Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

En friktionstest-bioreaktorenhed til undersøgelse af synovial fælles biomekanik, mekanik og fysisk regulering

Published: June 2, 2022 doi: 10.3791/63880
Automatic Translation
*1, *2, 2, 1, 1, 1, 1,2, 1,3
1Department of Biomedical Engineering, Columbia University, 2Department of Mechanical Engineering, Columbia University, 3Department of Orthopedic Surgery, Columbia University
* These authors contributed equally

Summary

Den nuværende protokol beskriver en friktionstestanordning, der anvender samtidig gensidig glidning og normal belastning på to kontakt biologiske modflader.

Abstract

Ved primær slidgigt (OA) hæmmer normalt 'slid' forbundet med aldring bruskens evne til at opretholde sine bærende og smørefunktioner, hvilket fremmer et skadeligt fysisk miljø. Friktionsinteraktionerne mellem ledbrusk og synovium kan påvirke fælles homeostase gennem slid på vævsniveau og cellulær mekanotransduktion. For at studere disse mekaniske og mekanobiologiske processer beskrives en enhed, der er i stand til at replikere leddets bevægelse. Friktionstestanordningen styrer leveringen af gensidig oversættende bevægelse og normal belastning til to kontakt biologiske modflader. Denne undersøgelse vedtager en synovium-på-brusk-konfiguration, og friktionskoefficientmålinger præsenteres for test udført i et fosfatbufferet saltvand (PBS) eller synovialvæske (SF) bad. Testen blev udført for en række kontaktspændinger, der fremhæver SF's smøreegenskaber under høje belastninger. Denne friktionstestanordning kan bruges som en biomimetisk bioreaktor til undersøgelse af den fysiske regulering af levende ledvæv som reaktion på anvendt fysiologisk belastning forbundet med diarthrodial ledartikulation.

Introduction

Slidgigt (OA) er en svækkende, degenerativ ledsygdom, der rammer mere end 32 millioner amerikanske voksne med en sundheds- og socioøkonomisk pris på over 16,5 milliarder dollars1. Sygdommen har klassisk været karakteriseret ved nedbrydning af ledbrusk og subkondral knogle; ændringer i synovium har dog for nylig fået påskønnelse, da synovitis har været forbundet med OA-symptomer og progression 2,3,4. I primær (idiopatisk) OA hæmmer normal 'slitage' forbundet med aldring bruskens evne til at opretholde sine bærende og smørefunktioner. De spændinger, der genereres ved langvarig glidende kontakt mellem ledbrusklag eller glidende kontakt mellem brusk og implantatmaterialer, har vist sig at lette delamineringsslitage gennem træthedssvigt i undergrunden 5,6. Da der findes et dynamisk mekanisk miljø i leddet 7,8, kan friktionsinteraktionerne mellem ledbrusk og synovium påvirke ledhomeostase gennem slid på vævsniveau og cellulær mekanotransduktion. For at studere disse mekaniske og mekanobiologiske processer er en enhed designet til at replikere bevægelsen af leddet med tæt kontrol over tryk- og friktionsbelastning 5,6,9,10,11,12,13.

Den nuværende protokol beskriver en friktionstestanordning, der leverer gensidig, oversætter bevægelse og trykbelastning til kontaktflader af levende vævseksplosioner. Den computerstyrede enhed tillader brugerkontrol af varigheden af hver test, påført belastning, bevægelsesområde for oversættelsesfasen og oversættelseshastighed. Enheden er modulær, hvilket giver mulighed for test af forskellige modflader, såsom væv-på-væv (brusk-på-brusk og synovium-på-brusk) og væv-på-glas. Ud over de funktionelle målinger, der opnås af testeren, kan vævs- og smørebadkomponenter vurderes før og efter test for at evaluere de biologiske ændringer, der er givet af et givet eksperimentelt regime.

