Artigo de método

Um dispositivo de teste de atrito-bioreator para estudo de biomecânica articular sinovial, mecanobiologia e regulação física

DOI:

10.3791/63880

⸱

2 de junho de 2022

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

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

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

O presente protocolo descreve um dispositivo de teste de atrito que aplica deslizamento recíproco simultâneo e carga normal a dois contrafacetos biológicos de contato.

Resumo

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

Na osteoartrite primária (OA), o "desgaste" normal associado ao envelhecimento inibe a capacidade da cartilagem de sustentar suas funções de carga e lubrificação, promovendo um ambiente físico deletério. As interações de atrito da cartilagem articular e do sinodio podem influenciar a homeostase articular através do desgaste do nível do tecido e da mecanotransdução celular. Para estudar esses processos mecânicos e mecanobiológicos, descreve-se um dispositivo capaz de replicar o movimento da articulação. O dispositivo de teste de atrito controla a entrega de movimento de tradução recíproca e carga normal para dois contrafaceto biológicos de contato. Este estudo adota uma configuração sinovial-sobre-cartilagem, e as medidas do coeficiente de atrito são apresentadas para testes realizados em um banho de soro fisiológico tamponado (PBS) ou fluido sinovial (SF). O teste foi realizado para uma série de tensões de contato, destacando as propriedades lubrificantes de SF sob altas cargas. Este dispositivo de teste de atrito pode ser usado como um biorreator biomimético para estudar a regulação física dos tecidos articulares vivos em resposta ao carregamento fisiológico aplicado associado à articulação articular diarthrodial.

Introdução

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

A osteoartrite (OA) é uma doença articular degenerativa debilitante que afeta mais de 32 milhões de adultos americanos, com um custo de saúde e socioeconômico de mais de US$ 16,5 bilhões1. A doença tem sido classicamente caracterizada pela degradação da cartilagem articular e do osso subcondral; no entanto, as mudanças no sinovium recentemente ganharam apreciação, pois a sinovite tem sido associada aos sintomas de OA e progressão 2,3,4. Em OA primário (idiopático), o "desgaste" normal associado ao envelhecimento inibe a capacidade da cartilagem de sustentar suas funções de carga e lubrificação. As tensões geradas pelo contato deslizante prolongado das camadas de cartilagem articular ou pelo contato deslizante da cartilagem contra materiais de implante têm sido demonstradas para facilitar o desgaste da delaminação através da falha de fadiga subsuperficial 5,6. Como existe um ambiente mecânico dinâmico dentro da articulação 7,8, as interações de atrito da cartilagem articular e do sinodio podem influenciar a homeostase articular através do desgaste do nível do tecido e da mecanotransdução celular. Para estudar esses processos mecânicos e mecanobiológicos, um dispositivo foi projetado para replicar o movimento da articulação com controle rigoroso sobre carga compressiva e friccional 5,6,9,10,11,12,13.

O presente protocolo descreve um dispositivo de teste de atrito que fornece movimento recíproco, traduzindo movimento e carga compressiva para o contato com superfícies de explantas de tecido vivo. O dispositivo controlado pelo computador permite o controle do usuário da duração de cada teste, carga aplicada, amplitude de movimento do estágio de tradução e velocidade de tradução. O dispositivo é modular, permitindo testes de várias contrafaces, como tecido-sobre-tecido (cartilagem-sobre-cartilagem e sinovial-na-cartilagem) e tecido-sobre-vidro. Além das medidas funcionais obtidas pelo testador, podem ser avaliados componentes do tubo, tecido e lúbrica de banho antes e depois dos testes para avaliar as alterações biológicas transmitidas por um determinado regime experimental.

