방법 논문

마찰 테스트 - 활막 관절 생물 역학, Mechanobiology 및 물리적 조절 연구를위한 생물 반응기 장치

DOI:

10.3791/63880

⸱

2022년 6월 2일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Columbia University, 2Department of Mechanical Engineering, Columbia University, 3Department of Orthopedic Surgery, Columbia University

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 프로토콜은 두 개의 접촉하는 생물학적 카운터페이스에 동시 상호 슬라이딩 및 정상 하중을 적용하는 마찰 시험 장치를 기술한다.

초록

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

원발성 골관절염 (OA)에서 노화와 관련된 정상적인 '마모'는 연골이 하중 유지 및 윤활 기능을 유지하는 능력을 억제하여 해로운 물리적 환경을 조성합니다. 관절 연골과 활막의 마찰 상호 작용은 조직 수준 마모 및 세포 메카노 형질 도입을 통해 관절 항상성에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 기계적 및 메카노생물학적 과정을 연구하기 위해, 관절의 움직임을 복제할 수 있는 장치가 기술된다. 마찰 테스트 장치는 상호 변환 동작과 정상 하중을 두 개의 접촉하는 생물학적 카운터페이스로 전달하는 것을 제어합니다. 이 연구는 활막 온 연골 구성을 채택하고 인산염 완충 식염수 (PBS) 또는 활액 (SF) 욕조에서 수행 된 테스트를 위해 마찰 계수 측정을 제시합니다. 이 테스트는 다양한 접촉 응력에 대해 수행되었으며, 고부하에서 SF의 윤활 특성을 강조했습니다. 이러한 마찰 시험 장치는 이관절 관절 관절과 관련된 적용된 생리학적 하중에 반응하여 살아있는 관절 조직의 물리적 조절을 연구하기 위한 생체모방 생물반응기로서 사용될 수 있다.

서론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

골관절염 (OA)은 32 백만 명이 넘는 미국 성인에게 영향을 미치는 쇠약 해지는 퇴행성 관절 질환으로 의료 및 사회 경제적 비용은 $ 16.5 billion1 이상입니다. 이 질병은 고전적으로 관절 연골 및 연골하 뼈의 분해를 특징으로합니다. 그러나 활막염의 변화는 활막염 이 OA 증상 및 진행 2,3,4와 관련이 있기 때문에 최근에 감사를 얻었습니다. 원발성 (특발성) OA에서, 노화와 관련된 정상적인 '마모'는 연골의 하중 유지 및 윤활 기능을 유지하는 능력을 억제합니다. 관절 연골층의 장기간 슬라이딩 접촉 또는 임플란트 재료에 대한 연골의 슬라이딩 접촉에 의해 발생하는 응력은 표면 하부 피로 장애를 통한 박리 마모를 촉진하는 것으로 나타났다5,6. 관절(7,8) 내에 역동적인 기계적 환경이 존재하기 때문에, 관절 연골과 활막의 마찰적 상호작용은 조직 수준 마모 및 세포 메카노형질도입을 통해 관절 항상성에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 기계적 및 메카노생물학적 과정을 연구하기 위해, 압축 및 마찰 하중 5,6,9,10,11,12,13에 대한 엄격한 제어로 관절의 움직임을 복제하도록 장치가 설계되었습니다.

본 프로토콜은 생체 조직 외식식물의 접촉 표면에 상호적, 번역 운동 및 압축 하중을 전달하는 마찰 시험 장치를 기술한다. 컴퓨터 제어 장치를 사용하면 각 테스트 기간, 적용된 부하, 번역 단계의 동작 범위 및 번역 속도를 사용자가 제어할 수 있습니다. 이 장치는 모듈식으로, 조직 상의 조직(연골 온 연골 및 활막 온 연골) 및 유리 위-조직과 같은 다양한 카운터페이스를 테스트할 수 있습니다. 시험자에 의해 수득된 기능적 측정에 더하여, 조직 및 윤활욕 성분은 주어진 실험 요법에 의해 부여된 생물학적 변화를 평가하기 위해 시험 전후에 평가될 수 있다.

연골 마찰학에 대한 연구는 수십 년 동안 수행되어 왔으며 연골과 유리 및 연골 사이의 마찰 계수를 측정하기위한 몇 가지 기술이 개발되었습니다14,15. 상이한 접근법은 관심 있는 관절 및/또는 윤활 메카니즘에 의해 동기부여된다. 실험 변수의 제어와 생리 매개 변수의 되풀이 사이에는 종종 절충점이 있습니다. 진자 스타일의 장치는 하나의 관절 표면이 두 번째 표면 14,16,17,18에서 자유롭게 해석되는 간단한 진자의 지렛대로 손상되지 않은 조인트를 활용합니다. 무손상 관절을 사용하는 대신에, 마찰 측정은 원하는 표면(14,19,20,21,22,23,24,25) 위에 연골 전식이를 슬라이딩함으로써 얻어질 수 있다. 보고된 관절 연골의 마찰 계수는 작동 조건14,26에 따라 넓은 범위(0.002 내지 0.5)에 걸쳐 다양하였다. 장치들은 회전 운동(23,27,28)을 복제하도록 생성되었다. Gleghorn et al.26은 Stribeck 곡선 분석을 사용하여 연골 윤활 프로파일을 관찰하기 위해 다중 웰 맞춤형 트리보미터를 개발했으며, 평평한 유리 카운터페이스에 대해 연골 사이에 선형 진동 슬라이딩 모션을 적용했습니다.

