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

Tradizionalmente abbiamo usato il tester per studiare i tessuti non viventi per calcolare i coefficienti di attrito, ma stiamo espandendo significativamente le capacità del tester per testare i tessuti viventi e valutare le interazioni biologiche. Il dispositivo di prova dell'attrito fornisce movimento di traslazione reciproco e carico compressivo alle superfici di contatto degli espianti di tessuti viventi. Il dispositivo è modulare, consentendo il test di varie controfasi biologiche.

Il metodo potrebbe fornire informazioni su come le forze di attrito influenzano le risposte meccaniche e meccanicobiologiche della cartilagine vivente e della sinovia, che possono portare a nuove strategie per mantenere la salute delle articolazioni. Inizia raccogliendo la sinovia bovina giovanile. 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 e posizionare il tessuto in un terreno di coltura appropriato o in una soluzione da bagno di prova. Quindi raccogliere la cartilagine bovina giovanile fissando la tibia in un supporto regolabile.

Rimuovere il menisco con attenzione evitando il contatto con la superficie della cartilagine. Sui bordi esterni dell'altopiano tibiale, utilizzare un taglierino per tagliare perpendicolarmente alla cartilagine verso l'osso. Tagliare completamente attraverso la cartilagine per creare bordi o lati dritti.

Rimuovere il tessuto in eccesso. Sui bordi esterni, utilizzare il taglierino per effettuare un taglio netto all'interfaccia tra l'osso e la cartilagine. Per rimuovere la striscia tibiale dalla superficie dell'altopiano, inserire delicatamente un cacciavite a testa piatta sotto il taglio e ruotare delicatamente per allentare la cartilagine articolare dall'osso subcondrale.

Quando il campione si allenta, spingere lentamente il cacciavite in avanti fino a quando la striscia di cartilagine si stacca dall'osso. Assicurarsi che il cacciavite sia spinto verso l'osso, non verso la cartilagine. Utilizzando un taglierino, tagliare la superficie del plateau tibiale per produrre campioni rettangolari delle dimensioni e dello spessore desiderati.

Posizionare il tessuto in un terreno di coltura appropriato o in una soluzione da bagno di prova. Se la striscia tibiale viene utilizzata come controfacciata inferiore, rimuovere la base magnetica rimovibile e incollare una piastra di Petri di 60 millimetri di diametro sulla superficie superiore della base rimovibile. Con la capsula di Petri incollata in posizione, attaccare la base staccata alla base fissa e contrassegnare la piastra di Petri per indicare una direzione di scorrimento.

Applicare una piccola quantità di cianoacrilato al centro del piatto. Allineate la striscia tibiale con la direzione di scorrimento dello stage. Premere delicatamente la striscia di cartilagine sul piatto.

Ripristinare la base magnetica rimovibile alla base fissa accoppiata nel tester di attrito. Riempire la capsula di Petri con la soluzione di bagno di prova desiderata. Se la sinovia viene utilizzata come controfaccia superiore, rimuovere la piastra di carico e l'asta di supporto dal tester di attrito.

Posizionare la sinovia sopra la piastra circolare. Per fissare la sinovia, distribuire un O-ring sulla sua circonferenza. Usando la pinza, tirare delicatamente la sinovia per allungare il tessuto teso e piatto sotto l'O-ring.

Tagliare il tessuto in eccesso con le forbici chirurgiche. Ripristinare la piastra di carico 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.

Inserire i campioni montati nel dispositivo tester di attrito. Aprire la build di dati analogici MF DAQ. Inizializzare Load PID e Trigger Dynamic Caller Windows nel programma.

Eseguire la build di dati analogici MF DAQ e inizializzare la finestra PID di caricamento premendo il pulsante Esegui. 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.

Per inserire la durata del test, fare clic sul pulsante Apri cartella in basso a destra nella tabella Stato orario e selezionare il percorso del file Stepper Time Index. Quindi specificare nuovamente la durata del test nella scheda Bobina vocale. Seleziona il percorso del file Voice Coil Index facendo clic sul pulsante Apri cartella in basso a destra nella tabella Stato temporale e seleziona il file.

Questo deve essere eseguito indipendentemente dal fatto che la bobina vocale venga utilizzata o meno. Applicare 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. Selezionare il percorso e il nome del file per l'archiviazione dei dati utilizzando il pulsante Apri cartella a destra della casella Diritto al file. Salvare il file con estensione txt.

Centrare la controfacciata inferiore sotto la controfacciata superiore e impostarla come posizione zero X. A tale scopo, eseguire la finestra Attiva chiamante dinamico premendo il pulsante Esegui. Nella scheda Stepper fare clic sul pulsante Home per spostare lo stage all'ultima posizione zero X salvata.

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 zero X. Interrompere la finestra Trigger Dynamic Caller facendo clic sul pulsante Stop.

Una volta centrate le controfacce superiori e inferiori, avviare il test di attrito dei campioni avviando il movimento ciclico del palcoscenico. Una volta che il palco si muove, porta lentamente la controfacciata superiore a contatto con la parte inferiore. Lascia che il test venga eseguito, raccogliendo i dati dei test di attrito.

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. Utilizzare il codice personalizzato per calcolare il coefficiente di attrito e l'isteresi per ciclo. Assicurati che una singola cartella contenga tutti i file pertinenti.

Aprire l'esecuzione Ciclo di attrito. m file. Fare clic sul pulsante Esegui nello script.

Selezionare il file di dati grezzi da analizzare e la posizione di salvataggio desiderata. I grafici del coefficiente di attrito e dell'isteresi saranno emessi da MATLAB. Una configurazione sinovia su cartilagine è stata utilizzata per testare ad attrito gli espianti bovini giovani in cui la sinovia è stata montata su una piastra di carico acrilica di diametro 10 millimetri in modo tale che lo strato intimale fosse a contatto con la cartilagine sottostante.

Una striscia tibiale è stata usata come controfacciata della cartilagine. Un coefficiente di attrito effettivo è stato calcolato dalla media di FT divisa per FN su ciascun ciclo alternativo e quindi tracciato rispetto alla durata del test per ottenere un grafico coefficiente di attrito rispetto al tempo. Per ogni prova, i valori dei coefficienti di attrito sono stati mediati sull'intera prova.

In un bagno di prova PBS, i valori medi del coefficiente di attrito aumentavano all'aumentare dello stress di contatto. Al contrario, i valori medi del coefficiente di attrito sono rimasti simili all'aumento dello stress da contatto in un bagno di liquido sinoviale bovino. Ricordarsi di iniziare a raccogliere i dati di carico prima di portare le superfici a contatto.

Ciò garantisce che sia possibile calcolare un carico di tara adeguato. 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.