Estudos de tribologia da cartilagem são realizados há décadas, e diversas técnicas foram desenvolvidas para medir coeficientes de atrito entre cartilagem e vidro e cartilagem na cartilagem14,15. As diferentes abordagens são motivadas pela articulação e/ou pelo mecanismo de lubrificação de interesse. Muitas vezes há uma troca entre o controle de variáveis experimentais e a recapitulação dos parâmetros fisiológicos. Dispositivos no estilo pêndulo utilizam juntas intactas como o fulcro de um pêndulo simples onde uma superfície articular se traduz livremente sobre a segunda superfície 14,16,17,18. Em vez de utilizar articulações intactas, as medidas de atrito podem ser obtidas por explantes de cartilagem deslizantes sobre superfícies desejadas 14,19,20,21,22,23,24,25. Os coeficientes de atrito relatados da cartilagem articular variaram em uma ampla faixa (de 0,002 a 0,5) dependendo das condições de funcionamento14,26. Dispositivos foram criados para replicar o movimento rotativo 23,27,28. Gleghorn et al.26 desenvolveram um tribometro multi-bem personalizado para observar perfis de lubrificação da cartilagem usando a análise da curva Stribeck, e um movimento de deslizamento oscilatório linear foi aplicado entre cartilagem contra uma contraface de vidro plano.

Este dispositivo visa isolar as respostas de atrito e explorar a mecanobiologia dos tecidos vivos sob várias condições de carregamento. O dispositivo emprega uma configuração simplificada de teste simulando a articulação articular através do deslizamento compressivo, que pode aproximar tanto o movimento de rolagem quanto o deslizamento com o entendimento de que a resistência em movimento de rolamento puro é insignificante em relação ao coeficiente de atrito medido da cartilagemarticular 29. Originalmente construído para estudar os efeitos da pressurização do fluido intersticial na resposta de atrito da cartilagemarticular 9, o testador tem sido usado desde então para explorar tópicos como efeitos de atrito da remoção da zona superficial da cartilagem10, efeitos lubrificantes do fluido sinovial11, hipóteses de desgaste da cartilagem 5,6,30 e medidas de atrito sinovium-on-tissue13 . O bioreator de teste de atrito pode realizar experimentos de atrito em condições estéreis, fornecendo um novo mecanismo para explorar como as forças de atrito afetam as respostas mecanobiológicas da cartilagem viva e do sinovial. Este desenho pode ser usado como um bioreator biomimético para estudar a regulação física dos tecidos articulares vivos em resposta ao carregamento fisiológico aplicado associado à articulação articular diarthrodial.

Este estudo apresenta uma configuração para testes de atrito sinovial-sobre-cartilagem em uma série de tensões de contato e em diferentes banhos lubrificantes. A área de superfície articulada da maioria das articulações é, em grande parte, tecido sinovial31. Embora o deslizamento sinovial-na-cartilagem não ocorra em superfícies primárias de suporte de carga, as interações de atrito entre os dois tecidos ainda podem ter implicações importantes para a reparação do nível do tecido e a mecanotransdução celular. Foi demonstrado anteriormente que os sinoviocitos semelhantes ao fibroblasto (FLS) residentes na camada intimal do sinodolio são mecanosensíveis, respondendo ao estresse de cisalhamento induzido porfluidos 32. Também foi demonstrado que o estiramento33,34 e o estresse de tesoura induzido porfluidos 35 modulam a produção de lubrificantes FLS. Como tal, o contato de deslizamento direto entre o sinodolio e a cartilagem pode fornecer outro estímulo mecânico às células residentes no sinolio.

Apenas alguns relatórios sobre coeficientes de atrito sinovial foram publicados31,36. Estell et al.13 buscaram expandir a caracterização anterior utilizando contraface biologicamente relevantes. Com a capacidade do dispositivo de teste de atrito de testar tecidos vivos, é possível imitar interações fisiológicas de tecido durante a articulação articular para elucidar o papel do estresse de cisalhamento de contato na função sintígio e sua contribuição para o crosstalk entre o sinolium e a cartilagem. Este último foi implicado na mediação da inflamação articular sinovial na artrite e pós-lesão. Devido à proximidade física da cartilagem ao synovium e fluido sinovial, que contêm sintécias que apresentam capacidade multipotente, incluindo condrogênese, é postulado que os sinoviocytes desempenham um papel na homeostase da cartilagem e reparam ao engrafar para a superfície articular. Nesse contexto, o contato físico e a tesoura recíproca de cartilagem-sinovial e sinovial-sinovial podem aumentar a acessibilidade dos sinoviocitos a regiões de cartilagem danosde 37,38,39,40. Estudos que utilizam configurações de sinoviaio-sobre-cartilagem não só fornecerão insights sobre mecânica de tecido bruto articular e tribologia, mas também podem levar a novas estratégias para manter a saúde articular.

