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

Traditionnellement, nous avons utilisé le testeur pour étudier les tissus non vivants afin de calculer les coefficients de frottement, mais nous élargissons considérablement les capacités du testeur à tester les tissus vivants et à évaluer les interactions biologiques. Le dispositif d’essai de frottement fournit un mouvement de traduction réciproque et une charge de compression aux surfaces de contact des explants de tissus vivants. L’appareil est modulaire, permettant de tester diverses contre-faces biologiques.

La méthode pourrait fournir un aperçu de la façon dont les forces de friction affectent les réponses mécaniques et mécaniques du cartilage vivant et de la synoviale, ce qui pourrait conduire à de nouvelles stratégies pour maintenir la santé des articulations. Commencez par récolter la synoviale bovine juvénile. À l’aide d’une lame de scalpel, tracez le contour de la région synoviale d’intérêt.

À l’aide d’une pince, saisissez une extrémité de la synoviale et soulevez doucement pour étirer la synoviale distale jusqu’à l’os sous-jacent. Utilisez une lame de scalpel pour retirer la synoviale de l’os et placez le tissu dans un milieu de culture approprié ou une solution de bain d’essai. Récoltez ensuite le cartilage bovin juvénile en fixant le tibia dans un support réglable.

Retirez soigneusement le ménisque tout en évitant tout contact avec la surface du cartilage. Sur les bords externes du plateau tibial, utilisez un coupe-boîte pour couper perpendiculairement au cartilage vers l’os. Coupez complètement à travers le cartilage pour faire des bords ou des côtés droits.

Enlevez l’excès de tissu. Sur les bords extérieurs, utilisez le coupe-boîte pour faire une coupe nette à l’interface entre l’os et le cartilage. Pour retirer la bande tibiale de la surface du plateau, insérez doucement un tournevis à tête plate sous la coupe et tournez doucement pour desserrer le cartilage articulaire de l’os sous-chondral.

Au fur et à mesure que l’échantillon se desserre, poussez lentement le tournevis vers l’avant jusqu’à ce que la bande de cartilage se détache de l’os. Assurez-vous que le tournevis est poussé vers l’os, et non vers le cartilage. À l’aide d’un coupe-boîte, coupez la surface du plateau tibial pour produire des échantillons rectangulaires de la taille et de l’épaisseur souhaitées.

Placer les tissus dans un milieu de culture approprié ou tester la solution de bain. Si la bande tibiale est utilisée comme contre-face inférieure, retirez la base magnétique détachable et collez une boîte de Petri de 60 millimètres de diamètre sur la surface supérieure de la base détachable. Une fois la boîte de Petri collée en place, fixez la base détachée à la base fixe et marquez la boîte de Petri pour indiquer une direction de glissement.

Appliquez une petite quantité de cyanoacrylate au centre du plat. Alignez la bande tibiale avec la direction de glissement de la scène. Appuyez doucement sur la bande de cartilage sur le plat.

Restaurez la base magnétique amovible sur sa base fixe appariée dans le testeur de friction. Remplissez la boîte de Petri avec la solution de bain d’essai souhaitée. Si la synoviale est utilisée comme contre-face supérieure, retirez la plaque de chargement et la tige de support du testeur de friction.

Placez la synoviale sur le dessus de la plaque circulaire. Pour sécuriser la synoviale, étalez un joint torique sur sa circonférence. À l’aide d’une pince, tirez doucement sur la synoviale pour étirer le tissu tendu et plat sous le joint torique.

Couper l’excès de tissu avec des ciseaux chirurgicaux. Restaurez la plaque de chargement et la tige de support sur le testeur de friction. Ajustez la hauteur verticale de la plaque de chargement de manière à ce que la synoviale plane au-dessus de la contre-face inférieure et soit immergée dans le bain d’essai.

Insérez les échantillons montés dans le dispositif de test de friction. Ouvrez la génération de données analogiques MF DAQ. Initialisez Charger PID et déclencher les fenêtres de l’appelant dynamique dans le programme.

Exécutez la génération de données analogiques MF DAQ et initialisez la fenêtre PID de chargement en appuyant sur le bouton Exécuter. Accédez à l’onglet Stepper dans la fenêtre Trigger Dynamic Caller. Spécifiez l’accélération, la vitesse et la distance de l’étape de traduction dans les zones de saisie utilisateur.