Undersøgelser af brusktribologi er blevet udført i årtier, og der er udviklet flere teknikker til måling af friktionskoefficienter mellem brusk og glas og brusk på brusk14,15. De forskellige tilgange er motiveret af leddet og / eller smøremekanismen af interesse. Der er ofte en afvejning mellem kontrol af eksperimentelle variabler og rekapitulering af fysiologiske parametre. Pendul-stil enheder bruger intakte samlinger som omdrejningspunktet for et simpelt pendul, hvor en fælles overflade oversættes frit over den anden overflade 14,16,17,18. I stedet for at anvende intakte led kan friktionsmålinger opnås ved at glide bruskeksplosioner over ønskede overflader 14,19,20,21,22,23,24,25. Rapporterede friktionskoefficienter for ledbrusk har varieret over et bredt område (fra 0,002 til 0,5) afhængigt af driftsbetingelserne14,26. Enheder er oprettet for at replikere roterende bevægelse 23,27,28. Gleghorn et al.26 udviklede et multi-well brugerdefineret tribometer til at observere brusksmøringsprofiler ved hjælp af Stribeck-kurveanalyse, og en lineær oscillerende glidebevægelse blev påført mellem brusk mod et fladt glas modface.

Denne enhed sigter mod at isolere friktionsresponser og udforske mekanobiologien af levende væv under forskellige belastningsforhold. Enheden anvender en forenklet testopsætning, der simulerer ledartikulation gennem trykglidning, som kan tilnærme både rullende og glidende bevægelse med den forståelse, at modstanden i ren rullebevægelse er ubetydelig i forhold til den målte friktionskoefficient for ledbrusk29. Oprindeligt bygget til at studere virkningerne af interstitiel væsketryk på friktionsresponsen af ledbrusk9, er testeren siden blevet brugt til at undersøge emner som friktionseffekter ved fjernelse af den overfladiske zone af brusk10, smørende virkninger af synovialvæske11, bruskslidhypoteser 5,6,30 og synovium-på-vævsfriktionsmålinger13 . Friktionstestende bioreaktor kan udføre friktionseksperimenter under sterile forhold, hvilket giver en ny mekanisme til at undersøge, hvordan friktionskræfter påvirker de mekanobiologiske reaktioner af levende brusk og synovium. Dette design kan bruges som en biomimetisk bioreaktor til at studere den fysiske regulering af levende ledvæv som reaktion på anvendt fysiologisk belastning forbundet med diarthrodial ledartikulation.

Denne undersøgelse præsenterer en konfiguration til synovium-på-brusk friktionstest over en række kontaktspændinger og i forskellige smørebade. Det artikulerende overfladeareal i de fleste led er i høj grad synovialvæv31. Mens synovium-på-bruskglidning ikke forekommer på primære bærende overflader, kan friktionsinteraktionerne mellem de to væv stadig have vigtige konsekvenser for reparation af vævsniveau og cellemekanotransduktion. Det har tidligere vist sig, at fibroblastlignende synoviocytter (FLS), der befinder sig på synoviumets intimale lag, er mekanosensitive og reagerer på væskeinduceret forskydningsspænding32. Det er også blevet påvist, at stretch 33,34 og væskeinduceret forskydningsspænding35 modulerer FLS smøremiddelproduktion. Som sådan kan direkte glidekontakt mellem synovium og brusk give en anden mekanisk stimulus til residente celler i synoviumet.

Kun få rapporter om synoviumfriktionskoefficienter er blevet offentliggjort31,36. Estell et al.13 søgte at udvide den tidligere karakterisering ved at bruge biologisk relevante modflader. Med friktionstestanordningens evne til at teste levende væv er det muligt at efterligne fysiologiske vævsinteraktioner under ledartikulation for at belyse rollen som kontaktforskydningsstress på synoviocytfunktionen og dens bidrag til krydstalen mellem synovium og brusk. Sidstnævnte har været impliceret i formidling af synovial ledbetændelse i gigt og post-skade. På grund af bruskens fysiske nærhed til synovium og synovialvæske, som indeholder synoviocytter, der udviser multipotent kapacitet, herunder chondrogenese, postuleres det, at synoviocytter spiller en rolle i bruskhomeostase og reparation ved podning til ledoverfladen. I denne sammenhæng kan fysisk kontakt og gensidig klipning af brusk-synovium og synovium-synovium øge tilgængeligheden af synoviocytter til områder med bruskskade 37,38,39,40. Undersøgelser ved hjælp af synovium-på-brusk konfigurationer vil ikke kun give indsigt i fælles brutto vævsmekanik og tribologi, men de kan også føre til nye strategier til opretholdelse af fælles sundhed.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Unge knæled fra kvæg, der stammede fra et lokalt slagteri, blev anvendt til denne undersøgelse. Undersøgelser med sådanne prøver af kvægprøver er undtaget fra Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

1. Design af friktionstestanordningen

BEMÆRK: En skematisk repræsentation af friktionstestanordningen er vist i figur 1. Enheden er bygget på en stiv bundplade (ikke vist), der fungerer som en platform til strukturel støtte.