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Protocolo

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

As articulações do joelho bovino juvenil, obtidas a partir de um matadouro local, foram utilizadas para o presente estudo. Estudos com amostras de amostras de bovinos são isentos do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC).

1. Projetando o dispositivo de teste de atrito

NOTA: Uma representação esquemática do dispositivo de teste de atrito é mostrada na Figura 1. O dispositivo é construído sobre uma placa base rígida (não mostrada), que serve como uma plataforma para suporte estrutural.

  1. Conecte um motor de estepe ao estágio de tradução horizontal (ver Tabela de Materiais), criando um dispositivo de teste de atrito de dois eixos que fornece movimento de tradução recíproca para superfícies de contato.
  2. Monte uma célula de carga multiaxial no estágio de tradução (ver Tabela de Materiais). A célula de carga montada será usada para medir a carga normal na direção z (Fn), e a carga tangencial na direção x (Ft).
  3. Equipar o estágio de tradução com um codificador linear (ver Tabela de Materiais) para registrar o deslocamento horizontal (ux) do palco. Além disso, equipar o estágio de carregamento com um codificador linear (ver Tabela de Materiais) para registrar o deslocamento vertical (uz) da chapa.
    NOTA: O codificador do estágio de tradução registra o deslocamento tangencial relativo das superfícies de contato, e essas informações são usadas para detectar o início de cada novo ciclo de deslizamento recíproco.
  4. Configure a placa de carregamento (superfície de contato superior) como uma contraface de vidro, cartilagem ou sinovial. Conecte a placa ao estágio de carregamento através de uma haste de suporte roscada.
  5. Anexar uma base magnética de duas partes ao topo da célula de carga (ver Tabela de Materiais): (1) uma base fixa que está permanentemente presa à célula de carga e (2) uma base removível que se conecta magneticamente à base fixa. Certifique-se de que as duas partes formam uma conexão apertada.
    NOTA: A base removível manterá a contraface de tradução (superfície de contato inferior).
  6. Prescreva uma carga normal. Use peso morto montado em rolamentos lineares acima da placa de carregamento e da haste de suporte. Alternativamente, especifique uma carga usando o atuador de bobina de voz (ver Tabela de Materiais), que pode carregar dinamicamente a superfície de contato inferior41.
  7. Abriga o dispositivo dentro de um gabinete de acrílico emoldurado em alumínio (ver Tabela de Materiais) para proteger seu ambiente contra contaminação.
    NOTA: Um programa personalizado do LabVIEW controla o dispositivo (ver arquivos de codificação suplementar) com o controle do usuário da duração de cada teste, bem como o caminho de viagem de palco, aceleração (mudança de direção) e velocidade. A força normal, a força tangencial, o deslocamento do estágio e o deslocamento de trepidação são monitorados durante todo o teste com hardware e software de aquisição de dados (ver Tabela de Materiais).

