Un dispositivo per test di attrito-bioreattore per lo studio della biomeccanica delle articolazioni sinoviali, della meccanobiologia e della regolazione fisica

L'osteoartrite (OA) è una malattia degenerativa debilitante che colpisce più di 32 milioni di adulti americani, con un costo sanitario e socio-economico di oltre $ 16,5 miliardi¹. La malattia è stata classicamente caratterizzata dalla degradazione della cartilagine articolare e dell'osso subcondrale; tuttavia, le modifiche alla sinovia hanno recentemente raccolto apprezzamento in quanto la sinovite è stata collegata ai sintomi dell'OA e alla progressione ^2,3,4. Nell'OA primaria (idiopatica), la normale "usura" associata all'invecchiamento inibisce la capacità della cartilagine di sostenere le sue funzioni portanti e di lubrificazione. Le sollecitazioni generate dal contatto di scorrimento prolungato degli strati di cartilagine articolare o dal contatto scorrevole della cartilagine contro i materiali dell'impianto hanno dimostrato di facilitare l'usura della delaminazione attraverso il fallimento della fatica del sottosuolo ^5,6. Poiché esiste un ambiente meccanico dinamico all'interno dell'articolazione ^7,8, le interazioni di attrito della cartilagine articolare e della sinovia possono influenzare l'omeostasi articolare attraverso l'usura a livello tissutale e la meccanotrasduzione cellulare. Per studiare questi processi meccanici e meccanobiologici, è stato progettato un dispositivo per replicare il moto dell'articolazione con stretto controllo sul carico compressivo e frizionale 5,6,9,10,11,12,13.

Il presente protocollo descrive un dispositivo di test di attrito che fornisce reciproco, traducendo il movimento e il carico compressivo alle superfici di contatto degli espianti di tessuti viventi. Il dispositivo controllato dal computer consente all'utente di controllare la durata di ogni prova, il carico applicato, l'intervallo di movimento della fase di traslazione e la velocità di traduzione. Il dispositivo è modulare, consentendo di testare varie controfasi, come tessuto su tessuto (cartilagine su cartilagine e sinovia su cartilagine) e tessuto su vetro. Oltre alle misurazioni funzionali ottenute dal tester, i componenti tissutali e del bagno lubrificante possono essere valutati prima e dopo i test per valutare i cambiamenti biologici impartiti da un determinato regime sperimentale.

Gli studi di tribologia della cartilagine sono stati eseguiti per decenni e sono state sviluppate diverse tecniche per misurare i coefficienti di attrito tra cartilagine e vetro e cartilagine sulla cartilagine^14,15. I diversi approcci sono motivati dal giunto e/o dal meccanismo di lubrificazione di interesse. C'è spesso un compromesso tra il controllo delle variabili sperimentali e la ricapitolazione dei parametri fisiologici. I dispositivi a pendolo utilizzano giunti intatti come fulcro di un semplice pendolo in cui una superficie articolare si traduce liberamente sulla seconda superficie 14,16,17,18. Invece di utilizzare giunti intatti, le misure di attrito possono essere ottenute facendo scorrere gli espianti di cartilagine sulle superfici desiderate 14,19,20,21,22,23,24,25. I coefficienti di attrito riportati della cartilagine articolare sono variati in un ampio intervallo (da 0,002 a 0,5) a seconda delle condizioni operative^14,26. Sono stati creati dispositivi per replicare il movimento rotatorio 23,27,28. Gleghorn et ^al.26 hanno sviluppato un tribometro multi-pozzo personalizzato per osservare i profili di lubrificazione della cartilagine utilizzando l'analisi della curva di Stribeck e un movimento di scorrimento oscillatorio lineare è stato applicato tra la cartilagine contro una controfacciata in vetro piano.

Questo dispositivo mira a isolare le risposte di attrito ed esplorare la meccanobiologia dei tessuti viventi in varie condizioni di carico. Il dispositivo utilizza una configurazione di prova semplificata che simula l'articolazione articolare attraverso lo scorrimento compressivo, che può approssimare sia il movimento di rotolamento che quello di scorrimento con la consapevolezza che la resistenza nel movimento di rotolamento puro è trascurabile rispetto al coefficiente di attrito misurato della cartilagine articolare²⁹. Originariamente costruito per studiare gli effetti della pressurizzazione del liquido interstiziale sulla risposta di attrito della cartilagine articolare⁹, il tester è stato utilizzato per esplorare argomenti quali gli effetti di attrito della rimozione della zona superficiale della cartilagine¹⁰, gli effetti lubrificanti del liquido sinoviale¹¹, le ipotesi di usura della cartilagine ^5,6,30 e le misurazioni dell'attrito sinovia-su-tessuto¹³ . Il bioreattore per test di attrito può condurre esperimenti di attrito in condizioni sterili, fornendo un nuovo meccanismo per esplorare come le forze di attrito influenzano le risposte meccanobiologiche della cartilagine vivente e della sinovia. Questo progetto può essere utilizzato come bioreattore biomimetico per studiare la regolazione fisica dei tessuti articolari viventi in risposta al carico fisiologico applicato associato all'articolazione dell'articolazione diartrodiale.