  1. Fastgør en stepmotor til det vandrette oversættelsestrin (se Materialetabel), hvilket skaber en toakset friktionstestanordning, der leverer gensidig oversættelsesbevægelse til kontaktflader.
  2. Monter en multiaksial vejecelle på oversættelsestrinnet (se Materialetabel). Den monterede vejecelle vil blive brugt til at måle den normale belastning i z-retningen (Fn) og den tangentielle belastning i x-retningen (Ft).
  3. Udstyr oversættelsesfasen med en lineær koder (se Materialetabel) for at registrere scenens vandrette forskydning (ux). Udstyr endvidere belastningstrinnet med en lineær encoder (se Materialetabel) for at registrere pladens lodrette forskydning (u z).
    BEMÆRK: Oversættelsestrinkoderen registrerer den relative tangentielle forskydning af kontaktfladerne, og disse oplysninger bruges til at registrere begyndelsen af hver ny cyklus med frem- og tilbagegående glidning.
  4. Konfigurer læssepladen (øverste kontaktflade) som en glas-, brusk- eller synovium-modflade. Tilslut pladen til lastetrinnet via en gevindstøttestang.
  5. Fastgør en todelt magnetisk base til toppen af vejecellen (se Materialetabel): (1) en fast base, der er permanent fastgjort til vejecellen, og (2) en aftagelig base, der magnetisk forbinder til den faste base. Sørg for, at de to dele danner en tæt forbindelse.
    BEMÆRK: Den aftagelige base holder oversættelsesmodfladen (nederste kontaktflade).
  6. Foreskrive en normal belastning. Brug dødvægt monteret på lineære lejer over læssepladen og støttestangen. Alternativt kan du angive en belastning ved hjælp af stemmespoleaktuatoren (se Materialetabel), som dynamisk kan indlæse den nederste kontaktflade41.
  7. Sæt enheden i et aluminiumsindrammet akrylkabinet (se materialetabel) for at beskytte dets miljø mod forurening.
    BEMÆRK: Et brugerdefineret LabVIEW-program styrer enheden (se Supplerende kodningsfiler) med brugerkontrol af varigheden af hver test samt trinvandringssti, acceleration (retningsændring) og hastighed. Den normale kraft, tangentielle kraft, sceneforskydning og krybeforskydning overvåges under hele testen med dataindsamlingshardware og -software (se materialetabel).