이 장치는 마찰 반응을 분리하고 다양한 로딩 조건 하에서 살아있는 조직의 메카노 생물학을 탐구하는 것을 목표로합니다. 이 장치는 압축 슬라이딩을 통한 관절 관절을 시뮬레이션하는 단순화된 테스트 셋업을 채용하며, 이는 순수 롤링 모션에서의 저항이 관절 연골(29)의 측정된 마찰 계수에 비해 무시할 수 있다는 이해와 함께 롤링 및 슬라이딩 모션 둘 다를 근사화할 수 있다. 원래 관절 연골의 마찰 반응에 대한 간질액 가압의 영향을 연구하기 위해 만들어진 테스터는 이후 연골(10)의 피상적 영역 제거의 마찰 효과, 활액(11)의 윤활 효과, 연골 마모 가설 5,6,30, 활막-온 조직 마찰 측정(13) 등의 주제를 탐구하는 데 사용되었다. . 마찰 테스트 생물 반응기는 멸균 조건에서 마찰 실험을 수행 할 수 있으며, 마찰력이 살아있는 연골과 활막의 메카노 생물학적 반응에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하는 새로운 메커니즘을 제공합니다. 이 설계는 이관절 관절 관절과 관련된 적용된 생리학적 하중에 반응하여 살아있는 관절 조직의 물리적 조절을 연구하기 위한 생체모방 생물반응기로서 사용될 수 있다.

이 연구는 다양한 접촉 응력과 다양한 윤활조에서 활막 온 연골 마찰 테스트를위한 구성을 제시합니다. 대부분의 관절의 관절 표면적은, 상당 부분 활막 조직(31)이다. 활막-연골 상의 미끄러짐은 일차 하중 지지 표면에서 발생하지 않지만, 두 조직 사이의 마찰 상호작용은 여전히 조직 수준 수복 및 세포 메카노형질도입에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 활막의 내막층에 상주하는 섬유아세포-유사 활막세포(FLS)는 유체-유도된 전단 응력(32)에 반응하는 메카노민감성이라는 것이 이전에 밝혀졌다. 또한, 스트레치33,34 및 유체 유도 전단 응력(35)이 FLS 윤활유 생산을 조절한다는 것이 입증되었다. 이와 같이, 활막과 연골 사이의 직접적인 슬라이딩 접촉은 활막 내에 상주하는 세포에 또 다른 기계적 자극을 제공할 수 있다.

활막 마찰 계수에 대한 몇 가지 보고서 만31,36 개가 발표되었습니다. Estell et al.13은 생물학적으로 관련된 카운터 페이스를 활용하여 이전의 특성화를 확장하려고했습니다. 마찰 테스트 장치의 생체 조직 테스트 기능을 통해 관절 관절 중 생리 학적 조직 상호 작용을 모방하여 활막 세포 기능에 대한 접촉 전단 스트레스의 역할과 활막과 연골 사이의 누화에 대한 기여를 밝힐 수 있습니다. 후자는 관절염과 부상 후 활막 관절 염증을 매개하는 데 연루되어 있습니다. 연골 생성을 포함한 다분화능을 나타내는 활막세포를 포함하는 활막과 활액에 연골이 물리적으로 근접하기 때문에, 활막세포는 관절 표면에 생착하여 연골 항상성 및 수복에 중요한 역할을 한다고 가정된다. 이러한 맥락에서, 연골-활막 및 활막-활막의 물리적 접촉 및 상호 전단은 연골 손상의 영역에 대한 활막세포의 접근성을 증가시킬 수 있다(37,38,39,40). 활막-연골 구성을 활용하는 연구는 관절 총 조직 역학 및 마찰학에 대한 통찰력을 제공 할뿐만 아니라 관절 건강을 유지하기위한 새로운 전략으로 이어질 수도 있습니다.

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프로토콜

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국소 abattoir로부터 얻은 청소년 소 무릎 관절이 본 연구에 사용되었다. 이러한 소 표본 샘플을 사용한 연구는 Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC)에서 면제됩니다.

1. 마찰 시험 장치 설계

참고: 마찰 테스트 장치의 개략적인 표현은 그림 1에 나와 있습니다. 이 장치는 구조적 지지를위한 플랫폼 역할을하는 강성베이스 플레이트 (도시되지 않음) 위에 구축됩니다.

