Name: Uno Sperimentale e Finite Element protocollo per indagare il trasporto di soluti neutri e carichi attraverso cartilagine articolare (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Scopri un protocollo sperimentale e agli elementi finiti per studiare il trasporto di soluti neutri e carichi nella cartilagine articolare. Questo metodo combina micro-CT e modellazione computazionale per determinare coefficienti di diffusione e densità di carica fissa.

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Gli autori desiderano esprimere la loro gratitudine al Sig Jeroen van den Berg e il signor Matthijs Wassink dal gruppo meccanica di sviluppo a UMC Utrecht per il loro aiuto nel processo di spine osteocondrali da imballaggio. Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione da olandese Arthritis Foundation.

NOTA: Il protocollo presentato qui è adottato dalle procedure sperimentali e computazionali di documenti di ricerca recenti 6, 8, 9. Il protocollo è illustrato in Figura 1. I materiali da cadavere sono stati raccolti con il permesso di Facoltà di Medicina Veterinaria dell'Università di Utrecht. 1. campione e Bath Preparazione <ol><li> Trapanare spine osteocondrali cilindrici (diametro di 8,5 mm) dal cadavere condili femorali equina utilizzando punta misura (figura 1) durante la spruzzatura fredda salina tamponata con fosfato (PBS) per evitare il surriscaldamento e conseguenti danni cartilagine. </li><li> Termoretraibile i tappi osteocondrali con una plastica contrazione manicotto per minimizzare la diffusione laterale del bagno sovrapposizione. <ol><li> Montare la spina osteocondrale con la cartilagine a The superiore inizialmente all'interno del manicotto contrazione plastica e seguire soffiando aria calda ad esso. Aggiungere i pezzi di cotone bagnato sulla superficie della cartilagine per evitare danni legati al calore. </li></ol></li><li> Preparare finite-bagni di cariche (ad esempio, 650 ml, 420 mM, ioxaglate, peso molecolare (MW) = 1.269 Da, carica = -1) e neutro (650 uL, 420 mM, iodixanolo, PM = 1.550 Da) soluti separatamente. </li><li> Caricare i finiti bagni di preparati sulla superficie di cartilagine con una siringa e inserire un tappo di sughero sul campione avvolto per evitare l'evaporazione durante gli esperimenti a RT (Figura 2A). Per studiare il trasporto di soluti neutro, posizionare la vasca iodixanolo e studiare il bagno ioxaglate posto trasporto dei soluti carica negativa sulla superficie cartilaginea. </li></ol> 2. Imaging and Image Processing <ol><li> Porre i campioni avvolto isolati con spina sughero su un supporto su misura collegata allo stadio motorizzato di un micro-CT. luogo tha campione in modo che la superficie cartilagine rivestita con soluzione di mezzo di contrasto è rivolto verso l'alto. </li><li> Scandire utilizzando il micro-CT (dimensione voxel di 40 × 40 × 40 micron 3, tempo di scansione di 2 min, voltaggio di 90 kV e corrente del tubo di 180 uA) un campo visivo costituito da cartilagine, placca subcondrale, e finite- bagno in vari punti di tempo fino stato di equilibrio (48 h) viene raggiunta (Figura 2A). Lo stato di equilibrio viene raggiunto quando valori di concentrazione non cambiano nel tempo. </li><li> Registrare le immagini 3D in diversi momenti in base l'immagine iniziale per facilitare il posizionamento della regione di interesse (ROI) utilizzando il software del produttore (ad esempio, analizzare). </li><li> Convertire il 3D ricostruito immagini micro-CT in 2D Tagged Image File Format (TIFF) stack prima elaborazione di loro utilizzando il software del produttore. </li><li> A livello globale del segmento (ImageJ&gt; Regola&gt; Soglia) la cartilagine dall'osso subcondrale e oltresdraiato bagno nel software. </li><li> Ottenere il valore di grigio medio della cartilagine a tempi diversi (ImageJ&gt; Analisi&gt; Misura) utilizzando la maschera cartilagine generato nel passaggio precedente. </li><li> Data la concentrazione iniziale e bagno concentrazione iniziale agente di contrasto nella cartilagine, utilizzare una curva di calibrazione lineare per convertire