2. Forberedelse og montering af prøver

  1. Forbered dig på en steril vævshøst ved at følge nedenstående trin.
    BEMÆRK: Hvis der ikke ønskes en steril høst, fortsættes til trin 2.2.
    1. Steriliser metalværktøjer i en autoklave. Spray fugeholdere med 70% ethanol og læg dem i det biologiske sikkerhedsskab (BSC). Luk kabinettet for en ultraviolet (UV) cyklus.
    2. Hent værktøjerne fra autoklaven. Anbring værktøjer, betadin, sterile skalpelblade og bægerglas indeholdende 70% ethanol i BSC.
    3. Inde i BSC skal du åbne værktøjerne og placere dem i 70% ethanolbægre. Fastgør skalpelbladene til skalpelhåndtagene.
    4. Forbered fugen til høst. Sprøjt ydersiden af fugen med 70% ethanol og pakk den ind i aluminiumsfolie i 30 min. Pas på ikke at bryde ledkapslen.
      BEMÆRK: De unge kvægknæled blev modtaget med lårbenet og skinnebenet skåret ca. 15 cm overlegent og ringere end leddet for at sikre en intakt kapsel.
    5. Efter 30 minutter skal du placere det indpakkede led inde i BSC. Åbn folien og fastgør fugen til holderen. Dæk leddet i betadin ved forsigtigt at tørre betadin over ledoverfladen.
      BEMÆRK: Se henholdsvis trin 2.2 og trin 2.3 for synoviumspecifikke instruktioner og bruskspecifikke instruktioner.
  2. Høst ungkvægsynovium ved at følge nedenstående trin.
    1. Fastgør den tibiofemorale ledkapsel ved hjælp af et ringstativ (se Materialetabel) med den forreste side vendt mod dissectoren. Brug pincet og et skalpelblad til at skære patellar senen ved hjælp af et vandret snit på 5-10 cm (afhængigt af ledstørrelse) bedre end skinnebenet (figur 2A).
    2. Hold den løsrevne patella sene med tang. Lav to forreste til bageste snit i form af et V (figur 2B, C). Disse udskæringer skal frigøre patellaen.
      BEMÆRK: Når leddet begynder at åbne, skal du passe på ikke at skære det forreste korsbånd (ACL), det bageste korsbånd (PCL), det mediale sikkerhedsbånd (MCL), lateralt sikkerhedsbånd (LCL) og menisken.
    3. Drej patellaen bag leddet eller fjern den helt fra leddet. Fjern forsigtigt vævet overfladisk til synovialmembranen på de mediale og laterale sider af leddet for at udsætte synoviumet.
    4. Brug et skalpelblad til at spore omridset af synoviumområdet af interesse. Brug pincet til at gribe den ene ende af synoviumet og løft forsigtigt for at strække synoviumdistal til den underliggende knogle. Brug et skalpelblad til at fjerne synovium fra knoglen (figur 2D, E).
    5. Anbring vævet i passende kulturmedier eller testbadopløsning. Synoviumeksplosatoren kan dyrkes til et ønsket eksperiment eller monteres og anvendes til test.
      BEMÆRK: Kulturmedier/test af badeløsninger kan variere afhængigt af en forskergruppes præference. For de specialfremstillede, der er brugt til denne undersøgelse, se Materialetabel.
  3. Høst ung kvægbrusk (lårbenspropper og tibialstrimler).
    1. Adskil lårbenet fra skinnebenet ved at skære ACL, PCL, MCL og LCL. Pas på ikke at skære lårbenet eller skære gennem menisken til tibialplateauet. De adskilte væv anbringes i deres respektive holdere med henblik på dissektion (trin 2.3.2 for lårben og trin 2.3.3 for skinneben).
    2. Fastgør lårbenet ved hjælp af et ringstativ. Ved hjælp af en biopsi punch af ønsket form og størrelse, køre instrumentet normalt til lårbenet kondyle ledbrusk overflade, indtil de når knoglen (figur 3A).
      1. Løsn stikkets forbindelse til knoglen ved at flytte slaggen fra venstre mod højre og fremad til bagud. Gør dette uden at fjerne slagkraften.