Questo studio presenta una configurazione per il test di attrito sinovia-su-cartilagine su una gamma di sollecitazioni di contatto e in diversi bagni di lubrificazione. La superficie articolata della maggior parte delle articolazioni è, in larga misura, tessuto sinoviale³¹. Mentre lo scorrimento della sinovia sulla cartilagine non si verifica sulle superfici portanti primarie, le interazioni di attrito tra i due tessuti possono ancora avere importanti implicazioni per la riparazione a livello tissutale e la meccanotrasduzione cellulare. In precedenza è stato dimostrato che i sinoviociti fibroblasti-simili (FLS) che risiedono sullo strato intimale della sinovia sono meccanosensibili, rispondendo allo stress di taglio indotto dai liquidi³². È stato anche dimostrato che lo stretch^33,34 e lo sforzo di taglio indotto dal fluido³⁵ modulano la produzione di lubrificante FLS. Pertanto, il contatto diretto scorrevole tra sinovia e cartilagine può fornire un altro stimolo meccanico alle cellule residenti nella sinovia.

Solo pochi rapporti sui coefficienti di attrito sinovo sono stati pubblicati^31,36. Estell et ^al.13 hanno cercato di espandere la caratterizzazione precedente utilizzando controfasi biologicamente rilevanti. Con la capacità del dispositivo di test di attrito di testare i tessuti viventi, è possibile imitare le interazioni fisiologiche dei tessuti durante l'articolazione articolare per chiarire il ruolo dello stress da taglio da contatto sulla funzione dei sinoviociti e il suo contributo alla diafonia tra sinovia e cartilagine. Quest'ultimo è stato implicato nella mediazione dell'infiammazione dell'articolazione sinoviale nell'artrite e nel post-infortunio. A causa della vicinanza fisica della cartilagine alla sinovia e al liquido sinoviale, che contengono sinoviociti che presentano capacità multipotente, compresa la condrogenesi, si ipotizza che i sinoviociti svolgano un ruolo nell'omeostasi e nella riparazione della cartilagine attecchindosi alla superficie articolare. In questo contesto, il contatto fisico e la tranciatura reciproca della cartilagine-sinovia e della sinovia-sinovia possono aumentare l'accessibilità dei sinoviociti alle regioni del danno cartilagineo 37,38,39,40. Gli studi che utilizzano configurazioni sinovia su cartilagine non solo forniranno approfondimenti sulla meccanica e la tribologia del tessuto grossolano articolare, ma possono anche portare a nuove strategie per mantenere la salute delle articolazioni.

Per il presente studio sono state utilizzate le articolazioni giovanili del ginocchio bovino, ottenute da un macello locale. Gli studi con tali campioni di campioni di bovini sono esentati dal Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

1. Progettazione del dispositivo di prova di attrito

NOTA: nella Figura 1 è illustrata una rappresentazione schematica del dispositivo di prova di attrito. Il dispositivo è costruito su una piastra di base rigida (non mostrata), che funge da piattaforma per il supporto strutturale.

