Name: Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Découvrez un protocole expérimental et par éléments finis pour étudier le transport des solutés dans le cartilage articulaire. Cette méthode combine micro-tomographie et modélisation numérique pour mesurer les coefficients de diffusion et la densité de charge fixe.

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Les auteurs tiennent à exprimer leur gratitude à M. Jeroen van den Berg et M. Matthijs Wassink du groupe mécanique de développement à UMC Utrecht pour leur aide dans le processus d&#39;emballage des bouchons ostéochondrales. Ce travail a été soutenu par une subvention de la Fondation néerlandaise de l&#39;arthrite.

NOTE: Le protocole présenté ici est adopté des procédures expérimentales et de calcul des travaux de recherche récents 6, 8, 9. Le protocole est illustré sur la figure 1. Les matériaux cadavériques ont été recueillies avec la permission de faculté de médecine vétérinaire de l'Université d'Utrecht. 1. Préparation d'échantillon et Bain <ol><li> Percer des bouchons cylindriques ostéochondrales (diamètre de 8,5 mm) à partir de condyles fémoraux équins cadavériques à l' aide du foret sur mesure (figure 1) pendant la pulvérisation fraîche salée tamponnée au phosphate (PBS) afin d' empêcher une surchauffe et des lésions du cartilage ultérieur. </li><li> Thermorétractables les bouchons ostéochondrales avec un manchon en matière plastique pour réduire au minimum le rétrécissement de la diffusion latérale du bain de superposition. <ol><li> Monter le bouchon ostéochondrale avec cartilage à ee initialement supérieure à l'intérieur du manchon en matière plastique et le rétrécissement suivi par soufflage d'air chaud à elle. Ajouter les morceaux de coton humide sur la surface du cartilage pour prévenir les dommages liés à la chaleur. </li></ol></li><li> Préparer des bains finies de charge (par exemple, 650 ul, 420 mM, ioxaglate, poids moléculaire (MW) = 1269 Da, la charge = -1) et de neutre (650 ul, 420 mM, iodixanol, MW = 1550 Da) solutés séparément. </li><li> Charger le fini des bains préparés sur la surface du cartilage en utilisant une seringue et placer un bouchon de liège sur l'échantillon enveloppé pour empêcher l' évaporation au cours d' expériences à la température ambiante (Figure 2A). Pour étudier le transport de soluté neutre, placez le bain de iodixanol et d'étudier le bain de lieu de transport de soluté ioxaglate chargé négativement sur la surface du cartilage. </li></ol> 2. Imagerie et traitement d'image <ol><li> Placer les échantillons enveloppés isolé avec bouchon de liège sur un support sur mesure fixée à la platine motorisée d'un micro-CT. lieu til échantillon de telle sorte que la surface couverte de cartilage avec une solution d'agent de contraste est tourné vers le haut. </li><li> Numériser à l' aide du micro-CT (taille de voxel de 40 x 40 x 40 pm 3, temps de cycle de 2 min, la tension de tube de 90 kV et un courant de tube de 180 uA) un champ de vision constitué de cartilage, la plaque sous - chondrale, et finie bain dans plusieurs points de temps jusqu'à ce que l' état d'équilibre (48 h) est atteinte (figure 2A). L'état d'équilibre est atteint lorsque les valeurs de concentration ne changent pas au fil du temps. </li><li> Enregistrez les images 3D dans différents points de temps en fonction de l'image initiale pour faciliter le positionnement de la région d'intérêt (ROI) en utilisant le logiciel du fabricant (par exemple, Analyser). </li><li> Convertir la 3D reconstruit des images micro-CT en 2D Tagged Image pile Format de fichier (TIFF) avant de les traiter en utilisant le logiciel du fabricant. </li><li> Globalement segment (ImageJ&gt; Régler&gt; Threshold) le cartilage de l'os sous-chondral et plusbain couché dans le logiciel. </li><li> Obtenir la valeur de gris moyenne de cartilage à différents points dans le temps (ImageJ&gt; Analyse&gt; Mesure) en utilisant le masque de cartilage généré à l'étape précédente. </li><li> Compte tenu de la concentration du bain initial et la concentration initiale d'agent de contraste dans le cartilage, en utilisant une courbe d'étalonnage linéaire pour convertir les valeurs de gris moyennes de la concentration réelle de solutés. Des