Name: Een experimentele en Finite Element Protocol bij het vervoer van neutrale en geladen opgeloste stoffen over gewrichtskraakbeen Onderzoek (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Leer het transport van geladen en neutrale moleculen door gewrichtskraakbeen te onderzoeken met experimentele en numerieke methoden. Dit protocol bepaalt diffusiecoëfficiënten en vaste ladingdichtheid in verschillende zones.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De auteurs willen graag hun dank aan de heer Jeroen van den Berg en de heer Matthijs Wassink uit de groep ontwikkeling monteurs aan het UMC Utrecht bedanken voor hun hulp bij het verpakken van proces van de osteochondrale pluggen. Dit werk werd ondersteund door een subsidie ​​van Nederlands Arthritis Foundation.

LET OP: Het protocol hier gepresenteerde is overgenomen uit de experimentele en computationele procedures van de recente research papers 6, 8, 9. Het protocol wordt weergegeven in figuur 1. De kadavers materialen werden verzameld met toestemming van de veterinaire faculteit van de Universiteit Utrecht. 1. Monster bereiding en Bath <ol><li> Boor cilindrische osteochondrale plugs (diameter 8,5 mm) van dode equine femurcondylen behulp maat boorbeitel (figuur 1) tijdens het spuiten koel fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS) om oververhitting gevolgd kraakbeenschade voorkomen. </li><li> Warmtekrimp de osteochondrale pluggen een kunststof krimpende mof de laterale diffusie van de bovenliggende bad minimaliseren. <ol><li> Monteer de osteochondral stekker met kraakbeen bij The bovenkant eerst in de kunststof krimpen huls en te volgen door het blazen van hete lucht aan. Voeg de natte katoen stukken op het oppervlak van het kraakbeen om warmte-gerelateerde schade te voorkomen. </li></ol></li><li> Bereid eindige-baden van geladen (bijvoorbeeld 650 pl, 420 mM, ioxaglaat, molecuulgewicht (MW) = 1.269 Da, lading = -1) en neutrale (650 pl, 420 mM, iodixanol, MW = 1.550 Da) opgeloste stoffen afzonderlijk. </li><li> Laad de bereide eindige-baden op het oppervlak van het kraakbeen met een injectiespuit en plaats een kurk stekker aan het verpakte monster verdamping bij experimenten bij kamertemperatuur (figuur 2A) te voorkomen. De neutrale opgeloste stoffen bestuderen, plaats de iodixanol bad en de negatief geladen stoftransport plaats ioxaglaat bad op het kraakbeenoppervlak bestuderen. </li></ol> 2. Imaging and Image Processing <ol><li> Leg de ingepakte monsters geïsoleerd met kurk stekker op een op maat gemaakte houder aan de gemotoriseerde fase van een micro-CT. plaats tHij monster zodat kraakbeen oppervlak bedekt met contrastmiddel oplossing naar boven. </li><li> Scannen met de micro-CT (voxel grootte van 40 x 40 x 40 micrometer 3, scantijd van 2 min, buisspanning 90 kV en buisstroom van 180 uA) een gezichtsveld bestaande uit kraakbeen, subchondrale plaat en finite- bad in verschillende tijdstippen tot evenwichtstoestand (48 h) bereikt (figuur 2A). De evenwichtstoestand wordt bereikt wanneer de concentratie waarden niet veranderen in de tijd. </li><li> Registreer de 3D-beelden op verschillende tijdstippen op basis van de oorspronkelijke afbeelding om de positionering van de regio of Interest (ROI) te vergemakkelijken met behulp van software van de fabrikant (bv Analyse). </li><li> Zet de 3D gereconstrueerde micro-CT-beelden in 2D Tagged Image File Format (TIFF) stapel voordat u ze verwerkt met behulp van software van de fabrikant. </li><li> Wereldwijd segment (ImageJ&gt; Adjust&gt; Threshold) het kraakbeen van het subchondrale bot steedsliggend bad in de software. </li><li> Het verkrijgen van de gemiddelde grijswaarde van kraakbeen op verschillende tijdstippen (ImageJ&gt; Analyze&gt; Measure) met behulp van de gegenereerde kraakbeen masker in de vorige stap. </li><li> Gezien de aanvankelijke badconcentratie en beginconcentratie contrastmiddel in het kraakbeen, gebruikt een lineaire kalibratiecurve de gemiddelde grijswaarden converteren naar het feitelijke concentratie