1. Collegare un motore passo-passo allo stadio di traslazione orizzontale (vedere Tabella dei materiali), creando un dispositivo di prova dell'attrito a due assi che fornisce un movimento di traslazione reciproco alle superfici di contatto.
2. Montare una cella di carico multiassiale sullo stadio di traslazione (vedere Tabella dei materiali). La cella di carico montata verrà utilizzata per misurare il carico normale nella direzione z (F_n) e il carico tangenziale nella direzione x (F_t).
3. Equipaggiare lo stadio di traslazione con un encoder lineare (vedi Tabella dei materiali) per registrare lo spostamento orizzontale (u_x) dello stadio. Inoltre, dotare la fase di carico di un encoder lineare (vedere Tabella dei materiali) per registrare lo spostamento verticale (u_z) della piastra.
   NOTA: l'encoder dello stadio di traslazione registra lo spostamento tangenziale relativo delle superfici di contatto e queste informazioni vengono utilizzate per rilevare l'inizio di ogni nuovo ciclo di scorrimento alternativo.
4. Configurare la piastra di carico (superficie di contatto superiore) come controfafaccia di vetro, cartilagine o sinovia. Collegare la piastra alla fase di carico tramite un'asta di supporto filettata.
5. Fissare una base magnetica in due parti alla parte superiore della cella di carico (vedere Tabella dei materiali): (1) una base fissa fissata in modo permanente alla cella di carico e (2) una base rimovibile che si collega magneticamente alla base fissa. Assicurarsi che le due parti formino una connessione stretta.
   NOTA: la base rimovibile conterrà la controfacciata traslante (superficie di contatto inferiore).
6. Prescrivere un carico normale. Utilizzare il peso morto montato su cuscinetti lineari sopra la piastra di carico e l'asta di supporto. In alternativa, specificare un carico utilizzando l'attuatore a bobina vocale (vedere Tabella dei materiali), che può caricare dinamicamente la superficie di contatto inferiore⁴¹.
7. Ospitare il dispositivo all'interno di un involucro acrilico con telaio in alluminio (vedere Tabella dei materiali) per proteggere l'ambiente dalla contaminazione.
   NOTA: Un programma LabVIEW personalizzato controlla il dispositivo (vedi File di codifica supplementari) con il controllo da parte dell'utente della durata di ogni test, nonché del percorso di percorrenza, dell'accelerazione (cambio di direzione) e della velocità. La forza normale, la forza tangenziale, lo spostamento dello stadio e lo spostamento dello scorrimento vengono monitorati durante il test con hardware e software di acquisizione dati (vedere Tabella dei materiali).

