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

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.