van opgeloste stoffen. Eerdere gegevens ondersteunen dat grijswaarden onderhouden van een lineair verband met de concentratie van contrastmiddelen. </li><li> Plot de opgeloste stof concentraties versus experimentele tijdstippen. </li></ol> 3. Computational Modelling OPMERKING: De diffusie van dit probleem wordt verondersteld plaatsvinden in 1D (langs de z-as), die aan de experimentele randvoorwaarde. Derhalve kan de geometrie willekeurig worden gecreëerd. <ol><li> Build eindige bad gebaseerde kraakbeen meerdere zones modellen: 1) kraakbeen uit oppervlaktezone<html> (20% van de totale kraakbeendikte) middenzone (50% van de totale kraakbeendikte) en diepe zone (30% van de totale kraakbeendikte) 12 en 2) eindige-bad in FEBio 13, 14 (figuur 2B). </li><li> Wijs de mechanische en fysische eigenschappen van de verschillende zones van kraakbeen en bad in FEBio. Young&#39;s modulus (10 MPa) werd verondersteld hoog genoeg om de osmotische druk van de bovenliggende bad te weerstaan ​​en daardoor het kraakbeen te beschermen tegen overmatige vervormingen te zijn. <ol><li> Gebruik een hydraulische permeabiliteit van 10 mm -3 4 / Ns en Poissonverhouding van 0. Gebruik opgeloste werkelijke diffusiecoëfficiënt van het bad in de simulaties 8, 9. </li></ol></li><li> Genereren maas (8-knooppunt trilineair hexahedrale elementen) en verfijnen de grensvlakken (figuur 2B)class = &quot;xref&quot;&gt; 8, 9. </li><li> Bifasisch-opgeloste stof model <ol><li> Toepassen aanvankelijke concentratie van opgeloste stof in het bad en effectieve druk die hiervoor geschikt is. Kijk naar de beschrijving van effectieve druk in 9, 15. </li><li> Draaien van het model in voorbijgaande modus oplosconcentratie verkrijgen versus tijdcurve volgens de voorgeschreven diffusiecoëfficiënten in verschillende zones kraakbeen. </li></ol></li><li> Multiphasic model OPMERKING: De elektrische fluctuatie tussen bad en weefsel kan worden omzeild door twee monovalente tegenionen zowel het bad en het weefsel. <ol><li> Voor stationaire modellen: Gebruik dezelfde effectieve fluïdumdrukken en concentraties in kraakbeen en overliggende bad terwijl het verhogen FCD zijn gewenste waarde. </li><li> Voor kortstondige modellen: maak een goed geroerde eindige-bad door het houden van de opgeloste stof diffusiecoëfficiënt in het bad voldoende hoog. Spuit deopgeloste stof uit het bad-luchtinterface in het bad om de gewenste concentratiewaarde bereikt. </li><li> Transiënte: verwijder de voorgeschreven concentratie opgeloste randvoorwaarde in de vorige stap en herstellen de diffusiecoëfficiënt van de eindige-bad tot de werkelijke diffusiecoëfficiënt. </li><li> Draaien het model opgeloste concentratie-tijd curven op basis toegepast fcds en diffusiecoëfficiënten in verschillende zones kraakbeen te verkrijgen. </li></ol></li><li> FEBio-MATLAB-interface <ol><li> Ontwikkelen van een MATLAB code automatisch uitvoeren simulatie FEBio en grafiek concentratie-tijd curven (FEBio MATLAB-interface) 8, 9. </li><li> Veranderen diffusiecoëfficiënten en fcds in kraakbeen zones behulp FEBio MATLAB-interface. Run modellen in FEBio en extract opgeloste concentratie-tijd curves 8, 9. </li><li> Vergelijk het verkregen opgeloste concentratie-tijdcurve de experimentelegegevens en het verkrijgen van reeksen diffusiecoëfficiënten en fcds kraakbeen in verschillende zones op basis van minimale gemiddelde kwadratische fout (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="Figuur 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg" /> Figuur 1: Experimentele Setup. A) Sample extractieprocedure met gebruik van een op maat boor. B) micro-CT beeldvorming procedure om diffusie te monitoren. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.</a> <img alt="Figuur 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg" /> Figuur 2: Schematische.A) Proefopzet. B) meerdere zones rekenmodel uit de eindige bad, oppervlakkig, middelste en diepe zones van kraakbeen en bijbehorende mesh. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.</a>