données antérieures soutiennent le fait que les valeurs de gris de maintenir une relation linéaire avec la concentration des agents de contraste. </li><li> Tracer les concentrations de soluté par rapport à des points de temps expérimentaux. </li></ol> 3. Modélisation informatique REMARQUE: La diffusion de ce problème est supposée avoir lieu en 1D (le long de l'axe z), qui est conforme à la condition de limite expérimentale. Par conséquent, la géométrie peut être arbitrairement créé. <ol><li> Construire le cartilage à base de bain fini modèles multi-zones: 1) le cartilage consistant zone superficielle (20% de l'épaisseur du cartilage totale), d'une zone médiane (50% de l'épaisseur du cartilage total) et zone profonde (30% de l'épaisseur du cartilage totale) 12 et 2) la baignoire finie dans Febio 13, 14 (figure 2B). </li><li> Affecter les propriétés mécaniques et physiques des différentes zones du cartilage et bain Febio. le module de Young (10 MPa) a été supposée être suffisamment élevée pour résister à la pression osmotique exercée par le bain de recouvrement et donc de protéger le cartilage de déformations excessives. <ol><li> Utiliser une perméabilité hydraulique de 10 -3 mm 4 / Ns et le coefficient de Poisson de 0. Utilisation coefficient de diffusion du soluté réelle du bain dans les simulations 8, 9. </li></ol></li><li> Générer un maillage (éléments hexaédriques trilinéaire 8-node) et l' affiner près des limites (figure 2B)class = "xref"&gt; 8, 9. </li><li> modèle biphasé-soluté <ol><li> Appliquer la concentration initiale du soluté dans le bain et une pression efficace qui lui correspond. Regardez la description de la pression effective dans 9, 15. </li><li> Exécuter le modèle en mode transitoire pour obtenir la concentration du soluté en fonction des courbes de temps en fonction des coefficients de diffusion prescrites dans les différentes zones du cartilage. </li></ol></li><li> modèle multiphasique REMARQUE: La fluctuation électrique entre le bain et le tissu peut être contourné en ajoutant deux contre-ions monovalents à la fois le bain et le tissu. <ol><li> Pour les modèles de régime permanent: utiliser les mêmes pressions et concentrations efficaces de fluide dans le cartilage et le bain sus-jacente tout en augmentant la FCD à sa valeur souhaitée. </li><li> Pour les modèles transitoires: créer un bien agité bain fini en gardant le coefficient de diffusion du soluté dans le bain suffisamment élevé. injecter lasoluté à partir de l'interface bain-air dans le bain d'atteindre sa valeur de concentration souhaitée. </li><li> Transient: supprimer la condition aux limites de concentration de soluté prescrite à l'étape précédente et rétablir le coefficient de diffusion du bain-fini à son coefficient de diffusion effective. </li><li> Exécuter le modèle pour obtenir des courbes concentration-temps soluté à base de DCP appliqués et des coefficients de diffusion dans les différentes zones du cartilage. </li></ol></li><li> Interface Febio-Matlab <ol><li> Élaborer un code MATLAB pour effectuer automatiquement la simulation dans les courbes concentration-temps Febio et terrain (interface Febio-Matlab) 8, 9. </li><li> Modifier les coefficients de diffusion et dans les zones de FCD cartilage en utilisant l'interface Febio-Matlab. Exécuter des modèles en Febio et extraire des courbes concentration-temps de soluté 8, 9. </li><li> Comparer les courbes concentration-temps soluté obtenu à l'approche expérimentaledonnées et obtenir des ensembles de coefficients de diffusion et DCP dans différentes zones de cartilage à base de racine erreur quadratique moyenne minimale (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg"> Figure 1: Configuration expérimentale. A) la procédure d'extraction de l' échantillon à l' aide d' un foret sur mesure. B) procédure d'imagerie Micro-CT pour surveiller processus de diffusion. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg"> Figure 2: Schéma.A) La conception expérimentale. B) modèle informatique multi-zone constituée du bain fini, les zones superficielles, moyennes et profondes du cartilage et maillage associé. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</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>

