滑膜関節バイオメカニクス、メカノバイオロジー、物理調節の研究のための摩擦試験バイオリアクター装置
2022年6月2日
本プロトコルは、接触する2つの生物学的対向面に同時に相互摺動および通常の荷重を加える摩擦試験装置を記載する。
従来、私たちは摩擦係数を計算するために非生体組織を研究するためにテスターを使用してきましたが、生体組織をテストし、生物学的相互作用を評価するためのテスターの能力を大幅に拡大しています。摩擦試験装置は、生体組織外植体の接触面に相互の平行移動運動と圧縮荷重を供給します。このデバイスはモジュール式で、さまざまな生物学的カウンターフェースのテストが可能です。
この方法は、摩擦力が生きている軟骨および滑膜の機械的および機械的生物学的応答にどのように影響するかについての洞察を提供し、関節の健康を維持するための新しい戦略につながる可能性がある。幼いウシ滑膜を収穫することから始めます。メス刃を用いて、滑膜関心領域の輪郭をなぞる。
鉗子を使用して、滑膜の一端をつかみ、滑膜遠位を下層の骨まで伸ばすように静かに持ち上げます。メス刃を使用して骨から滑膜を除去し、組織を適切な培養培地または試験浴溶液に入れる。その後、調節可能なホルダーに脛骨を固定することによって、若年ウシ軟骨を収穫する。
軟骨表面との接触を避けながら、半月板を慎重に取り除きます。脛骨高原の外縁で、ボックスカッターを使用して軟骨に対して垂直に骨に向かって切断します。軟骨を完全に切り取って、まっすぐな縁または側面を作ります。
余分な組織を取り除きます。外側の端で、ボックスカッターを使用して、骨と軟骨の間の界面にきれいな切断を行います。プラトー表面から脛骨ストリップを取り外すには、カットの下にマイナスドライバーを静かに挿入し、軟骨下骨から関節軟骨を緩めるように静かに回転させます。
サンプルが緩んだら、軟骨ストリップが骨から外れるまでドライバーをゆっくりと前方に押します。ドライバーが軟骨ではなく骨に向かって押し込まれていることを確認します。ボックスカッターを使用して、脛骨プラトー表面を切断し、所望のサイズおよび厚さの長方形サンプルを生成する。
組織を適切な培養培地または試験浴溶液に入れる。脛骨帯を底面のカウンターフェースとして使用する場合は、取り外し可能な磁気ベースを取り外し、直径60mmのシャーレを取り外し可能なベースの上面に接着します。シャーレを所定の位置に接着した状態で、取り外したベースを固定ベースに取り付け、ペトリ皿にスライド方向を示すマークを付けます。
少量のシアノアクリレートを皿の中央に塗ります。脛骨帯をステージのスライド方向に合わせます。軟骨ストリップを皿に静かに押し付けます。
取り外し可能な磁気ベースを摩擦試験機の対になった固定ベースに復元します。ペトリ皿に目的の試験浴溶液を満たします。滑膜を上部のカウンターフェースとして使用する場合は、摩擦試験機からローディングプラテンとサポートロッドを取り外します。
滑膜を円形プラテンの上に置きます。滑膜を固定するには、Oリングをその円周上に広げます。鉗子を使用して、滑膜を静かに引っ張り、組織をOリングの下に張り、平らに伸ばします。
余分な組織を外科用はさみでトリミングします。ローディングプラテンとサポートロッドを摩擦試験機に復元します。滑膜が底部のカウンターフェースの上に浮かび上がり、試験浴に沈むように、ローディングプラテンの垂直高さを調整します。
取り付けた試料を摩擦試験装置に挿入します。アナログデータビルドMF DAQを開きます。プログラムでロード PID を初期化し、動的呼び出し元 Windows をトリガーします。
アナログデータビルドMF DAQを実行し、実行ボタンを押してロードPIDウィンドウを初期化します。[動的呼び出し元のトリガー] ウィンドウの [ステッパー] タブに移動します。ユーザー入力ボックスで、翻訳ステージの加速度、速度、および距離を指定します。
テスト期間を入力するには、[時間状態]テーブルの右下にある[フォルダを開く]ボタンをクリックし、[ステッパー時間インデックス]ファイルパスを選択します。次に、[ボイスコイル]タブでテスト期間をもう一度指定します。[時間状態]テーブルの右下にある[フォルダを開く]ボタンをクリックしてボイスコイルインデックスファイルパスを選択し、ファイルを選択します。
これは、ボイスコイルを使用するかどうかにかかわらず実行する必要があります。通常の荷重を適用します。デッドウェイトを使用する場合は、ローディングプラテンの上にあるリニアベアリングに目的のウェイトを置きます。
加えられた荷重にローディングプラテンとサポートロッドの重量を加えたものが、ロードセル定格容量を超えないようにしてください。[ファイルへの権利] ボックスの右側にある [フォルダーを開く] ボタンを使用して、データ ストレージのパスとファイル名を選択します。ファイルを txt 拡張子で保存します。
下部のカウンターフェイスを上部のカウンターフェイスの下に中央に配置し、これをゼロ X 位置として設定します。これを行うには、[実行] ボタンを押して [動的呼び出し元のトリガー] ウィンドウを実行します。ステッパータブでホームボタンをクリックして、ステージを最後に保存したゼロX位置に移動します。
対向線が整列していない場合は、緑色の左右矢印ボタンをクリックしてステージを移動します。目的の位置に達したら、ゼロボタンをクリックして、現在のステージ位置を新しいゼロX位置として保存します。「動的呼び出し元のトリガー」ウィンドウを停止するには、「停止」ボタンをクリックします。
上部と下部のカウンターフェースが中央に配置されたら、ステージの周期的な動きを開始して、サンプルの摩擦試験を開始します。ステージが動いたら、ゆっくりと上部のカウンターフェイスを下部に接触させます。テストを実行し、摩擦テストデータを収集します。
希望の試験期間が経過したら、停止ボタンを押し、上部のカウンターフェースを持ち上げて下部のカウンターフェースと接触しないように移動して、試験片をアンロードしてテストを停止します。カスタムコードを使用して、サイクルごとの摩擦係数とヒステリシスを計算します。1 つのフォルダーにすべての関連ファイルが含まれていることを確認します。
摩擦サイクルの実行を開きます。m ファイルです。スクリプトの [実行] ボタンをクリックします。
分析する生データファイルと目的の保存場所を選択します。摩擦係数プロットとヒステリシスプロットはMATLABによって出力されます。滑膜オン軟骨構成を使用して、滑膜が下層の軟骨と接触するように、滑膜が直径10ミリメートルのアクリルローディングプラテンに取り付けられた幼若ウシ外植体を摩擦試験した。
軟骨カウンターフェースとして脛骨ストリップを使用した。各往復サイクルにわたるFTの平均をFNで割った値から実効摩擦係数を計算し、試験期間に対してプロットして摩擦係数対時間プロットを得ました。各試験について、摩擦係数値を試験全体にわたって平均化した。
PBS試験槽では、接触応力が増加するにつれて平均摩擦係数値が増加しました。逆に、平均摩擦係数値は、ウシ滑液浴中で接触応力が増加するにつれて類似したままであった。サーフェスを接触させる前に、荷重データの収集を開始することを忘れないでください。
これにより、適切な風袋荷重を計算できます。組織および潤滑浴成分は、所与の実験レジメンによって付与される生物学的変化を評価するために試験の前後に評価することができる。
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概要
このプロトコルは、生体生物組織間の相互作用を評価するために設計された摩擦試験装置について説明しています。この装置は、2つの接触する生体反対面に同時に往復スライドと垂直荷重を適用し、非生体組織を超えた能力を拡張しています。
主要な研究要素
科学の分野
- バイオメカニクス
- バイオマテリアル
- 関節の健康
背景
- 従来の摩擦試験は非生体組織に焦点を当てていました。
- 摩擦力の理解は関節の健康にとって重要です。
- 生体組織は非生体組織とは異なる機械的特性を示します。
- この装置はモジュール式で、様々な生体反対面を試験することができます。
研究の目的
- 生体組織における摩擦相互作用を評価すること。
- 軟骨と滑膜の機械的および機械生物学的反応を評価すること。
- 関節の健康維持のための戦略を開発すること。
使用された方法
- 若い牛の滑膜の採取。
- 関心領域を彫刻刀で輪郭を描くこと。
- 往復変位運動と圧縮荷重の適用。
- モジュール式装置を用いて様々な生体反対面の試験。
主要な結果
- この装置は生体組織のexplantを正常に試験できます。
- 生体組織に影響を与える摩擦力に関する洞察が得られました。