2. Preparazione e montaggio del campione

1. Prepararsi per un prelievo di tessuti sterili seguendo i passaggi seguenti.
   NOTA: se non si desidera un raccolto sterile, procedere al passaggio 2.2.
   1. Sterilizzare gli strumenti metallici in autoclave. Spruzzare i portaoggetti con il 70% di etanolo e inserirli nell'armadio di sicurezza biologica (BSC). Chiudere l'armadio per un ciclo ultravioletto (UV).
   2. Recupera gli utensili dall'autoclave. Posizionare gli strumenti, la betadina, le lame sterili del bisturi e i becher contenenti il 70% di etanolo nel BSC.
   3. All'interno del BSC, aprire gli strumenti e metterli in becher di etanolo al 70%. Attaccare le lame del bisturi alle maniglie del bisturi.
   4. Preparare lo spinello per il raccolto. Spruzzare l'esterno del giunto con etanolo al 70% e avvolgere in un foglio di alluminio per 30 minuti. Fare attenzione a non rompere la capsula articolare.
      NOTA: Le articolazioni del ginocchio bovino giovanile sono state ricevute con il femore e la tibia tagliati di circa 15 cm superiori e inferiori all'articolazione per garantire una capsula intatta.
   5. Dopo 30 minuti, posizionare il giunto avvolto all'interno del BSC. Aprire la lamina e fissare l'articolazione al suo supporto. Coprire l'articolazione in betadine pulendo delicatamente la betadina attraverso la superficie articolare.
      NOTA: fare riferimento ai passaggi 2.2 e 2.3 per le istruzioni specifiche per la sinovia e le istruzioni specifiche per la cartilagine, rispettivamente.
2. Raccogliere la sinovia bovina giovanile seguendo i passaggi seguenti.
   1. Fissare la capsula articolare tibiofemorale utilizzando un supporto ad anello (vedi Tabella dei materiali) con il lato anteriore rivolto verso il dissettore. Usando una pinza e una lama di bisturi, tagliare il tendine rotuleo usando un'incisione orizzontale di 5-10 cm (a seconda delle dimensioni dell'articolazione) superiore alla tibia (Figura 2A).
   2. Tenere il tendine rotuleo staccato con una pinza. Effettuare due tagli da anteriore a posteriore a forma di V (Figura 2B,C). Questi tagli dovrebbero liberare la rotula.
      NOTA: Quando l'articolazione inizia ad aprirsi, fare attenzione a non recidere il legamento crociato anteriore (LCA), il legamento crociato posteriore (PCL), il legamento collaterale mediale (MCL), il legamento collaterale laterale (LCL) e il menisco.
   3. Ruotare la rotula dietro l'articolazione o rimuoverla completamente dall'articolazione. Rimuovere con cura il tessuto superficiale alla membrana sinoviale sui lati mediale e laterale dell'articolazione per esporre la sinovia.
   4. Usando una lama di bisturi, traccia il contorno della regione di interesse della sinovia. Usando la pinza, afferrare un'estremità della sinovia e sollevare delicatamente per allungare la sinovia distale all'osso sottostante. Utilizzare una lama di bisturi per rimuovere la sinovia dall'osso (Figura 2D,E).
   5. Posizionare il tessuto in un terreno di coltura appropriato o in una soluzione da bagno di prova. L'espianto di sinovia può essere coltivato per un esperimento desiderato o montato e utilizzato per i test.
      NOTA: i supporti di coltura/le soluzioni per il bagno di prova possono variare in base alle preferenze di un gruppo di ricerca. Per quelli su misura utilizzati per il presente studio, si veda tabella dei materiali.
3. Raccogliere la cartilagine bovina giovanile (tappi femorali e strisce tibiali).
   1. Separare il femore dalla tibia recidendo LCA, PCL, MCL e LCL. Fare attenzione a non affettare la cartilagine del condilo femorale o tagliare attraverso il menisco fino all'altopiano tibiale. Posizionare i tessuti separati nei rispettivi supporti per la dissezione (punto 2.3.2 per il femore e passo 2.3.3 per la tibia).
   2. Fissare il femore usando un supporto ad anello. Utilizzando un punzone bioptico della forma e delle dimensioni desiderate, guidare lo strumento normale alla superficie della cartilagine articolare del condilo femorale fino a raggiungere l'osso (Figura 3A).
      1. Allentare la connessione della spina all'osso spostando il punzone da sinistra a destra e da avanti a indietro. Fallo senza rimuovere il pugno.
         NOTA: i suoni scoppiettanti possono essere sentiti mentre l'osso si separa dalla cartilagine.
      2. Rimuovere il punzone, e quindi la spina, dall'osso sottostante (Figura 3B). Se necessario, ripetere i passaggi 2.3.2, 2.3.2.1 e 2.3.2.2 per le restanti posizioni non toccate sul condilo.
         NOTA: in preparazione per il montaggio del tappo femorale su una base di prova, potrebbe essere necessario radere il lato profondo della spina. Questo può essere fatto con un taglierino o un bisturi.
      3. Posizionare il tessuto in un terreno di coltura appropriato o in una soluzione da bagno di prova. Il tappo femorale può essere coltivato per un esperimento desiderato o montato e utilizzato per i test.
   3. Fissare la tibia in un supporto regolabile (vedere Tabella dei materiali). Rimuovere il menisco con attenzione evitando il contatto con la superficie della cartilagine (Figura 4A).
      1. Sui bordi esterni dell'altopiano tibiale, utilizzare un taglierino per tagliare perpendicolarmente alla cartilagine verso l'osso. Tagliare completamente la cartilagine per ottenere bordi/lati dritti (Figura 4B). Iniziare il taglio a circa 2 mm di distanza da ciascun bordo del plateau tibiale e rimuovere il tessuto in eccesso. Segnare i bordi interni della cartilagine (Figura 4C).
         NOTA: A questo punto, l'osso deve essere visibile sotto la cartilagine sui bordi esterni dell'altopiano tibiale.
      2. Sui bordi esterni, utilizzare la taglierina per effettuare un taglio netto all'interfaccia tra l'osso e la cartilagine (Figura 4D).
         NOTA: Il taglio deve essere parallelo alla superficie della cartilagine e circa 5 mm verso l'interno, abbastanza profondo da iniziare a separare la cartilagine e l'osso.
      3. Per rimuovere la striscia tibiale dalla superficie dell'altopiano, inserire delicatamente un cacciavite a testa piatta sotto il taglio effettuato al punto 2.3.3.2. Ruotare delicatamente il cacciavite per allentare la cartilagine articolare dall'osso subcondrale (Figura 4E).
         NOTA: i suoni scoppiettanti possono essere sentiti mentre l'osso si separa dalla cartilagine.