Pour saisir la durée du test, cliquez sur le bouton Ouvrir le dossier en bas à droite de la table Time State et sélectionnez le chemin du fichier Stepper Time Index. Spécifiez ensuite à nouveau la durée du test dans l’onglet Bobine vocale. Sélectionnez le chemin du fichier Voice Coil Index en cliquant sur le bouton Ouvrir le dossier en bas à droite du tableau Time State et sélectionnez le fichier.

Cela doit être effectué que la bobine vocale soit utilisée ou non. Appliquez la charge normale. Si vous utilisez des port en lourd, placez les poids souhaités sur les roulements linéaires au-dessus de la plaque de chargement.

Assurez-vous que la charge appliquée ainsi que le poids de la plaque de chargement et de la tige de support ne dépassent pas la capacité nominale du capteur de charge. Sélectionnez le chemin d’accès et le nom de fichier pour le stockage des données à l’aide du bouton Ouvrir le dossier à droite de la zone Droit au fichier. Enregistrez le fichier avec une extension txt.

Centrez la contre-face inférieure sous la contre-face supérieure et définissez-la sur la position X zéro. Pour ce faire, exécutez la fenêtre Déclencher l’appelant dynamique en appuyant sur le bouton Exécuter. Dans l’onglet Stepper, cliquez sur le bouton Accueil pour déplacer la scène vers la dernière position X zéro enregistrée.

Si les contre-faces ne sont pas alignées, déplacez la scène en cliquant sur les boutons fléchés verts gauche et droit. Lorsque l’emplacement souhaité est atteint, cliquez sur le bouton zéro pour enregistrer l’emplacement de l’étape actuelle en tant que nouvelle position zéro X. Arrêtez la fenêtre Trigger Dynamic Caller en cliquant sur le bouton Arrêter.

Une fois les contre-faces supérieure et inférieure centrées, lancez le test de frottement des échantillons en démarrant le mouvement cyclique de la scène. Une fois la scène déplacée, mettez lentement la contreface supérieure en contact avec la face inférieure. Laissez le test s’exécuter, en collectant les données de test de friction.

Après la durée d’essai souhaitée, arrêtez l’essai en appuyant sur le bouton Arrêter et en déchargeant les échantillons en soulevant la contre-face supérieure et en la déplaçant hors de contact avec la contre-face inférieure. Utilisez le code personnalisé pour calculer le coefficient de frottement et l’hystérésis par cycle. Assurez-vous qu’un seul dossier contient tous les fichiers pertinents.

Ouvrez l’exécution du cycle de friction. m fichier. Cliquez sur le bouton Exécuter dans le script.

Sélectionnez le fichier de données brutes à analyser et l’emplacement d’enregistrement souhaité. Les diagrammes du coefficient de frottement et de l’hystérésis seront produits par MATLAB. Une configuration synoviale sur cartilage a été utilisée pour tester le frottement des explantes bovines juvéniles où la synoviale était montée sur une plaque de chargement acrylique de 10 millimètres de diamètre de sorte que la couche intimale serait en contact avec le cartilage sous-jacent.

Une bande tibiale a été utilisée comme contre-face du cartilage. Un coefficient de frottement effectif a été calculé à partir de la moyenne de FT divisée par FN sur chaque cycle alternatif, puis tracé par rapport à la durée de l’essai pour obtenir un coefficient de frottement par rapport au temps. Pour chaque essai, les valeurs du coefficient de frottement ont été moyennées sur l’ensemble de l’essai.

Dans un bain d’essai PBS, les valeurs moyennes du coefficient de frottement augmentaient à mesure que la contrainte de contact augmentait. Inversement, les valeurs moyennes du coefficient de frottement sont restées similaires à mesure que la contrainte de contact augmentait dans un bain de liquide synovial bovin. N’oubliez pas de commencer à collecter les données de charge avant de mettre les surfaces en contact.

Cela garantit qu’une charge de tare appropriée peut être calculée. Les composants tissulaires et lubrifiants du bain peuvent être évalués avant et après les essais afin d’évaluer les changements biologiques induits par un régime expérimental donné.