<ol><li>Arkill, K. P., Winlove, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+in+the+deep+and+calcified+zones+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage.</a> Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).</li>
<li>Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+across+the+articular+surface+of+injured+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Arch+Biochem+Biophys%22%5BJournal%5D)">Solute transport across the articular surface of injured cartilage.</a> Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-specific+effects+of+compression+on+macromolecular+diffusion+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage.</a> Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-Specific+Molecular+Diffusion+in+Articular+Cartilage+Measured+using+Fluorescence+Recovery+after+Photobleaching%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching.</a> Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).</li>
<li>Gu, W. Y., Yao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+hydration+and+fixed+charge+density+on+fluid+transport+in+charged+hydrated+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues.</a> Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolated+effects+of+external+bath+osmolality%2C+solute+concentration%2C+and+electrical+charge+on+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+and+Physics%22%5BJournal%5D)">Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage.</a> Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).</li>
<li>Kulmala, K. A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+coefficients+of+articular+cartilage+for+different+CT+and+MRI+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+%26+Physics%22%5BJournal%5D)">Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents.</a> Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+of+Neutral+Solute+Across+Articular+Cartilage%3A+The+Role+of+Zonal+Diffusivities%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+modeling+of+charged+solute+transport+across+articular+cartilage%3A+Application+of+multi-zone+finite-bath+model%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model.</a> J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+inverse-forward+artificial+neural+networks+for+fast+and+accurate+estimation+of+the+diffusion+coefficients+of+cartilage+based+on+multi-physics+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models.</a> Journal of Biomechanics. , (2016).</li>
<li>Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Basic+Science+of+Articular+Cartilage%3A+Structure%2C+Composition%2C+and+Function%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Health%22%5BJournal%5D)">The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function.</a> Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).</li>
<li>Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAteshian%2C+G+%22Computer+Models+in+Biomechanics%22">Computer Models in Biomechanics</a>. , Springer. Netherlands. 231-249 (2013).</li>
<li>Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+Finite+Element+Framework+for+Modeling+Hydrated+Mixtures+With+Multiple+Neutral+and+Charged+Solutes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+multiphysics+models+to+efficient+design+of+experiments+of+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Biol+Med%22%5BJournal%5D)">Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage.</a> Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).</li>
<li>Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+superficial+collagen+fibrils+for+the+function+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biomechanics+and+Modeling+in+Mechanobiology%22%5BJournal%5D)">The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).</li>
<li>Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritic+changes+in+the+biphasic+mechanical+properties+of+the+chondrocyte+pericellular+matrix+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage.</a> Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).</li>
<li>Felson, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritis%3A+new+insights.+Part+1%3A+the+disease+and+its+risk+factors%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Intern+Med%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors.</a> Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).</li>
<li>Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+mechanical+injury+of+articular+cartilage+using+contrast+enhanced+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography.</a> Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).</li>
<li>Raya, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion-tensor+imaging+of+human+articular+cartilage+specimens+with+early+signs+of+cartilage+damage%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage.</a> Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).</li>
<li>Tavakoli Nia, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aggrecan+Nanoscale+Solid-Fluid+Interactions+Are+a+Primary+Determinant+of+Cartilage+Dynamic+Mechanical+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties.</a> ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. 11th World Congress on Computational Mechanics & 5th European Conference on Computational Mechanics, Barcelona, Spain, , (2014).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+mechanical+and+physical+properties+of+cartilage+by+coupling+poroelastic-based+finite+element+models+of+indentation+with+artificial+neural+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks.</a> Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).</li>
<li>Kokkonen, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computed+tomography+detects+changes+in+contrast+agent+diffusion+after+collagen+cross-linking+typical+to+natural+aging+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).</li>
<li>Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+and+Distribution+of+Fluorescent+Solutes+near+the+Articular+Surface+of+Mechanically+Injured+Cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage.</a> Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bath+Concentration+of+Anionic+Contrast+Agents+Does+Not+Affect+Their+Diffusion+and+Distribution+in+Articular+cartilage+In+Vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Cartilage%22%5BJournal%5D)">Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro.</a> Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((pQCT+study+on+diffusion+and+equilibrium+distribution+of+iodinated+anionic+contrast+agent+in+human+articular+cartilage+-+associations+to+matrix+composition+and+integrity%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage - associations to matrix composition and integrity.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent's transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. Orthopaedic Research Society Annual Meeting, Las Vegas, Nevada, , (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. International Workshop on Osteoarthritis Imaging (IWOAI), Oulo, Finland, , (2016).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Stelden wij een experimenteel protocol in combinatie met een eindige elementen modellering procedure om de diffusie van neutrale en geladen opgeloste stoffen in gewrichtskraakbeen bestuderen. Volgens de recente studies zou het voorgestelde modellen nauwkeurig te beschrijven het transport van neutrale (bifasische-opgeloste stof) en negatief geladen (meerfasige) opgeloste stoffen in verschillende zones van gewrichtskraakbeen 8, 9. Het wordt algemeen aangenomen dat...