  1. 스테퍼 모터를 수평 변환 단계( 재료 표 참조)에 부착하여 접촉면에 상호 변환 동작을 전달하는 두 축 마찰 테스트 장치를 생성합니다.
  2. 번역 단계에 다축 로드 셀을 장착합니다(자료 표 참조). 장착된 로드셀은 z방향(Fn)의 정상 하중을 측정하고, x 방향(Ft)의 접선 부하를 측정하는데 사용될 것이다.
  3. 변환 단계에 선형 인코더(자료 표 참조)를 장착하여 스테이지의 수평 변위(ux)를 기록합니다. 또한, 로딩 스테이지에 선형 인코더(재료 표 참조)를 장착하여 플래튼의 수직 변위(uz)를 기록한다.
    참고: 변환 단계 인코더는 접촉면의 상대적 접선 변위를 기록하며, 이 정보는 왕복 슬라이딩의 각 새 사이클의 시작을 감지하는 데 사용됩니다.
  4. 로딩 플래튼(상부 접촉 표면)을 유리, 연골 또는 활막 카운터페이스로 구성합니다. 나사 지지대를 통해 플래튼을 적재 단계에 연결하십시오.
  5. 로드셀 상단에 2부로 구성된 마그네틱 베이스를 부착( 자료표 참조): (1) 로드셀에 영구적으로 부착되는 고정 베이스 및 (2) 고정 베이스에 자기적으로 연결되는 탈착식 베이스. 두 부분이 단단히 연결되어 있는지 확인하십시오.
    주: 탈착식 받침대는 번역 카운터페이스(하단 접촉면)를 고정합니다.
  6. 정상적인 하중을 처방하십시오. 적재 플래튼과 지지대 위의 선형 베어링에 장착된 중량을 사용하십시오. 대안적으로, 보이스 코일 액추에이터( 재료 표 참조)를 사용하여 하중을 지정하고, 이는 하부 접촉 표면(41)을 동적으로 로딩할 수 있다.
  7. 장치를 알루미늄 프레임 아크릴 인클로저 ( 재료 표 참조) 내에 보관하여 오염으로부터 환경을 보호하십시오.
    참고: 커스텀 LabVIEW 프로그램은 각 테스트 기간과 스테이지 이동 경로, 가속도(방향 변경) 및 속도를 사용자가 제어하여 장치( 보조 코딩 파일 참조)를 제어합니다. 정상적인 힘, 접선력, 무대 변위 및 크리프 변위는 데이터 수집 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하여 테스트 전반에 걸쳐 모니터링됩니다( 재료 표 참조).

