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

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。