        BEMÆRK: Knitrende lyde kan høres, når knoglen adskilles fra brusken.
      2. Fjern slagkraften og dermed stikket fra den underliggende knogle (figur 3B). Om nødvendigt gentages trin 2.3.2, 2.3.2.1 og 2.3.2.2 for de resterende uberørte steder på kondylen.
        BEMÆRK: Som forberedelse til montering af lårbensstikket på en testbase skal den dybe side af stikket muligvis barberes fladt. Dette kan gøres med en kasseskærer eller skalpel.
      3. Anbring væv i passende kulturmedier eller testbadopløsning. Lårbensproppen kan dyrkes til et ønsket eksperiment eller monteres og bruges til test.
    3. Fastgør skinnebenet i en justerbar holder (se Materialetabel). Fjern menisken forsigtigt, mens du undgår kontakt med bruskoverfladen (figur 4A).
      1. På de ydre kanter af tibialplateauet skal du bruge en kasseskærer til at skære vinkelret på brusk mod knoglen. Skær helt gennem brusken for at lave lige kanter/sider (figur 4B). Begynd snittet ca. 2 mm væk fra hver tibial plateaukant og fjern overskydende væv. Score de indvendige kanter af brusk (figur 4C).
        BEMÆRK: På dette tidspunkt skal knoglen være synlig under brusken på ydersiden af tibialplateauet.
      2. På ydersiden af kanterne skal du bruge kasseskæreren til at lave et rent snit ved grænsefladen mellem knogle og brusk (figur 4D).
        BEMÆRK: Snittet skal være parallelt med bruskoverfladen og ca. 5 mm indad, dybt nok til at begynde at adskille brusk og knogle.
      3. For at fjerne tibialstrimlen fra plateauets overflade indsættes forsigtigt en fladskruetrækker under det snit, der er foretaget i trin 2.3.3.2. Drej forsigtigt skruetrækkeren for at løsne ledbrusk fra den subkondrale knogle (figur 4E).
        BEMÆRK: Knitrende lyde kan høres, når knoglen adskilles fra brusken.
      4. Når prøven løsnes, skal du langsomt skubbe skruetrækkeren fremad, indtil bruskstrimlen løsner sig fra knoglen. Skub skruetrækkeren mod knoglen, ikke mod brusk. Gentag denne proces flere steder, indtil tibialplateauet ledbrusk er helt fjernet fra den underliggende knogle (figur 4F).
      5. Brug en kasseskærer til at skære tibial plateauoverfladen for at producere rektangulære prøver af ønsket størrelse og tykkelse.
        BEMÆRK: Til denne undersøgelse blev der skåret 10 mm x 30 mm strimler, men denne dimension kan varieres baseret på ønsket eksperiment og testopsætning.
      6. Anbring væv i passende kulturmedier eller testbadopløsning. Tibialstrimlen kan dyrkes til et ønsket forsøg eller monteres og anvendes til test.
      7. Om nødvendigt gentages trin 2.3.3.1-2.3.3.6 for det andet tibiale plateau.
  4. Monter synovium og brusk ved at følge nedenstående trin.
    1. Vælg om ønsket en tibialstrimmelprøve, der skal testes.
      BEMÆRK: Strimlen kan testes som nederste modflade.
      1. Fjern den aftagelige magnetiske base (se Materialetabel), og lim en petriskål med en diameter på 60 mm på den øverste overflade af den aftagelige base.
      2. Når petriskålen er limet på plads, skal du fastgøre den aftagelige bund til den faste bund og markere petriskålen for at angive en glidende retning.
      3. Påfør en lille mængde cyanoacrylat (se Materialetabel) i midten af skålen. Tibialstrimlen justeres med trinets glidende retning (som angivet med mærket på petriskålen fra punkt 2.4.1.2). Tryk forsigtigt bruskstrimlen på fadet. Pas på ikke at ridse bruskoverfladen.
        BEMÆRK: Et sugeværktøj (se materialetabel) kan lægge et let tryk på brusken uden at beskadige overfladen, der skal friktionstestes.