2. 시편 준비 및 장착

  1. 아래 단계에 따라 멸균 조직 수확을 준비한다.
    참고: 멸균 수확을 원하지 않는 경우 2.2단계로 진행하십시오.
    1. 오토클레이브에서 금속 공구를 살균하십시오. 조인트 홀더에 70% 에탄올을 뿌려 생물학적 안전 캐비닛(BSC)에 놓습니다. 한 번의 자외선(UV) 주기 동안 캐비닛을 닫습니다.
    2. 오토클레이브에서 도구를 검색합니다. 도구, 베타 딘, 멸균 메스 블레이드 및 70 % 에탄올을 함유 한 비커를 BSC에 넣으십시오.
    3. BSC 내부에서 도구를 열고 70 % 에탄올 비커에 넣으십시오. 메스 블레이드를 메스 핸들에 부착하십시오.
    4. 수확을 위해 관절을 준비하십시오. 관절 외부를 70 % 에탄올로 스프레이하고 알루미늄 호일에 30 분 동안 싸십시오. 관절 캡슐이 부러지지 않도록주의하십시오.
      참고 : 청소년 소 무릎 관절은 대퇴골과 경골이 관절보다 약 15cm 우수하고 열등하게 절단되어 손상되지 않은 캡슐을 보장합니다.
    5. 30분 후, 래핑된 조인트를 BSC 내부에 놓습니다. 호일을 열고 조인트를 홀더에 고정하십시오. 관절 표면을 가로 질러 베타 딘을 부드럽게 닦아 베타 딘으로 관절을 덮으십시오.
      참고: 활막별 지침과 연골별 지침은 각각 2.2단계와 2.3단계를 참조하십시오.
  2. 아래 단계에 따라 청소년 소 활액을 수확하십시오.
    1. 전방 측면이 디스 해부를 향하게하는 고리 스탠드 ( 재료 표 참조)를 사용하여 tibiofemoral 관절 캡슐을 고정하십시오. 포셉과 메스 블레이드를 사용하여 경골보다 우수한 5-10cm(관절 크기에 따라 다름)의 수평 절개를 사용하여 슬개골 힘줄을 절단합니다(그림 2A).
    2. 분리 된 슬개골 힘줄을 집게로 잡으십시오. V 모양으로 전방에서 후방으로 두 개의 절단을 만듭니다(그림 2B,C). 이러한 상처는 슬개골을 풀어야합니다.
      참고: 관절이 열리기 시작하면 전방 십자인대(ACL), 후방 십자인대(PCL), 내측측부실인대(MCL), 측부측인대(LCL) 및 반월판이 절단되지 않도록 주의하십시오.
    3. 슬개골을 관절 뒤로 돌리거나 관절에서 완전히 제거하십시오. 관절의 내측 및 측면 측면의 활막에 피상적 인 조직을 조심스럽게 제거하여 활액을 노출시킵니다.
    4. 메스 블레이드를 사용하여 관심있는 활막 영역의 윤곽선을 추적하십시오. 포셉을 사용하여 활막의 한쪽 끝을 잡고 부드럽게 들어 올려 활막 원위를 하부 뼈까지 뻗습니다. 메스 블레이드를 사용하여 뼈에서 활액을 제거합니다(그림 2D,E).
    5. 조직을 적절한 배양 배지 또는 테스트 목욕 용액에 넣습니다. 활막 외식편은 원하는 실험을 위해 배양되거나 장착되고 시험에 사용될 수 있다.
      참고: 문화 미디어/테스트 목욕 솔루션은 연구 그룹의 선호도에 따라 달라질 수 있습니다. 본 연구에 사용되는 맞춤형 것들은 자료표를 참조하십시오.
  3. 어린 소 연골 (대퇴골 플러그와 경골 스트립)을 수확하십시오.
    1. ACL, PCL, MCL 및 LCL을 절단하여 경골에서 대퇴골을 분리하십시오. 대퇴골 연골을 썰거나 반월판을 통해 경골 고원으로 슬라이스하지 않도록주의하십시오. 분리된 조직을 해부를 위해 각각의 홀더에 넣는다(대퇴골의 경우 단계 2.3.2, 경골의 경우 단계 2.3.3).
    2. 링 스탠드를 사용하여 대퇴골을 고정하십시오. 원하는 모양과 크기의 생검 펀치를 사용하여 뼈에 도달할 때까지 대퇴골 관절 연골 표면에 정상 계측기를 구동합니다(그림 3A).
      1. 펀치를 왼쪽에서 오른쪽으로, 앞뒤로 움직여 뼈에 대한 플러그의 연결을 느슨하게 합니다. 펀치를 제거하지 않고이 작업을 수행하십시오.
        참고: 뼈가 연골에서 분리될 때 딱딱거리는 소리가 들릴 수 있습니다.
      2. 펀치와 플러그를 기본 뼈에서 제거합니다(그림 3B). 필요한 경우 콘딜의 나머지 손길이 닿지 않은 위치에 대해 2.3.2, 2.3.2.1 및 2.3.2.2단계를 반복합니다.
        참고: 대퇴골 플러그를 테스트 베이스에 장착할 준비를 할 때, 플러그의 깊은 면을 평평하게 면도해야 할 수도 있습니다. 이것은 상자 커터 또는 메스로 수행 할 수 있습니다.
      3. 조직을 적절한 배양 배지 또는 테스트 욕조 용액에 넣으십시오. 대퇴골 플러그는 원하는 실험을 위해 배양되거나 장착되고 시험에 사용될 수 있다.
    3. 경골을 조정 가능한 홀더에 고정 하십시오 (재료 표 참조). 연골 표면과의 접촉을 피하면서 반월 연골을 조심스럽게 제거하십시오 (그림 4A).
      1. 경골 고원의 바깥 쪽 가장자리에서 상자 커터를 사용하여 뼈쪽으로 연골에 수직으로 자릅니다. 연골을 완전히 절단하여 가장자리/측면을 똑바로 만듭니다(그림 4B). 각 경골 고원 가장자리에서 약 2mm 떨어진 곳에서 절단을 시작하고 과도한 조직을 제거하십시오. 연골의 안쪽 가장자리에 점수를 매깁니다(그림 4C).
        참고 :이 시점에서 뼈는 경골 고원의 바깥 쪽 가장자리에있는 연골 아래에서 볼 수 있어야합니다.
      2. 바깥쪽 가장자리에서 상자 커터를 사용하여 뼈와 연골 사이의 계면에서 깨끗하게 절단합니다(그림 4D).
        참고: 절단은 연골 표면과 평행해야 하며 안쪽으로 약 5mm, 연골과 뼈를 분리하기 시작할 만큼 충분히 깊어야 합니다.
      3. 고원 표면에서 경골 스트립을 제거하려면 2.3.3.2 단계에서 만든 컷 아래에 플랫 헤드 스크루 드라이버를 부드럽게 삽입하십시오. 드라이버를 부드럽게 회전시켜 연골하 뼈에서 관절 연골을 느슨하게 합니다(그림 4E).
        참고: 뼈가 연골에서 분리될 때 딱딱거리는 소리가 들릴 수 있습니다.