2. Preparação e montagem de espécimes

  1. Prepare-se para uma colheita estéril de tecido seguindo os passos abaixo.
    NOTA: Se não for desejada uma colheita estéril, proceda à etapa 2.2.
    1. Esterilizar ferramentas metálicas em uma autoclave. Pulverizar os detentores de articulação com 70% de etanol e colocá-los no gabinete de segurança biológica (BSC). Feche o gabinete para um ciclo ultravioleta (UV).
    2. Recupere as ferramentas da autoclave. Coloque as ferramentas, betadina, lâminas estéreis de bisturi e béquer contendo 70% de etanol no BSC.
    3. Dentro do BSC, abra as ferramentas e coloque-as em 70% de béquers de etanol. Fixar as lâminas do bisturi nas alças do bisturi.
    4. Prepare a junta para a colheita. Pulverize a parte externa da articulação com 70% de etanol e enrole em papel alumínio por 30 min. Tome cuidado para não quebrar a cápsula articular.
      NOTA: As articulações do joelho bovino juvenil foram recebidas com o fêmur e a tíbia cortados aproximadamente 15 cm superior e inferior à articulação para garantir uma cápsula intacta.
    5. Depois de 30 min, coloque a junta embrulhada dentro do BSC. Abra a folha e segure a junta ao seu suporte. Cubra a junta em betadina limpando suavemente a betadina através da superfície articular.
      NOTA: Consulte a etapa 2.2 e a etapa 2.3 para instruções específicas do sinodio e instruções específicas da cartilagem, respectivamente.
  2. Colher o sinovia bovino juvenil seguindo os passos abaixo.
    1. Fixar a cápsula articular tibiofemoral usando um suporte de anel (ver Tabela de Materiais) com o lado anterior voltado para o dissetor. Utilizando fórceps e uma lâmina de bisturi, corte o tendão patelar usando uma incisão horizontal de 5-10 cm (dependendo do tamanho da articulação) superior à tíbia (Figura 2A).
    2. Segure o tendão da patela com fórceps. Faça dois cortes anteriores a posteriores na forma de um V (Figura 2B,C). Esses cortes devem liberar a patela.
      NOTA: À medida que a articulação começa a se abrir, tenha cuidado para não romper o ligamento cruzado anterior (LCA), o ligamento cruzado posterior (LC), o ligamento colateral medial (LMC), o ligamento colateral lateral (LCL) e o menisco.
    3. Gire a patela atrás da articulação ou remova-a completamente da articulação. Remova cuidadosamente o tecido superficial para a membrana sinovial nos lados medial e lateral da articulação para expor o sinolio.
    4. Usando uma lâmina de bisturi, rastreie o contorno da região do sinolio de interesse. Usando fórceps, segure uma extremidade do sinolário e levante suavemente para esticar o distal do sinolio até o osso subjacente. Use uma lâmina de bisturi para remover o sinodolio do osso (Figura 2D,E).
    5. Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. A explanta do sinovial pode ser cultivada para um experimento desejado ou montada e usada para testes.
      NOTA: As soluções de banho de mídia/teste de cultura podem variar de acordo com a preferência de um grupo de pesquisa. Para os feitos sob medida utilizados para o presente estudo, consulte Tabela de Materiais.
  3. Colher a cartilagem bovina juvenil (tampões femorais e tiras tibiais).
    1. Separe o fêmur da tíbia cortando a LCL, PCL, MCL e LCL. Tome cuidado para não cortar a cartilagem do condílo femoral ou cortar o menisco ao platô tibial. Coloque os tecidos separados em seus respectivos titulares para dissecção (etapa 2.3.2 para fêmur e etapa 2.3.3 para tíbia).
    2. Segure o fêmur usando um suporte de anel. Utilizando um soco de biópsia de forma e tamanho desejados, dirija o instrumento normal à superfície da cartilagem articular do condíle femoral até atingir o osso (Figura 3A).
      1. Solte a conexão do plugue ao osso movendo o soco da esquerda para a direita e para trás. Faça isso sem remover o soco.
        NOTA: Sons crepitantes podem ser ouvidos à medida que o osso se separa da cartilagem.
      2. Remova o soco e, portanto, o plugue, do osso subjacente (Figura 3B). Se necessário, repita as etapas 2.3.2, 2.3.2.1 e 2.3.2.2 para os locais não intocados restantes no condyle.
        NOTA: Em preparação para a montagem do plugue femoral em uma base de teste, o lado profundo do plugue pode precisar ser raspado plano. Isso pode ser feito com um cortador de caixa ou bisturi.
      3. Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. O plugue femoral pode ser cultivado para um experimento desejado ou montado e usado para testes.
    3. Fixar a tíbia em um suporte ajustável (ver Tabela de Materiais). Remova o menisco cuidadosamente, evitando contato com a superfície da cartilagem (Figura 4A).
      1. Nas bordas externas do platô tibial, use um cortador de caixa para cortar perpendicularmente à cartilagem em direção ao osso. Corte completamente através da cartilagem para fazer bordas/laterais retas (Figura 4B). Inicie o corte aproximadamente 2 mm de distância de cada borda do planalto tibial e remova o excesso de tecido. Marque as bordas internas da cartilagem (Figura 4C).
        NOTA: Neste ponto, o osso precisa ser visível sob a cartilagem nas bordas externas do platô tibial.
      2. Nas bordas externas, use o cortador de caixa para fazer um corte limpo na interface entre o osso e a cartilagem (Figura 4D).
        NOTA: O corte deve ser paralelo à superfície da cartilagem e aproximadamente 5 mm para dentro, profundo o suficiente para começar a separar a cartilagem e o osso.
      3. Para remover a tira tibial da superfície do platô, insira suavemente uma chave de fenda de cabeça plana abaixo do corte feito na etapa 2.3.3.2. Gire suavemente a chave de fenda para soltar a cartilagem articular do osso subcondral (Figura 4E).
        NOTA: Sons crepitantes podem ser ouvidos à medida que o osso se separa da cartilagem.
