Un dispositivo de prueba de fricción-biorreactor para el estudio de la biomecánica de la articulación sinovial, la mecanobiología y la regulación física

Tradicionalmente, hemos utilizado el probador para estudiar tejidos no vivos para calcular los coeficientes de fricción, pero estamos ampliando significativamente las capacidades del probador para probar tejidos vivos y evaluar las interacciones biológicas. El dispositivo de prueba de fricción ofrece movimiento de traducción recíproco y carga compresiva a las superficies de contacto de los explantes de tejido vivo. El dispositivo es modular, lo que permite la prueba de varias contrafaces biológicas.

El método podría proporcionar información sobre cómo las fuerzas de fricción afectan las respuestas mecánicas y mecánicasobiológicas del cartílago vivo y la membrana sinovial, lo que puede conducir a nuevas estrategias para mantener la salud de las articulaciones. Comience por cosechar la sinovial bovina juvenil. Usando una cuchilla de bisturí, trace el contorno de la región sinovial de interés.

Usando fórceps, agarre un extremo de la membrana sinovial y levante suavemente para estirar la sinovial distal al hueso subyacente. Use una cuchilla de bisturí para extraer la membrana sinovial del hueso y coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. Luego, cosecha el cartílago bovino juvenil asegurando la tibia en un soporte ajustable.

Retire el menisco con cuidado mientras evita el contacto con la superficie del cartílago. En los bordes externos de la meseta tibial, use un cortador de caja para cortar perpendicularmente al cartílago hacia el hueso. Corte completamente a través del cartílago para hacer bordes o lados rectos.

Eliminar el exceso de tejido. En los bordes exteriores, use el cortador de caja para hacer un corte limpio en la interfaz entre el hueso y el cartílago. Para retirar la tira tibial de la superficie de la meseta, inserte suavemente un destornillador de cabeza plana debajo del corte y gire suavemente para aflojar el cartílago articular del hueso subcondral.

A medida que la muestra se afloje, empuje lentamente el destornillador hacia adelante hasta que la tira de cartílago se desprenda del hueso. Asegúrese de que el destornillador se empuje hacia el hueso, no hacia el cartílago. Usando un cortador de caja, corte la superficie de la meseta tibial para producir muestras rectangulares del tamaño y grosor deseados.

Coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. Si se utiliza la tira tibial como contracara inferior, retire la base magnética desmontable y pegue una placa de Petri de 60 milímetros de diámetro a la superficie superior de la base desmontable. Con la placa de Petri pegada en su lugar, conecte la base separada a la base fija y marque la placa de Petri para indicar una dirección de deslizamiento.

Aplique una pequeña cantidad de cianoacrilato en el centro del plato. Alinea la tira tibial con la dirección deslizante del escenario. Presione suavemente la tira de cartílago sobre el plato.

Restaure la base magnética extraíble a su base fija emparejada en el probador de fricción. Llene la placa de Petri con la solución de baño de prueba deseada. Si se utiliza la membrana sinovial como contracara superior, retire la placa de carga y la varilla de soporte del probador de fricción.

Coloque la membrana sinovial encima de la placa circular. Para asegurar la membrana sinovial, extienda una junta tórica sobre su circunferencia. Usando fórceps, tire suavemente de la membrana sinovial para estirar el tejido tenso y plano debajo de la junta tórica.

Recorte el exceso de tejido con tijeras quirúrgicas. Restaure la placa de carga y la varilla de soporte en el probador de fricción. Ajuste la altura vertical de la placa de carga de modo que la membrana sinovial se desplace sobre la contracara inferior y se sumerja en el baño de prueba.

Inserte las muestras montadas en el dispositivo de prueba de fricción. Abra la compilación de datos analógicos MF DAQ. Inicialice Load PID y Trigger Dynamic Caller Windows en el programa.

Ejecute la compilación de datos analógicos MF DAQ e inicialice la ventana de carga PID presionando el botón Ejecutar. Desplácese hasta la pestaña Stepper en la ventana Trigger Dynamic Caller. Especifique la aceleración, la velocidad y la distancia de la etapa de traducción en los cuadros de entrada del usuario.