      4. 샘플이 느슨해지면 연골 스트립이 뼈에서 분리될 때까지 드라이버를 천천히 앞으로 밀어 넣습니다. 드라이버를 연골이 아닌 뼈 쪽으로 밀어 넣습니다. 경골 고원 관절 연골이 하부 뼈에서 완전히 제거될 때까지 여러 위치에서 이 과정을 반복한다(그림 4F).
      5. 박스 커터를 사용하여 경골 고원 표면을 절단하여 원하는 크기와 두께의 직사각형 샘플을 생성합니다.
        참고: 본 연구에서는 10mm x 30mm 스트립을 절단했지만 이 치수는 원하는 실험 및 테스트 설정에 따라 달라질 수 있습니다.
      6. 조직을 적절한 배양 배지 또는 테스트 욕조 용액에 넣으십시오. 경골 스트립은 원하는 실험을 위해 배양되거나 장착되고 시험에 사용될 수 있다.
      7. 필요한 경우 두 번째 경골 고원에 대해 2.3.3.1-2.3.3.6 단계를 반복하십시오.
  4. 아래 단계에 따라 활막과 연골을 장착하십시오.
    1. 원하는 경우 테스트할 경골 스트립 샘플을 선택합니다.
      참고: 스트립은 하단 카운터페이스로 테스트할 수 있습니다.
      1. 탈착식 마그네틱 베이스 ( 재료 표 참조)를 제거하고 직경 60mm 페트리 접시를 탈착식베이스의 윗면에 붙입니다.
      2. 페트리 접시를 제자리에 붙인 상태에서 이동식 받침대를 고정 받침대에 부착하고 페트리 접시에 표시하여 슬라이딩 방향을 나타냅니다.
      3. 소량의 시아 노 아크릴레이트 ( 재료 표 참조)를 접시의 중앙에 바르십시오. 경골 스트립을 스테이지의 슬라이딩 방향에 맞춥니다(2.4.1.2부터 페트리 접시에 표시됨). 연골 스트립을 접시에 부드럽게 누르십시오. 연골 표면을 긁지 않도록주의하십시오.
        참고: 흡입 도구( 재료 표 참조)는 마찰 테스트를 위해 표면을 손상시키지 않으면서 연골에 부드러운 압력을 가할 수 있습니다.
      4. 탈착식 마그네틱 베이스(연골 스트립이 부착되어 있음)를 마찰 테스터의 페어링된 자기 고정 베이스로 복원합니다. Petri 접시에 원하는 테스트 욕조 용액을 채 웁니다. 테스트 욕조 용액은 연골을 완전히 덮어야합니다.
    2. 원하는 경우 대퇴골 연골 플러그를 선택하여 테스트하십시오.
      주: 플러그는 하단 또는 상단 카운터페이스로 테스트할 수 있습니다.
      1. 대퇴골 콘딜을 하단 카운터 페이스로 사용하는 경우 탈착식 자성베이스를 제거하고 제거식 받침대의 윗면에 직경 60mm 페트리 접시를 붙입니다.
        1. 소량의 시아 노 아크릴레이트를 접시의 중앙에 바르십시오. 연골 플러그를 접시에 부드럽게 누르십시오.
          참고: 흡입 도구는 마찰 테스트를 위해 표면을 손상시키지 않고 연골에 부드러운 압력을 가할 수 있습니다.
        2. 탈착식 마그네틱 베이스(부착된 연골 플러그 포함)를 마찰 테스터의 페어링된 자기 고정 베이스로 복원합니다. Petri 접시에 원하는 테스트 욕조 용액을 채 웁니다. 테스트 욕조 용액은 연골을 완전히 덮어야합니다.
      2. 대퇴골 연골이 상단 카운터 페이스로 사용되는 경우 마찰 시험기에서 로딩 플래튼과지지봉을 제거하십시오. 필요한 경우 기존 플래튼을 제거하고 연골 장착에 적합한 새로운 플래튼을 선택하십시오.
        1. 플래튼 표면에 소량의 시아 노 아크릴레이트를 바르십시오. 연골 플러그를 플래튼에 부드럽게 누릅니다.
          참고: 흡입 도구는 마찰 테스트를 위해 표면을 손상시키지 않고 연골에 부드러운 압력을 가할 수 있습니다.
        2. 적재 플래튼(부착된 연골 플러그 포함)과 지지봉을 마찰 시험기에 복원합니다. 로딩 플래튼의 수직 높이를 조정하여 연골 플러그가 하단 카운터 페이스 위로 맴돌고 테스트 욕조에 잠기도록하십시오. 필요한 경우 더 많은 테스트 목욕 솔루션을 추가하십시오.
    3. 원하는 경우 테스트할 활막 샘플을 선택합니다.
      참고: 활막은 하단 또는 상단 카운터페이스로 테스트할 수 있습니다.
      1. 활막이 하단 카운터 페이스로 사용되는 경우, 탈착식 마그네틱 베이스를 제거하고 제거식 베이스의 윗면에 직경 60mm 페트리 접시를 붙입니다.
        1. 원하는 직경의 맞춤형 가공 원형 아크릴 실리콘 포스트를 접시 중앙에 붙입니다.
        2. 포셉을 사용하여 시노븀을 포스트 위에 놓습니다. 활액을 고정하려면 O-링( 재료 표 참조)을 그 둘레에 퍼뜨립니다.
        3. 포셉을 사용하여 활액을 부드럽게 잡아 당겨 O-링 아래에 평평하게 가르치고 평평한 조직을 스트레칭하십시오. 수술 가위로 과도한 조직을 다듬으십시오.
        4. 탈착식 마그네틱 베이스(활막이 부착된 상태)를 마찰 테스터의 페어링된 자기 고정 베이스로 복원합니다. Petri 접시에 원하는 테스트 욕조 용액을 채 웁니다. 테스트 욕조 용액은 활액을 완전히 덮어야합니다.
      2. 활막이 상단 카운터페이스로 사용되는 경우, 마찰 시험기에서 로딩 플래튼과 지지봉을 제거하십시오. 필요한 경우 기존 플래튼을 제거하고 활막 장착에 적합한 새로운 원형 플래튼을 선택하십시오.
        1. 포셉을 사용하여 활액을 원형 플래튼 위에 놓습니다. 활액을 확보하려면 그 둘레에 O 링을 퍼뜨립니다.
        2. 포셉을 사용하여 활액을 부드럽게 잡아 당겨 O-링 아래에 평평하게 가르치고 평평한 조직을 스트레칭하십시오. 수술 가위로 과도한 조직을 다듬으십시오.
        3. 적재 플래튼 (부착 된 활막이 있음)과지지로드를 마찰 테스터에 복원하십시오. 시노븀이 하단 카운터 페이스 위로 맴돌고 테스트 욕조에 잠기도록 로딩 플래튼의 수직 높이를 조정하십시오. 필요한 경우 더 많은 테스트 목욕 솔루션을 추가하십시오.