      4. À medida que a amostra se solta, empurre lentamente a chave de fenda para a frente até que a tira da cartilagem se desprende do osso. Empurre a chave de fenda em direção ao osso, não em direção à cartilagem. Repita este processo em vários locais até que a cartilagem articular do planalto tibial seja completamente removida do osso subjacente (Figura 4F).
      5. Usando um cortador de caixa, corte a superfície do platô tibial para produzir amostras retangulares de tamanho e espessura desejados.
        NOTA: Para o presente estudo, foram cortadas tiras de 10 mm x 30 mm, mas essa dimensão pode ser variada com base no experimento desejado e na configuração do teste.
      6. Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. A tira tibial pode ser cultivada para um experimento desejado ou montada e usada para testes.
      7. Se necessário, repita as etapas 2.3.3.1-2.3.3.6 para o segundo patamar tibial.
  4. Monte o sinovia e a cartilagem seguindo os passos abaixo.
    1. Se desejar, selecione uma amostra de tira tibial para testar.
      NOTA: A tira pode ser testada como o contraface inferior.
      1. Remova a base magnética removível (ver Tabela de Materiais) e cole uma placa de Petri de 60 mm de diâmetro à superfície superior da base removível.
      2. Com a placa de Petri colada no lugar, conecte a base removível à base fixa e marque a placa de Petri para indicar uma direção deslizante.
      3. Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato (ver Tabela de Materiais) no centro do prato. Alinhe a tira tibial com a direção deslizante do palco (conforme indicado pela marca na placa de Petri a partir de 2.4.1.2). Pressione suavemente a tira da cartilagem sobre o prato. Tome cuidado para não arranhar a superfície da cartilagem.
        NOTA: Uma ferramenta de sucção (ver Tabela de Materiais) pode aplicar pressão suave na cartilagem sem danificar a superfície a ser testada por atrito.
      4. Restaure a base magnética removível (com tira de cartilagem anexada) à sua base magnética fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. A solução de banho de teste deve cobrir completamente a cartilagem.
    2. Se desejar, selecione um plugue de cartilagem femoral para testar.
      NOTA: O plugue pode ser testado como contraface inferior ou superior.
      1. Se o condíle femoral for usado como contraface inferior, remova a base magnética removível e cole uma placa de Petri de 60 mm de diâmetro à superfície superior da base removível.
        1. Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato no centro do prato. Pressione suavemente o plugue de cartilagem sobre o prato.
          NOTA: Uma ferramenta de sucção pode aplicar pressão suave na cartilagem sem danificar a superfície a ser testada por atrito.
        2. Restaure a base magnética removível (com plugue de cartilagem anexado) à sua base magnética fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. A solução de banho de teste deve cobrir completamente a cartilagem.
      2. Se a cartilagem femoral for usada como contraface superior, remova a placa de carregamento e a haste de suporte do testador de atrito. Se necessário, remova a placa existente e selecione uma nova placa adequada para a montagem da cartilagem.
        1. Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato na superfície do plaqueriano. Pressione suavemente o plugue de cartilagem sobre a placa.
          NOTA: Uma ferramenta de sucção pode aplicar pressão suave na cartilagem sem danificar a superfície a ser testada por atrito.
        2. Restaure a placa de carregamento (com plugue de cartilagem ligado) e a haste de suporte ao testador de atrito. Ajuste a altura vertical da placa de carregamento de tal forma que o plugue de cartilagem paire sobre a contraface inferior e esteja submerso no banho de teste. Adicione mais solução de banho de teste, se necessário.
    3. Se desejar, selecione a amostra de sinovia para testar.
      NOTA: O sinovia pode ser testado como o contraface inferior ou superior.
      1. Se o sinovia for usado como contraface inferior, remova a base magnética removível e cole uma placa de Petri de 60 mm de diâmetro à superfície superior da base removível.
        1. Cole um poste de acrílico-silicone circular personalizado do diâmetro desejado para o centro do prato.
        2. Usando fórceps, coloque o sinolio em cima do poste. Para fixar o sinovia, espalhe um o-ring (ver Tabela de Materiais) sobre sua circunferência.
        3. Usando fórceps, puxe suavemente o sinolário para esticar o tecido ensinado e plano sob o anel O. Corte o excesso de tecido com uma tesoura cirúrgica.
        4. Restaurar a base magnética removível (com o sinodolio ligado) à sua base magnética fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. A solução de banho de teste deve cobrir completamente o sinolio.
      2. Se o sinovia for usado como contraface superior, remova a placa de carregamento e a haste de suporte do testador de atrito. Se necessário, remova a placa existente e selecione uma nova placa circular adequada para a montagem do sinovial.
        1. Usando fórceps, coloque o sinovia em cima da placa circular. Para proteger o sinovia, espalhe um o-ring sobre sua circunferência.
        2. Usando fórceps, puxe suavemente o sinolário para esticar o tecido ensinado e plano sob o anel O. Corte o excesso de tecido com uma tesoura cirúrgica.
        3. Restaure a placa de carregamento (com sinodio anexado) e a haste de suporte ao testador de atrito. Ajuste a altura vertical da placa de carregamento de tal forma que o sinolio paire sobre a contraface inferior e esteja submerso no banho de teste. Adicione mais solução de banho de teste, se necessário.