i valori di grigio medi alla concentrazione effettiva di soluti. dati precedenti supportano il fatto che i valori di grigio mantengono una relazione lineare con la concentrazione di agenti di contrasto. </li><li> Tracciare la concentrazione del soluto rispetto punti temporali sperimentali. </li></ol> 3. modellazione computazionale NOTA: La diffusione di questo problema si presume abbia luogo in 1D (lungo l'asse z), che rispetta la condizione al contorno sperimentale. Pertanto, la geometria potrebbe essere arbitrariamente creato. <ol><li> Costruire modelli cartilagine multizona basati finite-bagno: 1) costituito da cartilagine zona superficiale (20% dello spessore totale della cartilagine), zona intermedia (50% dello spessore totale della cartilagine) e la zona profonda (30% dello spessore totale della cartilagine) 12 e 2) finiti bagno nel Febio 13, 14 (figura 2B). </li><li> Assegnare le proprietà meccaniche e fisiche delle diverse zone di cartilagine e bagno in Febio. modulo di Young (10 MPa) è stata assunta essere sufficientemente alta da resistere alla pressione osmotica esercitata dalla vasca sovrastante e quindi proteggere la cartilagine da deformazioni eccessive. <ol><li> Utilizzare una permeabilità idraulica di 10 -3 mm 4 / Ns e il rapporto di Poisson di 0. Utilizzare coefficiente effettivo soluto diffusione del bagno nelle simulazioni 8, 9. </li></ol></li><li> Generare mesh (elementi 8 nodi trilinear esagonali) e definire in prossimità dei confini (Figura 2B)class = "xref"&gt; 8, 9. </li><li> modello bifasica-soluto <ol><li> Applicare concentrazione iniziale soluto nel bagno ed efficace pressione corrispondente ad esso. Guarda la descrizione della pressione effettiva in 9, 15. </li><li> Eseguire il modello in modo transitorio per determinare la concentrazione di soluto rispetto curve temporali secondo i coefficienti di diffusione prescritti in diverse zone della cartilagine. </li></ol></li><li> modello Multiphasic NOTA: La fluttuazione elettrico tra bagno e tessuto può essere aggirato aggiungendo due monovalenti contro-ioni sia la vasca e il tessuto. <ol><li> Per i modelli allo stato stazionario: utilizzare le stesse pressioni di fluido efficaci e le concentrazioni in cartilagine e bagno sovrastante aumentando FCD al valore desiderato. </li><li> Per i modelli transitori: creare un ben agitata finiti vasca mantenendo il coefficiente di diffusione soluto nel bagno sufficientemente elevata. iniettare ilsoluto dall'interfaccia bagno-aria nel bagno per raggiungere il suo valore concentrazione desiderata. </li><li> Transitorio: rimuovere la concentrazione di soluto condizione limite prescritto nel passaggio precedente e ripristinare il coefficiente di diffusione del finito-bagno al suo coefficiente di diffusione effettiva. </li><li> Eseguire il modello per ottenere soluto curve concentrazione-tempo basato su FCDS applicata e coefficienti di diffusione in diverse zone della cartilagine. </li></ol></li><li> Interfaccia Febio-MATLAB <ol><li> Sviluppare un codice MATLAB per eseguire automaticamente la simulazione in Febio e trama curve concentrazione-tempo (interfaccia Febio-MATLAB) 8, 9. </li><li> Modificare coefficienti di diffusione e FCDS nelle zone cartilagine utilizzando l'interfaccia Febio-MATLAB. Eseguire modelli in Febio ed estrarre le curve soluto concentrazione-tempo 8, 9. </li><li> Confrontare i soluti ottenute curve concentrazione-tempo con la sperimentaledati e ottenere insiemi di coefficienti di diffusione e FCDS in diverse zone della cartilagine basato su radice minimo errore quadratico medio (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg"> Figura 1: Configurazione sperimentale. A) procedura di estrazione del campione con una punta su misura. B) procedura di imaging Micro-CT per monitorare processo di diffusione. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg"> Figura 2: Schema.A) Disegno sperimentale. B) modello computazionale multi-zona costituita dalla vasca finita, zone superficiali, medi e profondi della cartilagine e rete associata. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

