Article de méthode

Un dispositif de bioréacteur d’essai de friction pour l’étude de la biomécanique des articulations synoviales, de la mécanobiologie et de la régulation physique

DOI :

10.3791/63880

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2 juin 2022

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

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

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Le présent protocole décrit un dispositif d’essai de frottement qui applique simultanément un glissement réciproque et une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact.

Résumé

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Dans l’arthrose primaire (OA), l’usure normale associée au vieillissement inhibe la capacité du cartilage à maintenir ses fonctions de charge et de lubrification, favorisant un environnement physique délétère. Les interactions frictionnelles du cartilage articulaire et de la synoviale peuvent influencer l’homéostasie articulaire par l’usure au niveau tissulaire et la mécanotransduction cellulaire. Pour étudier ces processus mécaniques et mécanobiologiques, un dispositif capable de reproduire le mouvement de l’articulation est décrit. Le dispositif d’essai de frottement contrôle la livraison d’un mouvement de traduction réciproque et d’une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact. Cette étude adopte une configuration synoviale sur cartilage, et des mesures de coefficient de frottement sont présentées pour les tests effectués dans un bain de solution saline tamponnée au phosphate (PBS) ou de liquide synovial (SF). Les essais ont été effectués pour une gamme de contraintes de contact, mettant en évidence les propriétés lubrifiantes du SF sous des charges élevées. Ce dispositif de test de friction peut être utilisé comme bioréacteur biomimétique pour étudier la régulation physique des tissus articulaires vivants en réponse à la charge physiologique appliquée associée à l’articulation de l’articulation de l’articulation diarthrodienne.

Introduction

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L’arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative débilitante qui touche plus de 32 millions d’adultes américains, avec un coût sanitaire et socio-économique de plus de 16,5 milliards de dollars1. La maladie a été classiquement caractérisée par la dégradation du cartilage articulaire et de l’os sous-chondral; cependant, les changements apportés à la synoviale ont récemment été appréciés, car la synovite a été liée aux symptômes et à la progressionde l’arthrose 2,3,4. Dans l’arthrose primaire (idiopathique), l’usure normale associée au vieillisse....

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Protocole

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Des articulations juvéniles du genou de bovins, obtenues dans un abattoir local, ont été utilisées pour la présente étude. Les études portant sur de tels échantillons de bovins sont exemptées du Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

1. Conception du dispositif de test de frottement

REMARQUE : Une représentation schématique du dispositif d’essai de frottement est illustrée à la figure 1. L’appareil est construit sur une plaque de base rigide (non montrée), qui sert de plate-forme pour le support structurel.

  1. Fixez un moteur pas à pas à....

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Résultats

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Une configuration synoviale sur cartilage a été utilisée pour tester le frottement des explants bovins juvéniles. La synoviale était montée sur une plaque de chargement acrylique de 10 mm de diamètre de telle sorte que la couche intimale soit en contact avec le cartilage sous-jacent. Une bande tibiale a été utilisée comme contre-face cartilagineuse (figure 6A). Les bandes tibiales ont été découpées avec une profondeur d’environ 1,4 mm et une taille de 10 mm x 30 mm. Les échantillons ont été .......

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Discussion

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Un environnement mécanique dynamique existe dans l’articulation car le cartilage est soumis à des forces de compression, de traction et de cisaillement, ainsi qu’à des pressions hydrostatiques et osmotiques44,45. Bien que le cartilage soit le principal tissu porteur de l’articulation, la synoviale subit également des interactions de friction avec la surface du cartilage et avec elle-même dans les régions où le tissu se plie. Les interactions physiques entre le ca.......