3. Teste de atrito

NOTA: Um programa labview personalizado e hardware associado (ver arquivos de codificação suplementar) são usados para esses testes. Observe que o código personalizado foi construído no LabVIEW 2010 e foi mantido nesta mesma versão legado. Como resultado, o código pode não ser compatível com o forward-compatible com a versão mais recente do software. As a seguir, as referências de botão e interface do usuário, só serão relevantes para o código personalizado. Se trabalhar com uma versão de software diferente, um programa personalizado semelhante pode ser escrito modificando o código.

  1. Insira as amostras montadas (etapa 2.4) no dispositivo de teste de atrito.
    NOTA: As amostras precisam ser submersas na solução de banho de teste, mas não devem estar em contato entre si.
  2. Abra o programa de software e prescreva parâmetros de teste: velocidade do estágio, aceleração do estágio, trajeto de viagem (distância) e duração do teste (Figura 5).
    1. Abra as três janelas do programa: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID e Trigger Dynamic Caller.
    2. Execute a janela MFDAQ de compilação de dados analógicos pressionando o botão Executar (seta branca).
    3. Execute a janela INICIALIze Load PID pressionando o botão Executar (seta branca).
    4. Navegue até a guia Stepper na janela 'Chamada dinâmica do gatilho'. Especifique a aceleração, a velocidade e a distância do estágio de tradução nas caixas de entrada do usuário.
      NOTA: O valor da distância define o comprimento médio da pista de desgaste. Em outras palavras, o estágio passará do local zero especificado (etapa 3.5) para o valor de distância definido nas direções x positivas e negativas.
    5. Na guia Stepper, especifique a duração do teste selecionando o caminho do arquivo Stepper Time Index . Clique no botão Abrir pasta no canto inferior direito da tabela Time-State e selecione o arquivo.
    6. Especifique a duração do teste também na guia Bobina de voz. Navegue até a guia Bobina de voz na janela 'Chamada dinâmica do gatilho'. Semelhante ao passo 3.2.5, selecione o caminho do arquivo Do Índice de Bobina de Voz clicando no botão de pasta Abrir no canto inferior direito da tabela Time-State e selecione o arquivo. A duração deve coincidir com a da guia Stepper .
  3. Prescreva a carga normal. Se usar pesos mortos, coloque pesos desejados nos rolamentos lineares acima da placa de carregamento. Certifique-se de que a carga aplicada mais o peso da placa de carregamento e da haste de suporte não ultrapassem a capacidade nominal da célula de carga.
  4. Selecione o caminho e o nome do arquivo para armazenamento de dados usando o botão de pasta aberta à direita da caixa Write to File. Salve o arquivo com uma extensão ".txt".
  5. Centralizar o contra-rosto inferior por baixo do contra-rosto superior. Defina isso como a posição x zero.
    1. Execute a janela Trigger Dynamic Caller pressionando o botão Executar (seta branca). Na guia Stepper, clique no botão Home para mover o palco para a última posição x zero salva.
    2. Se as contraface não estiverem alinhadas, mova o palco clicando nos botões verde esquerda e direita da seta . Quando o local desejado for alcançado, clique no botão Zero para salvar a localização do estágio atual como a nova posição zero x. Pare a janela 'Chamada dinâmica do gatilho', clicando no botão Parar .
      NOTA: O local do palco só pode ser salvo enquanto a janela Trigger Dynamic Caller estiver em execução, mas o estágio ainda não está se movendo conforme especificado pelo programa. Pressionar o botão Executar (seta branca) na etapa 3.5.1 iniciará um prazo de 15 s antes que o estágio comece a se mover. Use este prazo de 15 s para mover o palco e salvar o local zero desejado.
    3. Se a posição x zero desejada não for obtida na primeira tentativa, repita o passo 3.5.1.
      NOTA: Pode ajudar a apertar o botão Zero intermitentemente para salvar a posição do palco à medida que o usuário move a contraface inferior sob o contraface superior. Lembre-se que clicar no botão Home moverá o palco para a última posição salva pelo botão Zero .
  6. Uma vez centradas as contrafaces superior e inferior, inicie o teste de atrito das amostras iniciando o movimento cíclico do estágio. Para fazer isso, execute a janela Trigger Dynamic Caller pressionando o botão Executar (seta branca).
  7. Uma vez que o palco se move, lentamente coloque o contra-rosto superior em contato com a parte inferior.
    NOTA: O valor de carga aplicado pode ser confirmado visualizando o gráfico Fz em tempo real na janela do software (Figura 5A).
  8. Deixe o teste funcionar, coletando os dados de teste de atrito.
    NOTA: Quaisquer dados registrados durante a etapa 3.5 serão substituídos. A histerese em tempo real pode ser visualizada na janela Trigger Dynamic Caller (Figura 5C).
  9. Após a duração desejada do teste, pare o teste pressionando o botão Stop e descarregando as amostras levantando o contraface superior e movendo-o para fora do contato com o contraface inferior.