      4. Gendan den aftagelige magnetiske base (med vedhæftet bruskstrimmel) til dens parrede magnetiske faste base i friktionstesteren. Fyld petriskålen med den ønskede testbadopløsning. Testbadopløsningen skal helt dække brusk.
    2. Hvis det ønskes, skal du vælge en lårbensbruskprop for at teste.
      BEMÆRK: Stikket kan testes som nederste eller øverste modflade.
      1. Hvis lårbenet bruges som nederste modflade, skal du fjerne den aftagelige magnetiske base og lime en petriskål med en diameter på 60 mm på den øverste overflade af den aftagelige base.
        1. Påfør en lille mængde cyanoacrylat i midten af skålen. Tryk forsigtigt bruskproppen på fadet.
          BEMÆRK: Et sugeværktøj kan påføre brusk et blidt tryk uden at beskadige overfladen, der skal friktionstestes.
        2. Gendan den aftagelige magnetiske base (med vedhæftet bruskprop) til dens parrede magnetiske faste base i friktionstesteren. Fyld petriskålen med den ønskede testbadopløsning. Testbadopløsningen skal helt dække brusk.
      2. Hvis lårbensbrusk bruges som øverste modflade, skal du fjerne læssepladen og støttestangen fra friktionstesteren. Fjern om nødvendigt den eksisterende plade og vælg en ny plade, der er egnet til bruskmontering.
        1. Påfør en lille mængde cyanoacrylat på pladeoverfladen. Tryk forsigtigt bruskproppen på pladen.
          BEMÆRK: Et sugeværktøj kan påføre brusk et blidt tryk uden at beskadige overfladen, der skal friktionstestes.
        2. Gendan læssepladen (med fastgjort bruskprop) og støttestangen til friktionstesteren. Læssepladens lodrette højde justeres, således at bruskproppen svæver over den nederste modflade og nedsænkes i testbadet. Tilføj mere testbadopløsning, hvis det er nødvendigt.
    3. Hvis det ønskes, skal du vælge synoviumprøven, der skal testes.
      BEMÆRK: Synovium kan testes som bund- eller øverste modflade.
      1. Hvis synoviumet bruges som bundmodflade, skal du fjerne den aftagelige magnetiske base og lime en petriskål med en diameter på 60 mm på den øverste overflade af den aftagelige base.
        1. Lim en specialbearbejdet cirkulær akryl-silikone stolpe med den ønskede diameter til midten af skålen.
        2. Brug pincet til at placere synovium oven på stolpen. For at sikre synoviumet skal du sprede en O-ring (se Materialetabel) over dens omkreds.
        3. Brug pincet til forsigtigt at trække i synoviumet for at strække væv og fladt under O-ringen. Trim overskydende væv med kirurgisk saks.
        4. Gendan den aftagelige magnetiske base (med synovium fastgjort) til dens parrede magnetiske faste base i friktionstesteren. Fyld petriskålen med den ønskede testbadopløsning. Testbadopløsningen skal helt dække synoviumet.
      2. Hvis synoviumet bruges som øverste modflade, skal du fjerne læssepladen og støttestangen fra friktionstesteren. Fjern om nødvendigt den eksisterende plade og vælg en ny cirkulær plade, der er egnet til synoviummontering.
        1. Brug pincet til at placere synovium oven på den cirkulære plade. For at sikre synoviumet spredes en O-ring over dens omkreds.
        2. Brug pincet til forsigtigt at trække i synoviumet for at strække væv og fladt under O-ringen. Trim overskydende væv med kirurgisk saks.
        3. Gendan læssepladen (med vedhæftet synovium) og støttestang til friktionstesteren. Læssepladens lodrette højde justeres således, at synovium svæver over den nederste modflade og nedsænkes i testbadet. Tilføj mere testbadopløsning, hvis det er nødvendigt.