<html> Moleculair transport speelt een cruciale rol bij de homeostase van scharnierende verbindingen, afgifte van therapeutische middelen aan gewrichtskraakbeen en contrast-versterkte beeldvorming kraakbeen 1, 2, 3. Factoren zoals kraakbeen integratie en intactheid, opgeloste lading en grootte alsmede osmolaliteit en concentratie bad in contact met kraakbeen kan de transportsnelheid 4, 5, 6 te beïnvloeden. Het transport van opgeloste stoffen, hetzij neutraal of geladen, kunnen verschillend tussen gewrichtskraakbeen zones, omdat elke zone bestaat uit verschillende concentraties en oriëntaties van grote extracellulaire matrix moleculen, namelijk proteoglycanen (PG) en collageen type II 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Wat nog belangrijker is, kan het transport van geladen opgeloste stoffen in hoge mate afhankelijk van de concentratie van proteoglycanen die negatieve vaste ladingen in de extracellulaire matrix die toeneemt in gewrichtskraakbeen 8, 9 zijn. Die parameters bijzonder vaste ladingsdichtheid (FCD), kan de oriëntatie van collageenfibrillen en het watergehalte variatie tussen kraakbeen veranderingen ondergaan osteoartritis (OA) verloopt, waarbij het belang van het bestuderen diffusie door kraakbeen betekent. In de huidige studie, een protocol gebaseerd op vooraf vastgestelde experimentele en computationele studies 6, 8, 9 voorgesteld om nauwkeurig onderzoeken diffusie onder verschillende randvoorwaarden met neutrale en geladen opgeloste stoffen in een eindig-bad model diffusie. THij voorgestelde methoden bestaan ​​uit micro-CT beeldvorming (micro-CT) van een systeem dat kraakbeen en een eindig-bad met geavanceerde bifasische opgeloste stof en meerfasige eindige elementenmodel. Deze modellen stellen verkrijgen van de diffusiecoëfficiënten van neutrale en geladen moleculen en fcds in verschillende zones van gewrichtskraakbeen. Met deze modellen kan een beter inzicht in het gedrag van de diffunderende neutraal geladen moleculen die kunnen worden gebruikt om de interacties tussen kraakbeen en overlappen eindige-bad onderzoeken krijgen.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Negatief geladen contrastmiddel</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE healthcare</td><td>12570511</td><td>Neutraal contrastmiddel</td></tr><tr><td>PBS (fosfaatgebufferde zoutoplossing)</td><td>Life technologies</td><td>10010023</td><td>Medium</td></tr><tr><td>micro-CT</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Bewaking van diffusie</td></tr><tr><td>Bevriezpuntosmometer</td><td>Advanced instruments</td><td></td><td>Meten van osmolaltiteit van de oplossing</td></tr></tbody></table>