4. Processamento de dados

NOTA: Um programa MATLAB personalizado é usado para processamento de dados (consulte arquivos de codificação suplementar). O código chama os arquivos de saída especificados pelo código LabVIEW personalizado.

  1. Use o código personalizado para calcular o coeficiente de atrito e o deslocamento de creep (deformação de tecido dependente do tempo) por ciclo.
    1. Certifique-se de que todos os códigos relevantes sejam salvos na mesma pasta: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" e "frictioncycle_run.m.
      NOTA: Estes códigos MATLAB foram escritos para serem usados com as saídas específicas do código LabVIEW acima mencionado. Se o usuário criou seu próprio código ou fez modificações na descrita aqui, os scripts MATLAB podem precisar ser editados para acomodar essas alterações.
    2. Abra o arquivo frictioncycle_run.m. Clique no botão Executar (arqueiro verde) no script. Selecione o arquivo de dados bruto a ser analisado e o local de salvamento de saída MATLAB desejado.
      NOTA: O software pode exigir alguns minutos para processar dados, dependendo da duração do teste.
  2. Se desejar, realize avaliações de tecidos padrão e análises de mídia sobre as explantas testadas e alíquotas da solução de banho de teste.

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Resultados

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Uma configuração de sinoviaio-na-cartilagem foi usada para testar explantas bovinas juvenis. O sinovia foi montado em uma placa de carregamento acrílico de 10 mm de diâmetro, de tal forma que a camada intimal estaria em contato com a cartilagem subjacente. Uma tira tibial foi usada como contraface de cartilagem (Figura 6A). As tiras tibiais foram cortadas com uma profundidade de aproximadamente 1,4 mm e um tamanho de 10 mm x 30 mm. As amostras foram testadas por 1 h a 37 °C em um banho de so...

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Discussão

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Existe um ambiente mecânico dinâmico dentro da articulação, pois a cartilagem é submetida a forças compressivas, de tração e cisalhamento, e pressões hidrostáticas e osmóticas44,45. Embora a cartilagem seja o principal tecido de suporte de carga da articulação, o sinolário também sofre interações de atrito com a superfície da cartilagem e consigo mesma em regiões onde o tecido se dobra. As interações físicas entre cartilagem e sinovia são provavelmente responsáve...