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</ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Abbiamo presentato un protocollo sperimentale unita ad una procedura elementi finiti per studiare la diffusione di soluti neutri e carichi attraverso cartilagine articolare. Secondo studi recenti, i modelli proposti possono descrivere con precisione il trasporto sia di neutro (bifasico-soluto) e caricati negativamente soluti (multifasici) attraverso diverse zone della cartilagine articolare 8, 9. È opinione diffusa che cartilagine articolare viene funzionalmente...

<html> Trasporto molecolare svolge un ruolo fondamentale nell&#39;omeostasi del snodi, la consegna di terapie per cartilagine articolare e della cartilagine di imaging con mdc 1, 2, 3. Fattori come integrazione cartilagine e integrità, carica soluto e dimensione, nonché osmolalità e la concentrazione del bagno in contatto con cartilagine può influenzare la velocità di trasporto 4, 5, 6. Il trasporto di soluti, sia neutre o cariche, può essere differente tra zone della cartilagine articolare, perché ogni zona è formata di diverse concentrazioni e orientamenti di grandi molecole della matrice extracellulare, cioè proteoglicani (PG) e collagene di tipo II 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Ancora più importante, il trasporto di soluti cariche può essere fortemente dipendente dalla concentrazione di proteoglicani comprendenti cariche fisse negative all&#39;interno della matrice extracellulare che aumenta tutti cartilagine articolare 8, 9. Tali parametri densità di carica particolarmente fissa (FCD), orientamento delle fibrille di collagene e di variazione di contenuto di acqua di tutti cartilagine possono subire alterazioni come osteoartrite (OA) progredisce, indicando così l&#39;importanza di studiare diffusione attraverso cartilagine. In questo studio, un protocollo basato su studi sperimentali e computazionali stabiliti in precedenza 6, 8, 9 si propone di indagare accuratamente diffusione in varie condizioni al contorno utilizzando soluti neutri e carichi in un modello a stati finiti vasca di diffusione. Tha proposto metodi sono composti di imaging micro-tomografia computerizzata (micro-CT) di un sistema comprendente una cartilagine e finiti vasca sostenuta da advanced modelli ad elementi finiti multifasici bifasica-soluto. Questi modelli consentono di ottenere coefficienti di diffusione delle molecole neutre e cariche nonché FCDS attraverso varie zone della cartilagine articolare. Usando questi modelli, si può ottenere una migliore comprensione del comportamento delle molecole neutre e cariche diffondenti che potrebbero essere utilizzati per studiare le interazioni tra cartilagine e sovrapponendo finita bagno.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Mezzo di contrasto a carica negativa</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE healthcare</td><td>12570511</td><td>Mezzo di contrasto Nuetral</td></tr><tr><td>PBS (soluzione salina tamponata con fosfato)</td><td>Life technologies</td><td>10010023</td><td></td></tr><tr><td>Medium micro-CT</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Monitoraggio diffusione</td></tr><tr><td>Osmometro per punto di congelamento</td><td>Advanced strumenti</td><td></td><td>Soluzione di misura dell'osmolalità</td></tr></tbody></table>

uno sperimentale e finite element protocollo per indagare il trasporto di soluti neutri e carichi attraverso cartilagine articolare