- 関節の健康維持のための潜在的な新しい戦略が特定されました。
結論
- この摩擦試験装置は生体相互作用の理解を深めます。
- 関節の健康に関する将来の研究のためのプラットフォームを提供します。
- さらなる研究により、関節関連疾患の治療改善につながる可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Quantitative friction testing of living synovium and cartilage explants addresses a critical gap in early musculoskeletal target validation by enabling direct measurement of biomechanical and mechanobiological responses under physiologic loading. This capability supports predictive confidence in joint health research and informs risk-adjusted advancement of disease-relevant models for osteoarthritis and related disorders. The modular bioreactor platform positions frictional force quantification as a reusable asset for portfolio-wide mechanistic de-risking and assay development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of tissue-level biomechanical hypotheses in joint health.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying frictional effects on living cartilage and synovium.
- Facilitates functional target validation through controlled, physiologically relevant loading regimens.
- Provides a platform for comparative studies of lubricating agents and tissue responses.
Screening & Assay Development
- Delivers standardized, reproducible friction coefficient measurements for living tissue explants.
- Prepares validated biological systems for downstream screening of lubricants or therapeutic candidates.
- Enables quantitative assessment of assay outputs such as friction coefficient and hysteresis per cycle.
- Supports scalability and modular adaptation for diverse joint tissue configurations.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant biomechanical models for osteoarthritis and joint degeneration.
- Enables continuity from discovery-stage mechanistic studies to preclinical validation of interventions.
- Supports evaluation of biological changes in tissues and lubricating environments before and after testing.
- Provides predictive data to inform translational biomarker strategies in joint health research.
Pipeline & Workflow Integration
This friction testing bioreactor integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis-driven biomechanical studies, assay development, and translational model validation for joint tissue research.
- Discovery Biology: Supports null hypothesis testing of frictional effects on living joint tissues under controlled loading.
- Screening: Provides reproducible, quantitative friction coefficient outputs for assay standardization.
- Analytics: Generates time-resolved friction and hysteresis plots for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Bridges mechanistic findings to preclinical models of joint disease and intervention testing.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, adaptable platform for repeated use across joint tissue types and experimental regimens.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in joint biomechanics research.
- Operational Value: Standardizes friction testing workflows and enables reproducible, scalable data generation.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for joint health targets and interventions, improving capital efficiency.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of disease-relevant models and candidate therapies.
Implementation Considerations
- Requires expertise in tissue harvesting, biomechanical testing, and data analysis.
- Needs access to modular friction testing instrumentation and analytical software (e.g., MATLAB).
- Demands cross-team standardization of tissue preparation and loading protocols.
- Adaptable to various joint tissue types and lubricating environments with modular components.
- Practical limitations include load cell capacity and tissue viability during extended testing.