een experimentele en finite element protocol bij het vervoer van neutrale en geladen opgeloste stoffen over gewrichtskraakbeen onderzoek

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

<html> Osteoartritis (OA) is een slopende ziekte die is geassocieerd met degeneratie van gewrichtskraakbeen en subchondrale bot. Degeneratie van gewrichtskraakbeen verslechtert de dragende functie vrijwel zoals ervaart enorme chemische afbraak, namelijk proteoglycanverlies en collageenfibril verstoring. Een veelbelovende manier om chemische schade mechanismen te onderzoeken tijdens de OA is aan het kraakbeen monsters bloot te stellen aan een externe opgeloste stof en bewaken van de diffusie van de moleculen. De mate van kraakbeenschade (dwz concentratie en configuratie van essentiële macromoleculen) is toegevoegd botsingsstralingsmodellen energieverlies externe opgeloste stoffen tijdens het bewegen over gewrichtskraakbeen creëert verschillende diffusie-eigenschappen in vergelijking met gezonde kraakbeen. In deze studie introduceren we een protocol, dat bestaat uit meerdere stappen en is gebaseerd op eerder ontwikkelde experimentele micro-C14px; &quot;&gt; omputed T omography (micro-CT) en eindige elementen modellering Het transport van geladen en ongeladen gejodeerde moleculen eerst geregistreerd met behulp van micro-CT, gevolgd door het aanbrengen bifasische opgeloste stof en meerfasige eindige elementenmodel diffusie coëfficiënten te verkrijgen. en vaste ladingsdichtheden in kraakbeen zones.

De representatieve resultaten die hier worden overgenomen uit eerder onderzoek papers 6, 8, 9, 16. OA, kraakbeen ondergaat aanzienlijke veranderingen belangrijker GAG verlies en collageenfibrillen beschadigingen 17, 18, <sup class=...

Wij stellen een protocol voor het transport van geladen en ongeladen moleculen over gewrichtskraakbeen met behulp van recent ontwikkelde experimentele en numerieke methoden onderzocht.

Een experimentele en Finite Element Protocol bij het vervoer van neutrale en geladen opgeloste stoffen over gewrichtskraakbeen Onderzoek