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

<html> L&#39;osteoartrite (OA) è una malattia debilitante che è associata con la degenerazione della cartilagine articolare e dell&#39;osso subcondrale. Degenerazione della cartilagine articolare compromette la sua funzione portante sostanzialmente come sperimenta degradazione chimica tremenda, cioè proteoglicani perdita e fibrille di collagene interruzione. Un modo promettente per indagare meccanismi di danno chimico durante OA è quello di esporre i campioni di cartilagine di un soluto esterna e controllare la diffusione delle molecole. Il grado di danno cartilagineo (cioè la concentrazione e la configurazione delle macromolecole essenziali) è associato con la perdita di energia collisione di soluti esterni mentre si muove attraverso cartilagine articolare crea diverse caratteristiche di diffusione rispetto alla cartilagine sana. In questo studio, si introduce un protocollo, che comprende diverse fasi e si basa su precedentemente sviluppato sperimentale micro-C14px; &quot;&gt; omputed T omography (micro-CT) e elementi finiti Il trasporto di molecole iodurati cariche e non viene prima registrata utilizzando micro-CT, che è seguita applicando multifasici modelli ad elementi finiti per ottenere coefficienti di diffusione bifasica-soluto. e densità di carica fissa in fusi cartilagine.

I risultati rappresentativi qui fornite sono adottati da documenti di ricerca precedenti 6, 8, 9, 16. In OA, la cartilagine articolare subisce cambiamenti significativi soprattutto perdita GAG, e fibrille di collagene danno 17, 18,...

Proponiamo un protocollo per studiare il trasporto di molecole cariche e scariche attraverso cartilagine articolare con l&#39;ausilio di metodi sperimentali e numerici recentemente sviluppati.

Uno Sperimentale e Finite Element protocollo per indagare il trasporto di soluti neutri e carichi attraverso cartilagine articolare