Para ingresar la duración de la prueba, haga clic en el botón Abrir carpeta en la parte inferior derecha de la tabla Estado de tiempo y seleccione la ruta del archivo Stepper Time Index. A continuación, especifique de nuevo la duración de la prueba en la pestaña Bobina de voz. Seleccione la ruta del archivo voice coil index haciendo clic en el botón Abrir carpeta en la parte inferior derecha de la tabla de estado de tiempo y seleccione el archivo.

Esto debe realizarse tanto si se utiliza la bobina de voz como si no. Aplicar la carga normal. Si utiliza pesos muertos, coloque los pesos deseados en los rodamientos lineales por encima de la placa de carga.

Asegúrese de que la carga aplicada más el peso de la placa de carga y la varilla de soporte no superen la capacidad nominal de la célula de carga. Seleccione la ruta de acceso y el nombre de archivo para el almacenamiento de datos mediante el botón Abrir carpeta a la derecha del cuadro Derecho a archivo. Guarde el archivo con una extensión txt.

Centra la contracara inferior debajo de la contracara superior y configúrala como la posición cero X. Para ello, ejecute la ventana Trigger Dynamic Caller pulsando el botón Ejecutar. En la pestaña Stepper, haga clic en el botón Inicio para mover el escenario a la última posición X cero guardada.

Si las contracaras no están alineadas, mueva el escenario haciendo clic en los botones verdes de flecha izquierda y derecha. Cuando se alcance la ubicación deseada, haga clic en el botón cero para guardar la ubicación actual de la etapa como la nueva posición cero X. Detenga la ventana Trigger Dynamic Caller haciendo clic en el botón Detener.

Una vez que las contrafaces superior e inferior estén centradas, inicie las pruebas de fricción de las muestras iniciando el movimiento cíclico de la etapa. Una vez que el escenario se mueva, ponga lentamente la contracara superior en contacto con la inferior. Deje que se ejecute la prueba, recopilando los datos de la prueba de fricción.

Después de la duración de la prueba deseada, detenga la prueba presionando el botón Detener y descargando las muestras levantando la contracara superior y moviéndola fuera de contacto con la contracara inferior. Utilice el código personalizado para calcular el coeficiente de fricción y la histéresis por ciclo. Asegúrese de que una sola carpeta contenga todos los archivos relevantes.

Abra la ejecución Ciclo de fricción. m archivo. Haga clic en el botón Ejecutar en el script.

Seleccione el archivo de datos sin procesar que desea analizar y la ubicación de guardado deseada. El coeficiente de fricción y los gráficos de histéresis serán emitidos por MATLAB. Se utilizó una configuración de sinovial sobre cartílago para probar la fricción de explantes bovinos juveniles donde la membrana sinovial se montó en una placa de carga acrílica de 10 milímetros de diámetro de tal manera que la capa íntima estuviera en contacto con el cartílago subyacente.

Se utilizó una tira tibial como contracara del cartílago. Se calculó un coeficiente de fricción efectivo a partir del promedio de FT dividido por FN durante cada ciclo alternativo y luego se graficó contra la duración de la prueba para obtener un diagrama de coeficiente de fricción contra tiempo. Para cada prueba, los valores del coeficiente de fricción se promediaron durante toda la prueba.

En un baño de prueba de PBS, los valores promedio del coeficiente de fricción aumentaron a medida que aumentaba la tensión de contacto. Por el contrario, los valores promedio del coeficiente de fricción se mantuvieron similares a medida que aumentaba la tensión de contacto en un baño de líquido sinovial bovino. Recuerde comenzar a recopilar datos de carga antes de poner las superficies en contacto.

Esto garantiza que se pueda calcular una carga de tara adecuada. Los componentes de los tejidos y del baño lubricante se pueden evaluar antes y después de las pruebas para evaluar los cambios biológicos impartidos por un régimen experimental determinado.