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Divulgações

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Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado pela Ortopédica Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 e NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID: 10.13039/100000057).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Folha de alumínioReynolds Group HoldingsReynolds WrapColheita de tecido estéril
Invólucro de acrílico com moldura de alumíniosob medidaComponente do testador de fricção
de esterilização de selagem instantânea autoclaváveisFisherbrand01-812-54Esterilização de ferramentas
AutoclaveBuxtonEsterilização de ferramentas
Copo (250 mL)Pyrex Vista70000Colheita de tecidos
Betadine (Solução de preparação de iodopovidona)Medline Industries, LPMDS093906Colheita de tecidos estéreis
Armário de segurança biológicaLabconcoPurifier Logic+ Classe II, Tipo A2 BSCColheita de tecidos estéreis
Punção BiospySteritool Inc.50162Colheita de tecidos
Cortador de caixasAmerican Safety Razor Company94-120-71Colheita de tecidos
Poste circular de acrílico-silício (sinóvia)Feito sob medidaMontagem
de tecidos Meios de culturaDMEM feito sob medida(Cat No. 11-965-118; Gibco) suplementado com 50 μ g/mL de L-prolina (Cat. Nº P5607; Sigma), 100 μ g/mL de piruvato de sódio (Cat. Nº S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. Nº 354350; Corning) e 1% antibiótico– antimicótico (Cat. No. 15-240-062, Gibco)
Cianoacrilato (Loctite 420 Clear)Henkel135455Montagem de tecido
Pesos mortosOHAUSCarga normal
Etanol 200 provaDecon Labs, Inc.2701Diluir a 70%
de base fixaThorLabs, Inc.Pinça de componente do testador de fricçãoSB1T
(colheita de sinóvia)Ferramentas de Belas Ciências11019-12de colheita de tecido
(montagem de sinóvia)Excelta3C-S-PIMontagem de tecido
Codificador linear horizontal (para estágio de tradução)RSF Electronics, Inc.MSA 670.63Componente do testador de fricção; resolução do sistema de 1 µ m
Pistola de cola quente e colaFPC CorporationSurebonder Pro 4000AMontagem de tecido
LabVIEWNational Instruments CorporationLabVIEW  2010Programa de teste de fricção
Célula de cargaJR3 Inc.20E12A-M25B; 0,0019 libras de definição em x& y, 0,0038 lbs resolução em z
Placa de carregamentoFeito sob medidaMontagem
de tecido O-ringParkerS1138AS568-009Montagem de tecido
Petri (60 mm)Falcon351007Montagem de tecido
PivotLok Work Positioner (suporte de tíbia)Industry Depot, Pivot LokPL325Colheita de tecido
Base removívelThorLabs, Inc. SB1BComponente do testador de fricção
SuporteColheita de tecidos
Lâminas de bisturiHavel's Inc.FSC22Colheita de tecidos
Bisturi lidarcom FEATHER Safety Razor Co., Ltd.colheita de tecidonº 4
Wera3334Estágio de colheita de tecido
JMARComponente do testador de fricção
Motor de passoOriental Motor Co., Ltd.PK266-03BComponente do testador de fricção
Ferramenta de sucçãoVirtual Industries, Inc.PEN-VAC Caneta a vácuoMontagem de tecido
Haste de suporteMontagem detecido
cirúrgicaFerramentas de ciências finas14061-09Montagem de tecido
Fluido sinovial (bovino)Animal Technologies, Inc.Banho de teste de fricção
Banho de testefeito sob medidacom inibidores de protease: 0,04% de biocida à base de isotiazolona (Proclin 950 Cat. Nº 46878-U; Sigma) e inibidor de protease a 0,1% - ácido etilenodiaminotetracético 0,05 M, EDTA (Cat. Nº 0369; Sigma)
Incubadora de cultura de tecidosFisher ScientificIsotempcultura estéril
(para estágio de carregamento)RenishawT1031-30AComponente do testador de fricção; resolução de 20 nm
Atuador de bobina de vozH2W TechnologiesNCC20-15-027-1RCComponente do testador de fricção
Feito Bolsas Pinça componente do verificador da fricção Placa de de anel Chave de fenda de Tesoura cirúrgica Tesoura Salino tamponada com fosfato (PBS) Encoder linear vertical de

Referências

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