      4. Quando il campione si allenta, spingere lentamente il cacciavite in avanti fino a quando la striscia di cartilagine si stacca dall'osso. Spingere il cacciavite verso l'osso, non verso la cartilagine. Ripetere questo processo in più posizioni fino a quando la cartilagine articolare del plateau tibiale non viene completamente rimossa dall'osso sottostante (Figura 4F).
      5. Utilizzando un taglierino, tagliare la superficie del plateau tibiale per produrre campioni rettangolari delle dimensioni e dello spessore desiderati.
         NOTA: Per il presente studio, sono state tagliate strisce da 10 mm x 30 mm, ma questa dimensione può essere variata in base all'esperimento desiderato e all'impostazione del test.
      6. Posizionare il tessuto in un terreno di coltura appropriato o in una soluzione da bagno di prova. La striscia tibiale può essere coltivata per un esperimento desiderato o montata e utilizzata per i test.
      7. Se necessario, ripetere i passaggi 2.3.3.1-2.3.3.6 per il secondo plateau tibiale.
4. Montare la sinovia e la cartilagine seguendo i passaggi seguenti.
   1. Se lo si desidera, selezionare un campione di striscia tibiale da testare.
      NOTA: la striscia può essere testata come controfacciata inferiore.
      1. Rimuovere la base magnetica rimovibile (vedi Tabella dei materiali) e incollare una capsula di Petri di 60 mm di diametro sulla superficie superiore della base rimovibile.
      2. Con la capsula di Petri incollata in posizione, attaccare la base rimovibile alla base fissa e contrassegnare la piastra di Petri per indicare una direzione di scorrimento.
      3. Applicare una piccola quantità di cianoacrilato (vedi Tabella dei materiali) al centro del piatto. Allineare la striscia tibiale con la direzione di scorrimento dello stadio (come indicato dal segno sulla capsula di Petri del 2.4.1.2). Premere delicatamente la striscia di cartilagine sul piatto. Fare attenzione a non graffiare la superficie della cartilagine.
         NOTA: uno strumento di aspirazione (vedere Tabella dei materiali) può applicare una leggera pressione alla cartilagine senza danneggiare la superficie da testare per attrito.
      4. Ripristinare la base magnetica rimovibile (con striscia cartilaginea collegata) alla base fissa magnetica accoppiata nel tester di attrito. Riempire la capsula di Petri con la soluzione di bagno di prova desiderata. La soluzione del bagno di prova deve coprire completamente la cartilagine.
   2. Se lo si desidera, selezionare un tappo di cartilagine femorale da testare.
      NOTA: la spina può essere testata come controfacciata inferiore o superiore.
      1. Se il condilo femorale viene utilizzato come controfaccia inferiore, rimuovere la base magnetica rimovibile e incollare una capsula di Petri di 60 mm di diametro sulla superficie superiore della base rimovibile.
         1. Applicare una piccola quantità di cianoacrilato al centro del piatto. Premere delicatamente il tappo della cartilagine sul piatto.
            NOTA: uno strumento di aspirazione può applicare una leggera pressione alla cartilagine senza danneggiare la superficie da testare per attrito.
         2. Ripristinare la base magnetica rimovibile (con spina cartilaginea collegata) alla base fissa magnetica accoppiata nel tester di attrito. Riempire la capsula di Petri con la soluzione di bagno di prova desiderata. La soluzione del bagno di prova deve coprire completamente la cartilagine.
      2. Se la cartilagine femorale viene utilizzata come controfacciata superiore, rimuovere la piastra di carico e l'asta di supporto dal tester di attrito. Se necessario, rimuovere la piastra esistente e selezionare una nuova piastra adatta per il montaggio della cartilagine.
         1. Applicare una piccola quantità di cianoacrilato sulla superficie della piastra. Premere delicatamente il tappo della cartilagine sulla piastra.
            NOTA: uno strumento di aspirazione può applicare una leggera pressione alla cartilagine senza danneggiare la superficie da testare per attrito.
         2. Ripristinare la piastra di carico (con tappo cartilagineo collegato) e l'asta di supporto al tester di attrito. Regolare l'altezza verticale della piastra di carico in modo che il tappo della cartilagine si libra sopra la controfacciata inferiore e sia immerso nel bagno di prova. Aggiungere più soluzione per il bagno di prova, se necessario.
   3. Se lo si desidera, selezionare il campione di sinovia da testare.
      NOTA: la sinovia può essere testata come controfaccia inferiore o superiore.
      1. Se la sinovia viene utilizzata come controfaccia inferiore, rimuovere la base magnetica rimovibile e incollare una capsula di Petri di 60 mm di diametro sulla superficie superiore della base rimovibile.
         1. Incollare un palo circolare acrilico-siliconico lavorato su misura del diametro desiderato al centro del piatto.
         2. Usando la pinza, posiziona la sinovia sopra il palo. Per fissare la sinovia, stendere un O-ring (vedi Tabella dei materiali) sulla sua circonferenza.
         3. Usando la pinza, tirare delicatamente la sinovia per allungare il tessuto insegnato e appiattire sotto l'O-ring. Tagliare il tessuto in eccesso con le forbici chirurgiche.
         4. Ripristinare la base magnetica rimovibile (con sinovia attaccata) alla base fissa magnetica accoppiata nel tester di attrito. Riempire la capsula di Petri con la soluzione di bagno di prova desiderata. La soluzione del bagno di prova deve coprire completamente la sinovia.
      2. Se la sinovia viene utilizzata come controfaccia superiore, rimuovere la piastra di carico e l'asta di supporto dal tester di attrito. Se necessario, rimuovere la piastra esistente e selezionare una nuova piastra circolare adatta per il montaggio in sinovia.
         1. Usando la pinza, posiziona la sinovia sopra la piastra circolare. Per fissare la sinovia, distribuire un O-ring sulla sua circonferenza.
         2. Usando la pinza, tirare delicatamente la sinovia per allungare il tessuto insegnato e appiattire sotto l'O-ring. Tagliare il tessuto in eccesso con le forbici chirurgiche.
         3. Ripristinare la piastra di carico (con sinovia collegata) e l'asta di supporto al tester di attrito. Regolare l'altezza verticale della piastra di carico in modo che la sinovia si libra sopra la controfacciata inferiore e sia immersa nel bagno di prova. Aggiungere più soluzione per il bagno di prova, se necessario.