3. 마찰 테스트

참고: 사용자 지정 LabVIEW 프로그램 및 관련 하드웨어( 보조 코딩 파일 참조)가 이러한 테스트에 사용됩니다. 커스텀 코드는 LabVIEW 2010을 기반으로 제작되었으며 동일한 레거시 버전에서 유지되었습니다. 따라서 코드가 최신 버전의 소프트웨어와 정방향 호환되지 않을 수 있습니다. 다음 단추가 실행되고 사용자 인터페이스 참조는 사용자 지정 코드에만 관련이 있습니다. 다른 소프트웨어 버전으로 작업하는 경우 코드를 수정하여 유사한 사용자 지정 프로그램을 작성할 수 있습니다.

  1. 장착된 시편을 마찰 시험기 장치에 삽입(단계 2.4)합니다.
    참고 : 시편은 테스트 욕조 용액에 잠겨 있어야하지만 서로 접촉해서는 안됩니다.
  2. 소프트웨어 프로그램을 열고 스테이지 속도, 스테이지 가속, 이동 경로(거리) 및 테스트 기간과 같은 테스트 매개 변수를 규정합니다(그림 5).
    1. 프로그램에서 아날로그 데이터 빌드 MFDAQ, 로드 PID 초기화 및 동적 호출자 트리거의 세 가지 창을 엽니다.
    2. 실행(흰색 화살표) 단추를 눌러 아날로그 데이터 빌드 MFDAQ 창을 실행합니다 .
    3. 실행(흰색 화살표) 단추를 눌러 PID 로드 초기화 창을 실행합니다 .
    4. 동적 호출자 트리거 창에서 스테퍼 탭으로 이동합니다. 사용자 입력 상자에서 변환 단계의 가속도, 속도 및 거리를 지정합니다.
      참고: 거리 값은 마모 트랙 절반 길이를 설정합니다. 즉, 스테이지는 지정된 제로 위치(단계 3.5)에서 양수 및 음수 x 방향 모두에서 설정된 거리 값으로 이동합니다.
    5. 스테퍼 탭에서 스테퍼 시간 인덱스 파일 경로를 선택하여 테스트 기간을 지정합니다. 시간 상태 테이블의 오른쪽 아래에 있는 폴더 열기 단추를 클릭하고 파일을 선택합니다.
    6. 음성 코일 탭에서도 테스트 기간을 지정합니다. 동적 호출자 트리거 창에서 음성 코일 탭으로 이동합니다. 3.2.5단계와 마찬가지로 시간 상태 테이블의 오른쪽 아래에 있는 폴더 열기 단추를 클릭하여 Voice Coil 인덱스 파일 경로를 선택하고 파일을 선택합니다. 기간은 스테퍼 탭의 기간과 일치해야 합니다.
  3. 정상 하중을 처방하십시오. 데드 웨이트를 사용하는 경우, 하중 플래튼 위의 선형 베어링에 원하는 가중치를 배치하십시오. 적용된 하중과 적재 플래튼 및 지지봉의 중량이 로드셀 정격 용량을 초과하지 않도록 하십시오.
  4. 파일에 쓰기 상자 오른쪽에 있는 폴더 열기 단추를 사용하여 데이터 저장소의 경로와 파일 이름을 선택합니다. ".txt" 확장자로 파일을 저장합니다.
  5. 아래쪽 카운터페이스를 위쪽 카운터페이스 아래에 가운데에 맞춥니다. 이것을 제로 x 위치로 설정하십시오.
    1. 실행(흰색 화살표) 단추를 눌러 동적 호출자 창 트리거를 실행합니다 . 스테퍼 탭에서 홈 버튼을 클릭하여 스테이지를 마지막으로 저장된 제로 x 위치로 이동합니다.
    2. 카운터페이스가 정렬되지 않은 경우 녹색 왼쪽 및 오른쪽 화살표 단추를 클릭하여 스테이지를 이동합니다. 원하는 위치에 도달하면 영(Zero ) 버튼을 클릭하여 현재 스테이지 위치를 새로운 제로 x 위치로 저장합니다. 중지 단추를 클릭하여 동적 호출자 트리거 창을 중지 합니다.
      참고: 스테이지 위치는 트리거 동적 호출자 창이 실행되는 동안에만 저장할 수 있지만 스테이지는 아직 프로그램에서 지정한 대로 이동하지 않습니다. 3.5.1단계에서 실행 (흰색 화살표) 단추를 누르면 스테이지가 이동하기 전에 15초 간격이 시작됩니다. 이 15초 시간 프레임을 사용하여 스테이지를 이동하고 원하는 제로 위치를 저장합니다.
    3. 첫 번째 시도에서 원하는 영점 x 위치를 얻지 못하면 3.5.1단계를 반복합니다.
      참고: 사용자가 위쪽 카운터페이스 아래의 아래쪽 카운터페이스를 이동할 때 스테이지 위치를 저장하기 위해 Zero 버튼을 간헐적으로 누르는 것이 도움이 될 수 있습니다. 홈 버튼을 클릭하면 스테이지가 Zero 버튼으로 저장된 마지막 위치로 이동한다는 것을 상기하십시오.
  6. 위쪽 및 아래쪽 카운터페이스가 가운데에 배치되면 스테이지의 순환 이동을 시작하여 샘플의 마찰 테스트를 시작합니다. 이렇게 하려면 실행(흰색 화살표) 단추를 눌러 동적 호출자 창 트리거를 실행합니다 .
  7. 무대가 움직이면 천천히 상단 카운터 페이스를 하단과 접촉시킵니다.
    참고: 적용된 로드 값은 소프트웨어 창에서 Fz 실시간 플롯을 보고 확인할 수 있습니다(그림 5A).
  8. 테스트를 실행하여 마찰 테스트 데이터를 수집합니다.
    참고: 3.5단계 동안 기록된 모든 데이터는 덮어씁니다. 실시간 히스테리시스는 트리거 동적 호출자 창에서 볼 수 있습니다(그림 5C).
  9. 원하는 테스트 기간이 지나면 정지 버튼을 누르고 상단 카운터페이스를 들어 올려 아래쪽 카운터페이스와 접촉하지 않도록 이동하여 시편을 하역하여 테스트를 중지합니다.