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Het algemene doel van deze procedure is om het transport van geladen en ongeladen moleculen door gewrichtskraakbeen te onderzoeken met behulp van experimentele en numerieke methoden. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen met betrekking tot fysische eigenschappen van gewrichtskraakbeen, zoals diffusiecoefficient en vaste ladingsdichtheid in verschillende zones. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat deze een eindig pad gebruikt, een experimenteel model gebaseerd op microcomputertomografie van het transport van radio-opaque moleculen.Om te beginnen met de voorbereiding van het monster, boor een cilindrische osteochondrale plug met een diameter van 8,5 millimeter terwijl u kamertemperatuur fosfaatgebufferd zout oplossing, PBS, spuit op het boorgebied. Plaats de plug in een stuk hitteslinkbuis van ongeveer 2,5 centimeter lengte zodat de botlaag vlak is met het uiteinde, en bedek vervolgens het kraakbeenoppervlak met natte katoen. Gebruik vervolgens een heteluchtpistool om de buis rond de zijden van de plug te krimpen.Laad een eindig volume van een 420 millimolar ioxaglate- of iodixanol-oplossing op het kraakbeenoppervlak binnen de buis om respectievelijk een negatief geladen of neutraal oplosmiddelbad voor te bereiden. Sluit het open uiteinde van de buis af met een kurk. Plaats het monster met het verkorkte uiteinde omhoog op een monsterstandaard gemonteerd op het gemotoriseerde platform van een micro-CT.Scan over een gezichtsveld dat het kraakbeen, de subchondrale plaat en het eindige bad bevat. Herhaal de scan periodiek gedurende de volgende 48 uur of totdat de concentratie van het contrastmiddel in het kraakbeen niet meer verandert in de tijd. Registreer in de software van het instrument de 3D-beelden op verschillende tijdstippen ten opzichte van het oorspronkelijke beeld en zet de gereconstrueerde beelden om naar een 2D TIFF-bestandenstack.Importeer de beelden in een beeldverwerkingsprogramma en dupliceer ze om het bad en het subchondrale bot apart te segmenteren. Vervolgens worden gaten in het subchondrale bot handmatig gevuld en overbodige pixels in het bad verwijderd. De resulterende gesegmenteerde bad- en subchondrale botafbeeldingen worden vervolgens wiskundig opgeteld.En met behulp van het wandgereedschap wordt de omtrek van de kraakbeenmasker gedefinieerd en toegevoegd aan de Region of Interest Manager. Meet de gemiddelde grijze waarde van het kraakbeen. Op basis van de aanvankelijke concentraties in het bad en kraakbeen, zet u de gemiddelde grijze waarden in het bad en kraakbeen om in oplosmiddelconcentratie met behulp van een lineaire kalibratiecurve.Plot de oplosmiddelconcentraties in de loop van de tijd. Om te beginnen met de computationele modellering van diffusie met behulp van FEBio-software, bouwt u multi-zone modellen van het gewrichtskraakbeen op basis van een eindige bad waarbij de oppervlakkige zone 20% van de kraakbeendikte omvat, de middelste zone 50% vertegenwoordigt en de diepe zone 30% vertegenwoordigt. Een tabel met de informatie van een neutraal oplosmiddel wordt gemaakt voor een Bifasische Oplosmiddel model. En een tabel met de informatie van geladen oplosmiddelen wordt gemaakt voor een Multifasisch model.Om de diffusie van geladen oplosmiddelen te modelleren met het Multifasisch model, moeten twee monovalente tegen-ionen aan zowel het bad als het kraakbeen worden toegevoegd om de effecten van elektrische fluctuaties tussen het bad en het weefsel te vermijden. Zodra de kraakbeen- en eindige badzones zijn gemodelleerd, wijst u de overeenkomstige mechanische en fysische eigenschappen toe, namelijk Young's modulus, permeabiliteit, vrije diffusie en diffusie aan elke zone voor het Bifasische Oplosmiddel model. Wijs mechanische en fysische eigenschappen, namelijk Young's modulus, permeabiliteit, vrije diffusie en diffusie, evenals vaste ladingsdichtheid toe aan elke zone voor het Multifasisch model.Genereer vervolgens een achtknoops trilineair hexaëdraal elementenmesh en verfijn deze nabij de grenzen. Om de diffusie van neutrale oplosmiddelen met het Bifasische Oplosmiddel model te modelleren, past u de initiële oplosmiddelconcentratie en effectieve druk toe op het Eindige Bad model. Voer het Bifasische Oplosmiddel model uit in de transiënte modus om concentratie versus tijdcurven te produceren op basis van de diffusiecoefficienten voor elke kraakbeenzone.Voor het Multifasisch model in een stationaire stap, stelt u dezelfde effectieve vloeistof drukken en oplosmiddel concentraties in voor het kraakbeen en eindige bad terwijl u de vaste geladen dichtheid verhoogt tot de gewenste waarde. In een transiënte stap, creëert u een goed geroerde eindige bad door de diffusiecoefficient in het bad voldoende hoog te houden. Injecteer het oplosmiddel vanuit de badluchtinterface in het bad om de concentratiewaarde te bereiken.Verwijder vervolgens de voorgeschreven oplosmiddelconcentratie grensvoorwaarde uit de vorige stap en herstel de diffusiecoefficient van het eindige bad naar zijn werkelijke diffusiecoefficient. Voer het Multifasisch model uit met behulp van een FEBio MATLAB interface om concentratie versus tijdcurven te verkrijgen op basis van toegepaste vaste ladingsdichtheden en de diffusiecoefficienten voor elke kraakbeenzone. Met behulp van deze methode werden de diffusieprocessen van neutraal en anionisch contrastmiddelen door gewrichtskraakbeen gemodelleerd met behulp van bifasische oplosmiddel- en Multifasische modellen respectievelijk.Beide modellen passen goed bij de experimentele gegevens. De diffusiecoefficienten van het neutrale contrastmiddel, iodixanol, in verschillende kraakbeenzones werden bepaald uit het Bifasische Oplosmiddel model, en de diffusiecoefficienten van het anionische contrastmiddel, ioxaglate, in verschillende zones werden bepaald uit het Multifasisch model. Na de ontwikkeling ervan, heeft deze techniek de weg geëffend voor onderzoekers op het gebied van weefselbiomechanica om de diffusieve eigenschappen van zachte weefsels te onderzoeken met behulp van een combinatie van experimentele en computationele benaderingen.Na het bekijken van deze video, zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u experimentele en computationele platforms ontwerpt met betrekking tot diffusie door gewrichtskraakbeen.