3. Test di attrito

NOTA: per questi test vengono utilizzati un programma LabVIEW personalizzato e l'hardware associato (vedere File di codifica supplementari). Si prega di notare che il codice personalizzato è stato costruito su LabVIEW 2010 ed è stato mantenuto su questa stessa versione legacy. Di conseguenza, il codice potrebbe non essere compatibile con la versione più recente del software. I seguenti avvertimenti del pulsante e i riferimenti all'interfaccia utente saranno rilevanti solo per il codice personalizzato. Se si lavora con una versione del software diversa, è possibile scrivere un programma personalizzato simile modificando il codice.

1. Inserire i campioni montati (punto 2.4) nel dispositivo di prova dell'attrito.
   NOTA: i campioni devono essere immersi nella soluzione del bagno di prova, ma non devono essere in contatto tra loro.
2. Aprire il programma software e prescrivere i parametri di prova: velocità del palco, accelerazione dello stadio, percorso di viaggio (distanza) e durata del test (Figura 5).
   1. Aprire le tre finestre del programma: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID e Trigger Dynamic Caller.
   2. Eseguire la finestra Analog Data Build MFDAQ premendo il pulsante Esegui (freccia bianca).
   3. Eseguire la finestra Inizializza carico PID premendo il pulsante Esegui (freccia bianca).
   4. Passare alla scheda Stepper nella finestra Attiva chiamante dinamico. Specificate l'accelerazione, la velocità e la distanza della fase di traslazione nelle caselle di input dell'utente.
      NOTA: il valore della distanza imposta la semi-lunghezza della traccia di usura. In altre parole, lo stage si sposterà dalla posizione zero specificata (passo 3.5) al valore di distanza impostato in entrambe le direzioni x positive e negative.
   5. Nella scheda Stepper, specificare la durata del test selezionando il percorso del file Stepper Time Index . Fare clic sul pulsante Apri cartella in basso a destra della tabella Stato-ora e selezionare il file.
   6. Specificare la durata del test anche nella scheda Bobina vocale. Passare alla scheda Bobina vocale nella finestra Attiva chiamante dinamico. Analogamente al passaggio 3.2.5, selezionare il percorso del file Voice Coil Index facendo clic sul pulsante Apri cartella in basso a destra della tabella Stato temporale e selezionare il file. La durata deve corrispondere a quella della scheda Stepper .
3. Prescrivere il carico normale. Se si utilizzano pesi morti, posizionare i pesi desiderati sui cuscinetti lineari sopra la piastra di carico. Assicurarsi che il carico applicato più il peso della piastra di carico e dell'asta di supporto non superino la capacità nominale della cella di carico.
4. Selezionare il percorso e il nome del file per l'archiviazione dei dati utilizzando il pulsante Apri cartella a destra della casella Scrivi su file?. Salvare il file con estensione ".txt".
5. Centrare la controfacciata inferiore sotto la controfacciata superiore. Impostate questa posizione come posizione x zero.
   1. Eseguire la finestra Attiva chiamante dinamico premendo il pulsante Esegui (freccia bianca). Nella scheda Stepper, fai clic sul pulsante Home per spostare lo stage all'ultima posizione x zero salvata.
   2. Se le controfacce non sono allineate, spostare lo stage facendo clic sui pulsanti freccia verde sinistra e destra . Quando viene raggiunta la posizione desiderata, fare clic sul pulsante Zero per salvare la posizione dello stage corrente come nuova posizione x zero. Interrompere la finestra Trigger Dynamic Caller facendo clic sul pulsante Stop .
      NOTA: la posizione dello stage può essere salvata solo mentre è in esecuzione la finestra Trigger Dynamic Caller, ma la fase non è ancora in movimento come specificato dal programma. Premendo il pulsante Esegui (freccia bianca) nel passaggio 3.5.1 verrà avviato un intervallo di tempo di 15 s prima che la fase inizi a muoversi. Utilizzare questo intervallo di tempo di 15 s per spostare il palco e salvare la posizione zero desiderata.
   3. Se la posizione x zero desiderata non viene ottenuta al primo tentativo, ripetere il passaggio 3.5.1.
      NOTA: può essere utile premere il pulsante Zero in modo intermittente per salvare la posizione dello stage mentre l'utente sposta la controfacciata inferiore sotto la controfaccia superiore. Ricordiamo che facendo clic sul pulsante Home si sposterà lo stage all'ultima posizione salvata dal pulsante Zero .
6. Una volta centrate le controfacce superiori e inferiori, avviare il test di attrito dei campioni avviando il movimento ciclico del palcoscenico. A tale scopo, eseguire la finestra Attiva chiamante dinamico premendo il pulsante Esegui (freccia bianca).
7. Una volta che il palco si muove, porta lentamente la controfacciata superiore a contatto con la parte inferiore.
   NOTA: il valore di carico applicato può essere confermato visualizzando il grafico in tempo reale F_z nella finestra del software (Figura 5A).
8. Lascia che il test venga eseguito, raccogliendo i dati dei test di attrito.
   NOTA: tutti i dati registrati durante il passaggio 3.5 verranno sovrascritti. L'isteresi in tempo reale può essere visualizzata nella finestra Trigger Dynamic Caller (Figura 5C).
9. Dopo la durata desiderata del test, interrompere il test premendo il pulsante Stop e scaricando i campioni sollevando la controfacciata superiore e spostandola fuori dal contatto con la controfacciata inferiore.