3. Friktionstest

BEMÆRK: Et brugerdefineret LabVIEW-program og tilhørende hardware (se Supplerende kodningsfiler) bruges til disse tests. Bemærk, at den brugerdefinerede kode blev bygget på LabVIEW 2010 og er blevet vedligeholdt på den samme ældre version. Som følge heraf er koden muligvis ikke fremadrettet kompatibel med den nyeste version af softwaren. Følgende knaptryk og brugergrænsefladereferencer vil kun være relevante for den brugerdefinerede kode. Hvis du arbejder med en anden softwareversion, kan et lignende brugerdefineret program skrives ved at ændre koden.

  1. De monterede prøver (trin 2.4) indsættes i friktionstesteren.
    BEMÆRK: Prøverne skal nedsænkes i testbadopløsningen, men må ikke være i kontakt med hinanden.
  2. Åbn softwareprogrammet og foreskrive testparametre: trinhastighed, trinacceleration, rejsesti (afstand) og testvarighed (figur 5).
    1. Åbn de tre vinduer i programmet: Analog Data Build MFDAQ, Initialiser Load PID og Trigger Dynamic Caller.
    2. Kør vinduet Analog Data Build MFDAQ ved at trykke på knappen Kør (hvid pil).
    3. Kør vinduet Initialiser indlæs PID ved at trykke på knappen Kør (hvid pil).
    4. Naviger til fanen Stepper i vinduet Trigger Dynamic Caller. Angiv accelerationen, hastigheden og afstanden for oversættelsesfasen i brugerinputfelterne.
      BEMÆRK: Afstandsværdien indstiller slidsporet til halv længde. Med andre ord vil trinnet bevæge sig fra den angivne nulplacering (trin 3.5) til den indstillede afstandsværdi i både positiv og negativ x-retning.
    5. På fanen Stepper skal du angive testens varighed ved at vælge filstien til Trinr Time Index . Klik på knappen Åbn mappe nederst til højre i tabellen Tidstilstand, og vælg filen.
    6. Angiv også testens varighed under fanen Stemmespole. Naviger til fanen Stemmespole i vinduet Trigger Dynamic Caller. I lighed med trin 3.2.5 skal du vælge filstien til Voice Coil Index ved at klikke på knappen Åbn mappe nederst til højre i tabellen Tidstilstand og vælge filen. Varigheden skal svare til varigheden af fanen Stepper .
  3. Foreskrive den normale belastning. Hvis du bruger dødvægte, skal du placere de ønskede vægte på de lineære lejer over læssepladen. Sørg for, at den påførte belastning plus vægten af læssepladen og støttestangen ikke overstiger vejecellens nominelle kapacitet.
  4. Vælg stien og filnavnet til datalagring ved hjælp af knappen Åbn mappe til højre for feltet Skriv til fil?. Gem filen med filtypenavnet ".txt".
  5. Centrer den nederste modflade under den øverste modflade. Indstil dette som nul x-position.
    1. Kør vinduet Trigger Dynamic Caller ved at trykke på knappen Kør (hvid pil). På fanen Stepper skal du klikke på knappen Hjem for at flytte scenen til den sidst gemte nul x-position.
    2. Hvis modfladerne ikke er justeret, skal du flytte scenen ved at klikke på de grønne venstre og højre pileknapper . Når den ønskede placering er nået, skal du klikke på knappen Nul for at gemme den aktuelle sceneplacering som den nye nul x-position. Stop vinduet Trigger Dynamic Caller ved at klikke på knappen Stop .
      BEMÆRK: Sceneplaceringen kan kun gemmes, mens vinduet Trigger Dynamic Caller kører, men scenen bevæger sig endnu ikke som angivet af programmet. Hvis du trykker på knappen Kør (hvid pil) i trin 3.5.1, startes en tidsramme på 15 sekunder, før trinnet begynder at bevæge sig. Brug denne tidsramme på 15 s til at flytte scenen og gemme den ønskede nulplacering.
    3. Hvis den ønskede nul x-position ikke opnås ved første forsøg, gentages trin 3.5.1.
      BEMÆRK: Det kan hjælpe at trykke på Nul-knappen med mellemrum for at gemme scenepositionen, når brugeren flytter den nederste modflade under den øverste modflade. Husk, at hvis du klikker på knappen Hjem, flyttes scenen til den sidste position, der er gemt af knappen Nul .
  6. Når de øverste og nederste modflader er centreret, skal du starte friktionstest af prøverne ved at starte scenens cykliske bevægelse. For at gøre dette skal du køre vinduet Trigger Dynamic Caller ved at trykke på knappen Kør (hvid pil).
  7. Når scenen bevæger sig, skal du langsomt bringe det øverste modstykke i kontakt med bunden.
    BEMÆRK: Den anvendte belastningsværdi kan bekræftes ved at se Fz realtidsplottet i softwarevinduet (figur 5A).
  8. Lad testen køre, og indsaml friktionstestdataene.
    BEMÆRK: Alle data, der er registreret under trin 3.5, overskrives. Hysteresen i realtid kan ses i vinduet Trigger Dynamic Caller (Figur 5C).
  9. Efter den ønskede testvarighed skal testen stoppes ved at trykke på Stop-knappen og aflæse prøverne ved at hæve den øverste modflade og flytte den ud af kontakt med den nederste modflade.

4. Databehandling

BEMÆRK: Et brugerdefineret MATLAB-program bruges til databehandling (se Supplerende kodningsfiler). Koden kalder på de outputfiler, der er angivet af den brugerdefinerede LabVIEW-kode.