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Ce travail a été soutenu par l’Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 et NIGMS R01 692 GM083925 (ID du bailleur de fonds: 10.13039/100000057).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Feuilled’aluminium Reynolds Group HoldingsReynolds Wrap Récolte detissus stériles
Boîtier en acrylique à cadre en aluminium Fabricationsur mesureComposant
de testeur de friction Autoclavable Sachets de stérilisation à fermeture instantanéeFisherbrand01-812-54Stérilisation des outils
AutoclaveBuxtonStérilisation des outils
Bécher (250 mL)Pyrex Vista70000Récolte de tissus
Bétadine (solution de préparation d’iode de povidone)Medline Industries, LPMDS093906Récolte de tissus stériles
Armoire de sécurité biologiqueLabconcoPurifier Logic+ Classe II, Type A2 BSCRécolte de tissus stériles
Poinçon bioespionSteritool Inc.50162Récolte de tissus
Coupe-boîteAmerican Safety Razor Company94-120-71Récolte de tissus
Tige circulaire en acrylique-sillicone (synoviale)Montage de tissussur
Supports de cultureDMEM sur(N° de catalogue 11-965-118 ; Gibco) complété par 50 &mu ; g/mL de L-proline (cat. N° P5607 ; Sigma), 100 &mu ; g/mL de pyruvate de sodium (Cat. N° S8636 ; Sigma), 1 % ITS (cat. n° 354350 ; Corning), et 1 % d’antibiotiques. antimycosique (cat. N° 15-240-062, Gibco)
Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear)Henkel135455Montage de tissus
Poids mortsOHAUSCharge normale
Éthanol 200 proofDecon Labs, Inc.2701Dilué à 70 %
Base fixeThorLabs, Inc.SB1TComposant du testeur de friction
Pince (récolte de synoviale)Fine Science Tools11019-12Pince de prélèvement de tissus
(montage de synoviale)Excelta3C-S-PIMontage de tissus
Codeur linéaire horizontal (pour la platine de translation)RSF Electronics, Inc.MSA 670.63Composant du testeur de frottement ; résolution du système de 1 & micro ; m
Pistolet à colle chaude et colleFPC CorporationSurebonder Pro 4000AMontage de tissus
LabVIEWNational Instruments CorporationLabVIEW  ; 2010Programme d’essais de frottement
Capteur de chargeJR3 Inc.20E12A-M25BComposant du testeur de friction ; résolution de 0,0019 lb en x & y, 0.0038 lbs résolution en z
Plateau de chargementMontage de tissu sur
Joint toriqueParkerS1138AS568-009Montage de tissu
Boîte de Pétri (60 mm)Falcon351007Montage de tissu
PivotLok Work Positioner (support de tibia)Industry Depot, Pivot LokPL325Récolte de tissu
Base amovibleThorLabs, Inc. SB1BComposant du testeur
de friction Supportd’anneau
Lames de scalpelHavel’s Inc.FSC22Récolte de tissus
Manche de scalpelFEATHER Safety Razor Co., Ltd.N° 4Tournevis de prélèvement
de tissus Wera3334Étape de prélèvement de tissus
JMARComposant du testeur de friction
Moteur pas à pasOriental Motor Co., Ltd.PK266-03BComposant du testeur
de friction Outil d’aspirationVirtual Industries, Inc.PEN-VAC Stylo à videMontage des tissus
Tige de supportMontage des tissus sur
Ciseaux chirurgicauxOutils scientifiques fins14061-09Montage des tissus
Fluide synovial (bovin)Animal Technologies, Inc.Bain d’essai
Bain d’essaisuravec inhibiteurs de protéase : 0,04 % de biocide à base d’isothiazolone (Proclin 950 Cat. n° 46878-U ; Sigma) et inhibiteur de protéase à 0,1 % - 0,05 M d’acide éthylènediaminetétraacétique, EDTA (Cat. N° 0369 ; Sigma)
Incubateur de culture tissulaireFisher ScientificIsotempCulture stérile
Codeur linéaire vertical (pour l’étage de chargement)RenishawT1031-30AComposant du testeur de friction ; résolution 20 nm
Actionneur de bobine mobileH2W TechnologiesNCC20-15-027-1RCComposant du testeur de friction
mesure mesure mesure Récolte de tissusmesure Saline tamponnée au phosphate (PBS) mesure

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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Mots-clés

Dispositif de mesure du frottementm canobiologie du cartilageinteraction synovium cartilagemesure du coefficient de frottementlubrification articulairecartilage articulairebain de liquide synovialtest d explants tissulaires

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