Les auteurs n&#39;ont rien à dévoiler.

Nous avons présenté un protocole expérimental associé à une procédure de modélisation par éléments finis pour étudier la diffusion de solutés neutres et chargés à travers le cartilage articulaire. Selon nos études récentes, les modèles proposés pourraient décrire avec précision le transport des deux solutés neutres (biphasé-soluté) et chargés négativement (multiphasique) dans les différentes zones du cartilage articulaire 8, 9. Il est largement admis que le cart...

<html> Le transport moléculaire joue un rôle essentiel dans l&#39;homéostasie des joints d&#39; articulation, la livraison d&#39;agents thérapeutiques pour le cartilage articulaire et de l&#39; imagerie du cartilage contraste amélioré 1, 2, 3. Des facteurs tels que l&#39; intégration du cartilage et intact, la charge du soluté et la taille ainsi que l&#39; osmolalité et la concentration du bain en contact avec le cartilage peut influencer le taux de transport 4, 5, 6. Le transport de solutés, soit neutres ou chargés, peut être différente entre les zones de cartilage articulaire, parce que chaque zone est constituée de différentes concentrations et les orientations de grandes molécules de la matrice extracellulaire, à savoir les protéoglycanes (PG) et le collagène de type II 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Plus important encore , le transport des solutés charge peut être fortement dépendante de la concentration de protéoglycanes comportant des charges négatives fixes au sein de la matrice extracellulaire qui augmente à travers le cartilage articulaire 8, 9. Ces paramètres particulièrement la densité de charge fixe (FCD), l&#39;orientation des fibrilles de collagène et de la variation de la teneur en eau dans le cartilage peuvent subir des altérations de l&#39;arthrose (OA) progresse, signifiant ainsi l&#39;importance d&#39;étudier la diffusion à travers le cartilage. Dans la présente étude, un protocole basé sur une enquête préalable des études expérimentales et informatiques établis 6, 8, 9 est proposé de précision diffusion dans différentes conditions aux limites en utilisant des solutés neutres et chargés dans un modèle bain fini de diffusion. Til a proposé des procédés de formation d&#39;image sont composées de micro-tomographie par ordinateur (micro-CT) d&#39;un système comprenant le cartilage et un bain-fini supporté par biphasique-soluté avancée et multiphasiques modèles d&#39;éléments finis. Ces modèles permettent d&#39;obtenir les coefficients de diffusion des molécules neutres et chargées, ainsi que dans diverses zones FCD du cartilage articulaire. L&#39;utilisation de ces modèles, on peut acquérir une meilleure compréhension du comportement des molécules diffusantes neutres et chargées qui pourraient être utilisés pour étudier les interactions entre le cartilage et superposant bain fini.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Produit de contraste chargé négativement</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE healthcare</td><td>12570511</td><td>Agent de contraste Nuetral</td></tr><tr><td>PBS (Phosphate-buffered Saline)</td><td>Life technologies</td><td>10010023</td><td></td></tr><tr><td>Micro-CT</td> moyen <td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Monitoring</td></tr><tr><td>diffusion Osmomètre à point de congélation</td><td>Advanced instruments</td><td></td><td>Mesure de l’osmolalité de la solution</td></tr></tbody></table>

un expérimental et finite element protocole pour enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans cartilage articulaire