an-experimental-finite-element-protocol-to-investigate-transport

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Een 3D-systeem van het kweken van menselijke articulaire chondrocyten in hoge mate van gewrichtsvocht wordt beschreven. Gewrichtsvocht geeft de meest natuurlijke micro-omgeving voor het kraakbeen, en kan gemakkelijk worden verkregen en opgeslagen. Dit systeem kan dus gebruikt worden voor het bestuderen van het herstel van kraakbeen en voor het screenen van geneesmiddelen voor de behandeling van artritis.

Een 3D-systeem voor het kweken van menselijke articulaire chondrocyten in gewrichtsvloeistof

Kraakbeenherstel vormt een onopgeloste medische uitdaging en cel-gebaseerde benaderingen om menselijk articulair kraakbeen te ontwikkelen zijn een veelbelovende oplossing. Hier beschrijven we driedimensionale (3D) biomimetische hydrogels als een ideaal hulpmiddel voor de uitbreiding en rijping van menselijke articulaire kraakbeencellen.

3D Hydrogel Stellingen voor Articulaire Chondrocyte Cultuur en Kraakbeen Generation

Presenteren we een methode voor de beoordeling van de ruimtelijke omvang van verwonding/dood van de cel op het gewrichtsoppervlak van intact lymfkliertest gewrichten na toepassing van gecontroleerde mechanische belastingen of effecten. Deze methode kunt u nagaan hoe artrose, genetische factoren en/of verschillende laden regimes van invloed zijn op de kwetsbaarheid van in situ chondrocyten worden gebruikt.

Visualisatie in real time en analyse van chondrocyten letsel als gevolg van mechanische belasting in volledig Intact lymfkliertest kraakbeen explantaten

Indringende tijdens artroscopie chirurgie wordt normaal gesproken gedaan om de toestand van het zachte weefsel te beoordelen, maar deze aanpak is altijd subjectief en kwalitatief geweest. Dit rapport beschrijft een indringend apparaat dat de weerstand van het zachte weefsel kwantitatief kan meten met een tri-axiale krachtsensor tijdens artroscopie.