4. Trattamento dei dati

NOTA: per l'elaborazione dei dati viene utilizzato un programma MATLAB personalizzato (vedere File di codifica supplementari). Il codice richiama i file di output specificati dal codice LabVIEW personalizzato.

1. Utilizzare il codice personalizzato per calcolare il coefficiente di attrito e lo spostamento di scorrimento (deformazione tissutale dipendente dal tempo) per ciclo.
   1. Assicurati che tutti i codici pertinenti siano salvati nella stessa cartella: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" e "frictioncycle_run.m".
      NOTA: Questi codici MATLAB sono stati scritti per essere utilizzati con gli output specifici del suddetto codice LabVIEW. Se l'utente ha creato il proprio codice o ha apportato modifiche a quello descritto qui, potrebbe essere necessario modificare gli script MATLAB per adattarsi a tali modifiche.
   2. Aprire il file frictioncycle_run.m. Fare clic sul pulsante Esegui (freccia verde) nello script. Seleziona il file di dati grezzi da analizzare e la posizione di salvataggio dell'output MATLAB desiderata.
      NOTA: il software potrebbe richiedere alcuni minuti per elaborare i dati a seconda della durata del test.
2. Se lo si desidera, eseguire valutazioni tissutali standard e analisi dei fluidi sugli impianti e sulle aliquote testate della soluzione del bagno di prova.

Una configurazione sinovia su cartilagine è stata utilizzata per testare ad attrito gli espianti bovini giovani. La sinovia è stata montata su una piastra di carico acrilica di 10 mm di diametro in modo tale che lo strato intimale fosse a contatto con la cartilagine sottostante. Una striscia tibiale è stata usata come controfacciata della cartilagine (Figura 6A). Le strisce tibiali sono state tagliate con una profondità di circa 1,4 mm e una dimensione di 10 mm x 30 mm. I campioni sono stati testati per 1 ora a 37 °C in un bagno salino tamponato con fosfato (PBS) o in un bagno di liquido sinoviale bovino (SF). Il bagno SF consisteva in una miscela 50/50 di PBS e SF bovina. L'accelerazione del palco era di 100 mm/s2, la velocità del palco era di 1 mm/s e la distanza del percorso del palco era di 2,5 mm 6,9,42. I pesi morti sono stati utilizzati per applicare vari carichi normali con conseguenti sollecitazioni di contatto di 180, 230 e 300 kPa11,43.