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

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di studiare il trasporto di molecole cariche e non cariche attraverso la cartilagine articolare con l'aiuto di metodi sperimentali e numerici. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave relative alle proprietà fisiche della cartilagine articolare, come il coefficiente di diffusione e la densità di carica fissa in diverse zone. Il vantaggio principale di questa tecnica è che adotta un modello sperimentale a percorso finito basato sulla tomografia microcomputerizzata del trasporto di molecole radiopache.Per iniziare la preparazione del campione, perforare un tappo osteocondrale cilindrico di 8,5 millimetri di diametro spruzzando soluzione salina tamponata con fosfato a temperatura ambiente, PBS, sull'area di perforazione. Inserire il tappo in una guaina termorestringente di circa 2,5 centimetri in modo che lo strato osseo sia a filo con l'estremità, quindi coprire la superficie della cartilagine con cotone bagnato. Quindi utilizzare una pistola ad aria calda per restringere il tubo attorno ai lati del tappo.Caricare un volume finito di una soluzione di ioxaglato o iodixanolo da 420 millimolari sulla superficie della cartilagine all'interno del tubo per preparare rispettivamente un bagno di soluto caricato negativamente o neutro. Sigillare l'estremità aperta del tubo con un tappo di sughero. Posizionare il campione con l'estremità tappata su un portacampioni montato sul tavolino motorizzato di una micro-CT.Eseguire la scansione su un campo visivo contenente la cartilagine, la placca subcondrale e il bagno finito. Ripetere la scansione periodicamente nelle successive 48 ore o fino a quando la concentrazione del mezzo di contrasto nella cartilagine non cambia nel tempo. Nel software dello strumento, registrare le immagini 3D in punti temporali diversi rispetto all'immagine iniziale e convertire le immagini ricostruite in una pila di file TIFF 2D.Importa le immagini in un programma di elaborazione delle immagini e duplicale per segmentare separatamente il bagno e l'osso subcondrale. Successivamente, i buchi nell'osso subcondrale vengono riempiti e i pixel ridondanti nel bagno vengono rimossi manualmente. Le immagini risultanti del bagno segmentato e dell'osso subcondrale vengono quindi aggiunte matematicamente.E utilizzando lo strumento bacchetta, il contorno della maschera di cartilagine viene definito e aggiunto al Gestore Regione di Interesse. Misurare il valore medio di grigio della cartilagine. Sulla base delle concentrazioni iniziali nel bagno e nella cartilagine, convertire i valori medi di grigio nel bagno e nella cartilagine in concentrazione di soluto utilizzando una curva di calibrazione lineare.Tracciare le concentrazioni di soluto nel tempo. Per iniziare la modellazione computazionale della diffusione utilizzando il software FEBio, costruire modelli multizona di cartilagine basati su bagni finiti in cui la zona superficiale comprende il 20% dello spessore della cartilagine, la zona centrale rappresenta il 50% e la zona profonda rappresenta il 30%Viene creata una tabella contenente le informazioni di un soluto neutro per un modello di soluto bifasico. E viene creata una tabella contenente le informazioni sui soluti carichi per un modello multifasico.Per modellare la diffusione di soluti carichi con il modello multifasico, è necessario aggiungere due controioni monovalenti sia al bagno che alla cartilagine per evitare gli effetti della fluttuazione elettrica tra il bagno e il tessuto. Una volta modellate la cartilagine e le zone del bagno finito, assegnare le proprietà meccaniche e fisiche corrispondenti, vale a dire il modulo di Young, la permeabilità, la diffusività libera e la diffusività a ciascuna zona per il modello di soluto bifasico. Assegna le proprietà meccaniche e fisiche, vale a dire il modulo di Young, la permeabilità, la diffusività libera e la diffusività, nonché la densità di carica fissa a ciascuna zona per il modello multifasico.Quindi, generare una mesh di elementi esaedrici trilineari a otto nodi e perfezionarla vicino ai contorni. Per modellare la diffusione di soluti neutri con il modello del soluto bifasico, applicare la concentrazione iniziale del soluto e la pressione efficace al modello del bagno finito. Esegui il modello del soluto bifasico in modalità transitoria per produrre curve di concentrazione del soluto rispetto al tempo basate sui coefficienti di diffusione per ciascuna zona della cartilagine.Per il modello multifasico in una fase di stato stazionario, impostare le stesse pressioni efficaci del fluido e le stesse concentrazioni di soluto per la cartilagine e il bagno finito, aumentando la densità di carica fissa al valore desiderato. In un passaggio transitorio, creare un bagno finito ben agitato mantenendo il coefficiente di diffusione nel bagno sufficientemente alto. Iniettare il soluto dall'interfaccia dell'aria del bagno nel bagno per raggiungere il valore di concentrazione.Quindi rimuovere la condizione al contorno di concentrazione del soluto prescritta dal passaggio precedente e riportare il coefficiente di diffusione del bagno finito al suo coefficiente di diffusione effettivo. Esegui il modello multifasico utilizzando un'interfaccia FEBio MATLAB per ottenere curve di concentrazione del soluto rispetto al tempo basate sulle densità di carica fisse applicate e sui coefficienti di diffusione per ciascuna zona della cartilagine. Utilizzando questo metodo, i processi di diffusione di mezzi di contrasto neutri e anionici attraverso la cartilagine articolare sono stati modellati rispettivamente con modelli di soluto bifasico e multifasico.Entrambi i modelli si adattano bene ai dati sperimentali. I coefficienti di diffusione dell'agente di contrasto neutro, lo iodixanolo, in diverse zone della cartilagine sono stati determinati dal modello del soluto bifasico e i coefficienti di diffusione dell'agente di contrasto anionico, lo ioxaglato, in diverse zone sono stati determinati dal modello multifasico. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della biomeccanica dei tessuti per esplorare le proprietà diffusive dei tessuti molli utilizzando una combinazione di approcci sperimentali e computazionali.Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come progettare piattaforme sperimentali e computazionali per quanto riguarda la diffusione attraverso la cartilagine articolare.

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