten für jede Knorpelzone basieren. Mit dieser Methode wurden die Diffusionsprozesse von neutralen und anionischen Kontrastmitteln durch den Gelenkknorpel mit biphasischen gelösten bzw. multiphasischen Modellen modelliert.Beide Modelle passen gut zu den experimentellen Daten. Die Diffusionskoeffizienten des neutralen Kontrastmittels Iodixanol in verschiedenen Knorpelzonen wurden aus dem biphasischen Solute-Modell bestimmt, und die Diffusionskoeffizienten des anionischen Kontrastmittels Ioxaglat in verschiedenen Zonen wurden aus dem multiphasischen Modell bestimmt. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für die Forscher auf dem Gebiet der Gewebebiomechanik, um die diffusiven Eigenschaften von Weichgeweben mit einer Kombination aus experimentellen und computergestützten Ansätzen zu erforschen.Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man experimentelle und rechnerische Plattformen für die Diffusion durch Gelenkknorpel entwirft.

an-experimental-finite-element-protocol-to-investigate-transport

Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Ein 3D-System zur Kultivierung menschlichen Chondrozyten in ein hohes Maß an Gelenkflüssigkeit beschrieben. Synovialflüssigkeit spiegelt den natürlichen Mikroumgebung für Gelenkknorpel, und kann leicht erreicht werden und gespeichert werden. Dieses System kann daher für die Untersuchung Knorpelregeneration und zum Screening von Therapeutika zur Behandlung von Arthritis verwendet werden.

Ein 3D-System für Züchtung menschlichen Chondrozyten in der Synovialflüssigkeit

Die Knorpelreparatur stellt eine ungelöste medizinische Herausforderung dar und zellbasierte Ansätze zur Entwicklung von menschlichem Gelenkknorpel sind eine vielversprechende Lösung. Hier beschreiben wir dreidimensionale (3D) biomimetische Hydrogele als ideales Werkzeug für die Expansion und Reifung menschlicher Gelenkchondrozyten.

3D-Hydrogel Scaffolds für Articular Chondrozyten-Kultur und Knorpel-Generation

Wir präsentieren Ihnen eine Methode zur Bestimmung der räumlichen Ausdehnung der Zelle Verletzung/Tod auf die Gelenkfläche des intakten murinen Gelenke nach Anwendung der kontrollierten mechanischen Belastungen oder Auswirkungen. Diese Methode kann verwendet werden, um zu untersuchen, wie Arthrose, genetische Faktoren und/oder verschiedenen laden-Therapien die Verwundbarkeit der in Situ Chondrozyten auswirken.

Echtzeit-Visualisierung und Analyse der Knorpelzelltransplantation Verletzungen aufgrund der mechanischen Belastung in völlig intakt murinen Knorpel Explantaten

Die Untersuchung während der Arthroskopie-Chirurgie wird normalerweise durchgeführt, um den Zustand des Weichgewebes zu beurteilen, aber dieser Ansatz war immer subjektiv und qualitativ. Dieser Bericht beschreibt eine Sondierungsvorrichtung, die den Widerstand des Weichgewebes mit einem triaxialen Kraftsensor während der Arthroskopie quantitativ messen kann.

Ein Sondierungsgerät zur quantitativen Messung der mechanischen Eigenschaften von Weichgeweben während der Arthroskopie

Dieses Protokoll beschreibt die Vorbereitung, biotribologische Prüfung und Analyse von Osteochonderzylindern, die gegen Metallimplantatmaterial gleiten. Ergebnismaßnahmen, die in diesem Protokoll enthalten sind metabolische Aktivität, Genexpression und Histologie.

Biotribologische Prüfung und Analyse von Gelenkknorpel gleiten gegen Metall für Implantate

Dieses Protokoll bestimmt die Gleichgewichtsaufnahme, die Penetrationstiefe und die Nicht-Gleichgewichtsdiffusionsrate für kationische Peptidträger im Knorpel. Die Charakterisierung der Transporteigenschaften ist entscheidend für die Gewährleistung einer effektiven biologischen Reaktion. Diese Methoden können für die Entwicklung eines optimal geladenen Arzneimittelträgers zur Ausrichtung negativ geladener Gewebe angewendet werden.

Charakterisierung der Intra-Knorpel-Transporteigenschaften von Kationischen Peptidträgern

Hier präsentieren wir das zyklisch belastungsinduzierte intraartikuläre Knorpelläsionsmodell des Rattenknies, das durch 60 zyklische Kompressionen über 20 N erzeugt wird, was bei Ratten zu einer Schädigung des femoralen Kondylenknorpels führt.

Eine nicht-invasive Methode zur Erzeugung des zyklischen Belastungsinduzierten intraartikulären Knorpelläsionsmodells des Rattenknies

Hier stellen wir ein Protokoll zur Kennzeichnung von extrazellulären Vesikeln aus Thrombozytenlysat vor, um ihre Migration und Aufnahme in Knorpelexplantaten zu überwachen, die als Modell für Osteoarthritis verwendet werden.

Markierung extrazellulärer Vesikel zur Überwachung der Migration und Aufnahme in Knorpelexplantaten

Das vorliegende Protokoll beschreibt eine Reibungsprüfvorrichtung, die gleichzeitig reziprokes Gleiten und normale Belastung auf zwei sich berührende biologische Gegenflächen anwendet.

Ein Reibungsprüf-Bioreaktorgerät zur Untersuchung der Synovialgelenksbiomechanik, Mechanobiologie und physikalischen Regulation

Wir stellen detaillierte Methoden zur Generierung von vier Gewebetypen aus humanen mesenchymalen Stammzellen vor, die zur Rekapitulation von Knorpel, Knochen, Fettpolster und Synovia im menschlichen Kniegelenk verwendet werden. Diese vier Gewebe werden in einen maßgeschneiderten Bioreaktor integriert und durch Mikrofluidik miteinander verbunden, so dass ein Kniegelenk-on-a-Chip entsteht.

Erstellung eines Kniegelenk-on-a-Chips zur Modellierung von Gelenkerkrankungen und zur Erprobung von Medikamenten

Wir stellen einen Schritt-für-Schritt-Ansatz vor, um die häufigsten Probleme im Zusammenhang mit Mikroeindrücken in der Rasterkraftmikroskopie zu identifizieren und anzugehen. Wir veranschaulichen die aufkommenden Probleme an nativen menschlichen Gelenkknorpelexplantaten, die durch verschiedene Grade der Arthrose-bedingten Degeneration gekennzeichnet sind.

Auseinandersetzung mit praktischen Fragen der Rasterkraftmikroskopie-basierten Mikroeindringung an menschlichen Gelenkknorpelexplantaten

Erfahren Sie ein experimentelles und numerisches Protokoll zur Untersuchung des Molekültransports durch Gelenkknorpel. Diese Methode ermittelt Diffusionskoeffizienten und feste Ladungsdichte in verschiedenen Knorpelzonen.

Eine experimentelle und Finite-Elemente-Protokoll den Transport von neutralen und geladenen gelösten Stoffen durch Gelenkknorpel zur Untersuchung (Video) | JoVE Journal

Eine experimentelle und Finite-Elemente-Protokoll den Transport von neutralen und geladenen gelösten Stoffen durch Gelenkknorpel zur Untersuchung

Weitere Videos entdecken