Dopo un'ora, i tessuti sono stati scaricati e sono stati valutati i coefficienti di attrito. Un coefficiente di attrito effettivo μ è stato calcolato dalla media di Ft / Fn su ciascun ciclo alternativo e quindi tracciato rispetto alla durata del test per produrre un coefficiente di attrito vs. grafico temporale (Figura 6B). Per ogni test, i valori di μ sono stati mediati sull'intero test (tutti i cicli) per produrre μmedia. In un bagno di prova PBS, i valori medi μ aumentavano con l'aumentare dello stress da contatto. Il μmedia, PBS è aumentato da 0,015 ± 0,005 a 180 kPa, a 0,019 ± 0,005 a 230 kPa, a 0,022 ± 0,010 a 300 kPa. Al contrario, i valori medi μ sono rimasti simili all'aumento dello stress da contatto in un bagno SF (Figura 6C). Il μavg,SF era 0,013 ± 0,002 a 180 kPa, 0,011 ± 0,001 a 230 kPa e 0,011 ± 0,001 a 300 kPa.

Nel complesso, i risultati dimostrano la capacità del dispositivo tester di attrito di applicare contemporaneamente lo scorrimento reciproco e il carico normale a due controfasi biologiche. In questo studio, i campioni di sinovia su cartilagine testati in un bagno sf non hanno mostrato un aumento del coefficiente di attrito quando lo stress di contatto è stato aumentato, supportando così l'idea che SF contribuisca alla bassa usura e alle proprietà di basso attrito dell'articolazione attraverso un meccanismo di lubrificazione al limite.

Figura 1: Schema del dispositivo di prova dell'attrito personalizzato a due assi (a sinistra) e della sezione trasversale del campione caricato nella capsula di Petri (a destra). Il palco è collegato a un motore che induce il movimento di scorrimento e fa sì che la superficie di contatto inferiore si articola contro la superficie di contatto superiore. La cella di carico raccoglie le misurazioni del carico in tempo reale, mentre l'encoder lineare della fase di carico raccoglie le misurazioni dello spostamento dello scorrimento in tempo reale. La figura è stata modificata con l'autorizzazione del riferimento10. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Raccolta della sinovia bovina. (A) Il tendine rotuleo viene reciso mediante un'incisione orizzontale superiore alla tibia. (B,C) La rotula viene rimossa effettuando due tagli da anteriore a posteriore a forma di V (linee tratteggiate). (D) Il contorno della sinovia è tracciato con una lama di bisturi. (E) La sinovia viene quindi allungata distale all'osso sottostante e rimossa. Barra della scala = 5 cm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Raccolta del tappo della cartilagine femorale bovina. (A) Un punzone per biopsia di 15,9 mm di diametro viene inserito normalmente alla superficie della cartilagine articolare del condilo femorale fino al raggiungimento dell'osso. (B) Il punzone e la spina vengono rimossi. Barra della scala = 16 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Raccolta della striscia tibiale della cartilagine bovina. (A) Il menisco viene rimosso dall'altopiano tibiale. (B) I bordi dell'altopiano sono tagliati per formare lati dritti (inserto). (C) L'interno dell'altopiano viene segnato per creare una striscia. (D) Viene effettuato un taglio all'interfaccia cartilagine-osso. (E) Un cacciavite è inserito sotto il taglio. (F) La striscia viene rimossa. Barra della scala = 10 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Interfaccia utente LabVIEW. Il programma personalizzato consente di controllare vari parametri di test come l'accelerazione dello stadio, la velocità del palco, il percorso di viaggio e la durata del test. (A) Grafico del carico applicato in tempo reale (Fz vs. t dove Fz è il carico normale Fn), (B) posizione passo-passo (ux vs. t) e (C) trama di isteresi (Fx vs. ux, dove Fxè la forza tangenziale Ft) sono mostrati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Misurazioni dell'attrito sinovia-su-cartilagine. (A) Il dispositivo di prova di attrito configurato per la sinovia bovina giovanile (inserto) su una striscia di cartilagine tibiale. (B) Coefficiente di attrito rappresentativo (μ) in funzione del grafico temporale. (C) Il coefficiente di attrito per varie sollecitazioni di contatto (180 kPa, blu; 230 kPa, rosso; 300 kPa, verde) in un bagno di liquido salino tamponato con fosfato (PBS, cerchio chiuso) o liquido sinoviale bovino (SF, cerchio aperto). Le barre di errore sono medie con deviazione standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Bioreattore di attrito. (A) Schema del bioreattore di attrito con controfacce superiori stazionarie e controfacce inferiori mobili. (B) Una vista laterale e (C) vista inferiore del bioreattore che applica il taglio fisiologico in una configurazione sinovia su cartilagine. (D) Il bioreattore è alloggiato all'interno di un incubatore di colture tissutali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.