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

<html> L&#39;arthrose (OA) est une maladie débilitante qui est associée à la dégénérescence du cartilage articulaire et de l&#39;os sous-chondral. La dégénérescence du cartilage articulaire altère sa fonction de support de charge sensiblement comme il subit une dégradation chimique considérable, à savoir la perte et la perturbation de fibrilles de collagène protéoglycane. Un bon moyen d&#39;enquêter sur les mécanismes d&#39;endommagement chimique au cours de l&#39;arthrose est d&#39;exposer les échantillons de cartilage à un soluté externe et contrôler la diffusion des molécules. Le degré de dégradation du cartilage ( à savoir la concentration et la configuration des macromolécules essentielles) est associée à la perte d&#39;énergie de collision de solutés externes tout en se déplaçant à travers le cartilage articulaire crée différentes caractéristiques de diffusion par rapport à un cartilage sain. Dans cette étude, nous présentons un protocole, qui se compose de plusieurs étapes et est basée sur les micro-C expérimental développé précédemment14px; &quot;&gt; omputed T omography (micro-CT) et la modélisation par éléments finis Le transport des molécules iodées chargées et non chargées est d&#39; abord enregistrée à l&#39; aide de micro-CT, qui est suivie par l&#39; application de modèles d&#39;éléments biphasique-soluté et multiphasiques finis pour obtenir des coefficients de diffusion. et des densités de charge fixe à travers des zones de cartilage.

Les résultats représentatifs fournis ici sont adoptés de documents de recherche précédents 6, 8, 9, 16. Dans l' arthrose, le cartilage articulaire subit des changements importants surtout la perte GAG, et les dommages fibrillaire de collagène 17, <...

Nous vous proposons un protocole d&#39;enquêter sur le transport des molécules chargées et non chargées dans le cartilage articulaire à l&#39;aide de méthodes expérimentales et numériques récemment mis au point.

Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire

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

L’objectif général de cette procédure est d’étudier le transport de molécules chargées et non chargées à travers le cartilage articulaire à l’aide de méthodes expérimentales et numériques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés liées aux propriétés physiques du cartilage articulaire, telles que le coefficient de diffusion et la densité de charge fixe dans différentes zones. Le principal avantage de cette technique est qu’elle adopte un modèle expérimental à chemin fini basé sur la tomographie par micro-ordinateur du transport des molécules radio-opaques.Pour commencer la préparation de l’échantillon, percez un bouchon ostéochondral cylindrique de 8,5 millimètres de diamètre tout en pulvérisant une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) à température ambiante sur la zone de forage. Insérez le bouchon dans une gaine thermorétractable d’environ 2,5 centimètres de long de manière à ce que la couche osseuse affleure l’extrémité, puis couvrez la surface du cartilage avec du coton humide. Ensuite, utilisez un pistolet à air chaud pour rétrécir le tube sur les côtés du bouchon.Chargez un volume fini d’une solution d’ioxaglate ou d’iodixanol de 420 millimolaires sur la surface du cartilage à l’intérieur de la tubulure pour préparer un bain de soluté chargé négativement ou neutre, respectivement. Scellez l’extrémité ouverte du tube avec un bouchon. Placez l’échantillon avec l’extrémité bouchée vers le haut sur un porte-échantillon monté sur la platine motorisée d’un micro-CT.Balayage sur un champ de vision contenant le cartilage, la plaque sous-chondrale et le bain fini. Répétez l’examen périodiquement au cours des 48 prochaines heures ou jusqu’à ce que la concentration d’agent de contraste dans le cartilage ne change pas au fil du temps. Dans le logiciel de l’instrument, enregistrez les images 3D à différents points temporels par rapport à l’image initiale et convertissez les images reconstruites en une pile de fichiers TIFF 2D.Importez les images dans un programme de traitement d’images et dupliquez-les pour segmenter séparément le bain et l’os sous-chondral. Ensuite, les trous dans l’os sous-chondral sont remplis et les pixels redondants dans le bain sont supprimés manuellement. Les images segmentées du bain et de l’os sous-chondral qui en résultent sont ensuite ajoutées mathématiquement.Et à l’aide de l’outil baguette, le contour du masque cartilagineux est défini et ajouté au gestionnaire de régions d’intérêt. Mesurez la valeur moyenne de gris du cartilage. Sur la base des concentrations initiales dans le bain et le cartilage, convertissez les valeurs de gris moyennes dans le bain et le cartilage en concentration de soluté à l’aide d’une courbe d’étalonnage linéaire.Tracez les concentrations de soluté au fil du temps. Pour commencer la modélisation computationnelle de la diffusion à l’aide du logiciel FEBio, construisez des modèles multizones cartilagineux à bain fini où la zone superficielle comprend 20 % de l’épaisseur du cartilage, la zone médiane représente 50 % et la zone profonde représente 30 %. Et une table contenant les informations des solutés chargés est créée pour un modèle multiphasique.Pour modéliser la diffusion des solutés chargés avec le modèle multiphasique, il faut ajouter deux contre-ions monovalents à la fois au bain et au cartilage pour éviter les effets de fluctuation électrique entre le bain et le tissu. Une fois que les zones de cartilage et de bain fini ont été modélisées, attribuez les propriétés mécaniques et physiques correspondantes, à savoir le module de Young, la perméabilité, la diffusivité libre et la diffusivité à chaque zone pour le modèle de soluté biphasique. Attribuez des propriétés mécaniques et physiques, à savoir le module de Young, la perméabilité, la diffusivité libre et la diffusivité, ainsi qu’une densité de charge fixe à chaque zone pour le modèle multiphasique.Ensuite, générez un maillage d’élément hexaédrique trilinéaire à huit nœuds et affinez-le près des limites. Pour modéliser la diffusion de solutés neutres avec le modèle biphasique des solutés, appliquez la concentration initiale de soluté et la pression effective au modèle à bain fini. Exécutez le modèle de soluté biphasique en mode transitoire pour produire des courbes de concentration de soluté en fonction du temps basées sur les coefficients de diffusion de chaque zone cartilagineuse.Pour le modèle multiphasique à l’état stationnaire, réglez les mêmes pressions de fluide effectives et les mêmes concentrations de soluté pour le cartilage et le bain fini tout en augmentant la densité de charge fixe à la valeur souhaitée. Dans une étape transitoire, créez un bain fini bien agité en maintenant le coefficient de diffusion dans le bain suffisamment élevé. Injecter le soluté de l’interface air-bain dans le bain pour atteindre la valeur de concentration.Ensuite, supprimez la condition limite de concentration de soluté prescrite de l’étape précédente et rétablissez le coefficient de diffusion du bain fini à son coefficient de diffusion réel. Exécutez le modèle multiphasique à l’aide d’une interface MATLAB FEBio pour obtenir des courbes de concentration de soluté en fonction du temps basées sur les densités de charge fixes appliquées et les coefficients de diffusion pour chaque zone cartilagineuse. À l’aide de cette méthode, les processus de diffusion d’agents de contraste neutres et anioniques à travers le cartilage articulaire ont été modélisés avec des modèles biphasiques solutés et multiphasiques respectivement.Les deux modèles s’intègrent bien aux données expérimentales. Les coefficients de diffusion de l’agent de contraste neutre, l’iodixanol, dans différentes zones cartilagineuses ont été déterminés à partir du modèle biphasique Soluté, et les coefficients de diffusion de l’agent de contraste anionique, l’ioxaglate, dans différentes zones ont été déterminés à partir du modèle multiphasique. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la biomécanique tissulaire pour explorer les propriétés diffusives des tissus mous en utilisant une combinaison d’approches expérimentales et computationnelles.Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de concevoir des plates-formes expérimentales et computationnelles concernant la diffusion à travers le cartilage articulaire.

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