Een indringend apparaat voor het kwantitatief meten van de mechanische eigenschappen van zachte weefsels tijdens artroscopie

Dit protocol beschrijft de voorbereiding, biotribologische testen en analyse van osteochondrale cilinders glijden tegen metalen implantaat materiaal. Uitkomst maatregelen opgenomen in dit protocol zijn metabole activiteit, genexpressie en histologie.

Biotribologische testen en analyse van gewrichtskraakbeen glijden tegen metaal voor implantaten

Dit protocol bepaalt evenwichtsopname, penetratiediepte en niet-evenwichtsdiffusiepercentage voor kationische peptidedragers in kraakbeen. Karakterisering van transporteigenschappen is van cruciaal belang voor een effectieve biologische respons. Deze methoden kunnen worden toegepast voor het ontwerpen van een optimaal geladen drug dragers voor het richten van negatief geladen weefsels.

Karakterisering van intrakraakbeen transport eigenschappen van Cationic Peptide Carriers

Hier presenteren we het cyclische belasting-geïnduceerde intra-articulaire kraakbeenlaesiemodel van de rattenknie, gegenereerd door 60 cyclische compressies over 20 N, resulterend in schade aan het femorale condylaire kraakbeen bij ratten.

Een niet-invasieve methode voor het genereren van het cyclische belastingsgeïnduceerde intra-articulaire kraakbeenlaesiemodel van de rattenknie

Hier presenteren we een protocol om van bloedplaatjes lysaat afgeleide extracellulaire blaasjes te labelen om hun migratie en opname in kraakbeenexplantaten te volgen die worden gebruikt als een model voor artrose.

Etikettering van extracellulaire blaasjes voor het monitoren van migratie en opname in kraakbeenexplantaten

Het huidige protocol beschrijft een wrijvingstestapparaat dat gelijktijdige wederzijdse glij- en normale belasting toepast op twee contacterende biologische tegenfronten.

Een wrijvingstest-bioreactorapparaat voor de studie van synoviale gewrichtsbiomechanica, mechanobiologie en fysische regulatie

We bieden gedetailleerde methoden voor het genereren van vier soorten weefsels uit menselijke mesenchymale stamcellen, die worden gebruikt om het kraakbeen, bot, vetkussen en synovium in het menselijke kniegewricht samen te vatten. Deze vier weefsels zijn geïntegreerd in een aangepaste bioreactor en verbonden via microfluïdica, waardoor een kniegewricht-op-een-chip wordt gegenereerd.

Creatie van een kniegewricht-op-een-chip voor het modelleren van gewrichtsaandoeningen en het testen van medicijnen

We presenteren een stapsgewijze aanpak om de meest voorkomende problemen in verband met micro-inkepingen met atoomkrachtmicroscopie te identificeren en aan te pakken. We illustreren de opkomende problemen bij inheemse menselijke gewrichtskraakbeenexplantaten die worden gekenmerkt door verschillende gradaties van door artrose veroorzaakte degeneratie.

Praktische problemen aanpakken bij op atoomkrachtmicroscopie gebaseerde micro-inkeping op menselijke gewrichtskraakbeenexplantaten

Leer het transport van geladen en neutrale moleculen door gewrichtskraakbeen te onderzoeken met experimentele en numerieke methoden. Dit protocol bepaalt diffusiecoëfficiënten en vaste ladingdichtheid in verschillende zones.

Een experimentele en Finite Element Protocol bij het vervoer van neutrale en geladen opgeloste stoffen over gewrichtskraakbeen Onderzoek (Video) | JoVE Journal

Een experimentele en Finite Element Protocol bij het vervoer van neutrale en geladen opgeloste stoffen over gewrichtskraakbeen Onderzoek

Meer video's verkennen