4. 데이터 처리

참고: 사용자 지정 MATLAB 프로그램은 데이터 처리에 사용됩니다( 보충 코딩 파일 참조). 이 코드는 커스텀 LabVIEW 코드로 지정된 출력 파일을 호출합니다.

  1. 사용자 지정 코드를 사용하여 사이클당 마찰 계수와 크리프 변위(시간 종속 조직 변형)를 계산합니다.
    1. 모든 관련 코드가 "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" 및 "frictioncycle_run.m"과 같은 폴더에 저장되어 있는지 확인합니다.
      참고: 이 MATLAB 코드는 앞서 언급한 LabVIEW 코드의 특정 출력과 함께 사용하도록 작성되었습니다. 사용자가 자신의 코드를 만들었거나 여기에 설명된 코드를 수정한 경우 이러한 변경 내용을 수용하도록 MATLAB 스크립트를 편집해야 할 수 있습니다.
    2. frictioncycle_run.m 파일을 엽니다. 스크립트에서 실행 (녹색 화살표) 단추를 클릭합니다. 분석할 원시 데이터 파일과 원하는 MATLAB 출력 저장 위치를 선택합니다.
      참고: 소프트웨어는 테스트 기간에 따라 데이터를 처리하는 데 몇 분이 걸릴 수 있습니다.
  2. 원하는 경우, 테스트 된 외식편 및 시험 욕조 용액의 분취량에 대해 표준 조직 평가 및 배지 분석을 수행하십시오.

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결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

활막-온-연골 구성을 사용하여 소아 외식식물을 마찰 시험하였다. 활막은 직경 10mm 아크릴 로딩 플래튼에 장착되어 내막층이 하부 연골과 접촉하도록 하였다. 경골 스트립을 연골 카운터페이스로서 사용하였다(도 6A). 경골 스트립은 대략 1.4 mm의 깊이 및 10 mm x 30 mm의 크기로 절단되었다. 샘플을 포스페이트 완충 식염수 (PBS) 배쓰 또는 소 활액 (SF) 배쓰에서 37°C에서 1시간 동안 시험하였다. SF 배스는 PBS와 소 SF의 50/50 혼합물로 구성되었다. 스테이지 가속도는 100mm/s2, 스테이지 속도는 1mm/s, 스테이지 경로 거리는 2.5mm 6,9,42였습니다. 죽은 무게는 다양한 정상 하중을 가하는 데 사용되어 180, 230 및 300 kPa

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토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

연골이 압축, 인장 및 전단력, 및 수압 및 삼투압44,45를 받음에 따라 관절 내에 동적 기계적 환경이 존재합니다. 연골은 관절의 주요 하중 지지 조직이지만, 활막은 또한 연골 표면과 조직이 접히는 영역에서 그 자체와 마찰적인 상호 작용을 겪습니다. 연골과 활막 사이의 물리적 상호 작용은 세포를 옮기고 중간엽 줄기 세포를 관절 환경으로 방출하여 (제한적인) 관절 연골 복구 메커니즘37,38,39,40에 기여할 수있는 잠재적 인 세포 공급원을 제공 할 가능성이 큽니다. 연골과 활막의 마찰 특성은 조직 마모13을 통한 관절 유지 및 변성에 중요한 영향을 미칩...

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공개 사항

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없습니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 정형 외과 과학 연구 재단, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 및 NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID : 10.13039 / 100000057)의 지원을 받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
알루미늄 호일Reynolds Group HoldingsReynolds Wrap멸균 조직 수확
알루미늄 프레임 아크릴 인클로저맞춤형마찰 테스터 구성 요소
오토클레이브 순간 밀봉 살균 파우치Fisherbrand01-812-54도구 살균
오토클레이브Buxton도구 살균
비커 (250 mL)Pyrex Vista70000조직 수확
베타 딘 (Povidone 요오드 준비 용액)Medline Industries, LPMDS093906멸균 조직 수확
생물 안전 캐비닛LabconcoPurifier Logic + Class II, Type A2 BSC멸균 조직 수확
Biospy punchSteritool Inc.50162조직 수확
상자 절단기American Safety Razor Company94-120-71조직 수확
원형 아크릴 실리콘 포스트 (활막)맞춤형조직 장착
배양 매체맞춤형DMEM (카탈로그 번호 11-965-118; Gibco)에 50 &mu를 보충하고; g/mL L-프롤린(Cat. 번호 P5607; 시그마), 100 μ g/mL 피루브산 나트륨(Cat. 번호 S8636; 시그마), 1% ITS(Cat. 번호 354350; Corning), 그리고 1%의 항생제– 항진균제(Cat. No. 15-240-062, Gibco)
Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear)Henkel135455Tissue mounting
Dead weightsOHAUSNormal load
Ethanol 200 proofDecon Labs, Inc.270170 %로 희석
염기ThorLabs, Inc.SB1T마찰 시험기 구성
요소 겸자 (활막 수확)Fine Science Tools11019-12조직 수확
겸자 (활막 장착)Excelta3C-S-PI조직 장착
수평 선형 인코더 (변환 스테이지 용)RSF Electronics, Inc.MSA 670.63마찰 시험기 구성 요소; 시스템 해상도 1 & 마이크로; m
핫 글루 건 및 글루FPC CorporationSurebonder Pro 4000A조직 장착
LabVIEWNational Instruments CorporationLabVIEW  2010마찰 테스트 프로그램
로드 셀JR3 Inc.20E12A-M25B마찰 시험기 구성 요소;0.0019 파운드 해상도 x & y, 0.0038 lbs 해상도 z
로딩 플래튼맞춤형티슈 마운팅
O-링ParkerS1138AS568-009티슈 마운팅
페트리 디쉬(60mm)Falcon351007티슈 마운팅
PivotLok Work Positioner(경골 홀더)Industry Depot, Pivot LokPL325티슈 수확
탈착식 베이스ThorLabs, Inc. SB1B마찰 시험기 구성 요소
링 스탠드조직 수확
메스 블레이드Havel's Inc.FSC22조직 수확
메스 손잡이FEATHER Safety Razor Co., Ltd.No. 4조직 수확
스크루 드라이버Wera3334조직 수확
단계JMAR마찰 시험기 구성 요소
스테퍼 모터Oriental Motor Co., Ltd.PK266-03B마찰 시험기 구성 요소
흡입 도구Virtual Industries, Inc.PEN-VAC 진공 펜조직 장착
지지대맞춤형조직 장착
수술 용 가위Fine Science Tools14061-09조직 장착
활액 (소)Animal Technologies, Inc.마찰 테스트 수
조 테스트 수조프로인산염 완충 식염수(PBS): 0.04% 이소티아졸론계 살생물제(Proclin 950 Cat. 번호 46878-U; Sigma) 및 0.1% 프로테아제 억제제 - 0.05M 에틸렌디아민테트라아세트산, EDTA(Cat. 번호 0369; Sigma)
조직 배양 인큐베이터Fisher ScientificIsotemp멸균 배양
수직 선형 엔코더(로딩 스테이지용)RenishawT1031-30A마찰 테스터 구성 요소; 20nm 해상도
보이스 코일 액추에이터H2W TechnologiesNCC20-15-027-1RC마찰 테스터 구성 요소
고정 , , , 테아제 억제제가 함유된 맞춤형

참고문헌

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