  1. Brug den brugerdefinerede kode til at beregne friktionskoefficienten og krybeforskydningen (tidsafhængig vævsdeformation) pr. Cyklus.
    1. Sørg for, at alle relevante koder gemmes i samme mappe: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" og "frictioncycle_run.m".
      BEMÆRK: Disse MATLAB-koder blev skrevet til brug med de specifikke output fra den førnævnte LabVIEW-kode. Hvis brugeren har oprettet sin egen kode eller har foretaget ændringer i forhold til den, der er beskrevet her, skal MATLAB-scripts muligvis redigeres for at imødekomme disse ændringer.
    2. Åbn filen frictioncycle_run.m. Klik på knappen Kør (grøn pil) i scriptet. Vælg den rå datafil, der skal analyseres, og den ønskede MATLAB-outputlagringsplacering.
      BEMÆRK: Softwaren kan kræve et par minutter at behandle data afhængigt af testens varighed.
  2. Hvis det ønskes, udføres standardvævsvurderinger og medieanalyser af de testede eksplotanter og alikvoter af testbadopløsningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En synovium-på-brusk konfiguration blev brugt til at friktionsteste juvenil kvægeksplolanter. Synoviumet blev monteret på en akrylbelastningsplade med en diameter på 10 mm, således at det intimale lag ville være i kontakt med den underliggende brusk. En tibialstrimmel blev brugt som brusk-modflade (figur 6A). Tibialstrimler blev skåret med en dybde på ca. 1,4 mm og en størrelse på 10 mm x 30 mm. Prøverne blev undersøgt i 1 time ved 37 °C i et fosfatbufferet saltvandsbad (PBS) eller et bad med bovin synovialvæske (SF). SF-badet bestod af en 50/50 blanding af PBS og bovin SF. Trinaccelerationen var 100 mm/s2, trinhastigheden var 1 mm/s, og trinlængden var 2,5 mm 6,9,42. Dødvægte blev brugt til at påføre forskellige normale belastninger, hvilket resulterede i kontaktspændinger på 180, 230 og 300 kPa 11,43.

Efter en time blev vævene aflæsset, og friktionskoefficienterne blev vurderet. En effektiv friktionskoefficient μ blev beregnet ud fra gennemsnittet af Ft/Fn over hver frem- og tilbagegående cyklus og derefter plottet mod testvarighed for at give en friktionskoefficient vs. tidsdiagram (figur 6B). For hver test blev værdierne for μ beregnet som gennemsnit over hele testen (alle cyklusser) for at give μgns. I et PBS-testbad steg de μgns. -værdier, efterhånden som kontaktstressen steg. Den μgns.PBS steg fra 0,015 ± 0,005 ved 180 kPa til 0,019 ± 0,005 ved 230 kPa til 0,022 ± 0,010 ved 300 kPa. Omvendt forblev de μgns. -værdier ens, da kontaktstresset steg i et SF-bad (figur 6C). Den μgns.SF var 0,013 ± 0,002 ved 180 kPa, 0,011 ± 0,001 ved 230 kPa og 0,011 ± 0,001 ved 300 kPa.

Samlet set viser resultaterne friktionstesteranordningens evne til samtidig at anvende gensidig glidning og normal belastning på to biologiske modflader. I denne undersøgelse viste synovium-på-bruskprøver testet i et SF-bad ikke en stigning i friktionskoefficienten, når kontaktspændingen blev øget, hvilket understøtter forestillingen om, at SF bidrager til leddets lave slid- og lavfriktionsegenskaber gennem en grænsesmøremekanisme.

Figure 1
Figur 1: Skematisk over toakset brugerdefineret friktionstestanordning (venstre) og tværsnit af indlæst prøve i petriskål (højre). Trinnet er fastgjort til en motor, der inducerer glidende bevægelse og får den nederste kontaktflade til at artikulere mod den øverste kontaktflade. Vejecellen indsamler belastningsmålinger i realtid, mens den lineære koder for indlæsningstrin indsamler krybeforskydningsmålinger i realtid. Figuren er ændret med tilladelse fra reference10. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Kvægsynoviumhøst. (A) Patellar senen skæres over ved hjælp af et vandret snit, der er bedre end skinnebenet. (B,C) Patellaen fjernes ved at lave to forreste til bageste snit i form af et V (stiplede linjer). (D) Omridset af synovium spores med et skalpelblad. (E) Synovium strækkes derefter distalt til den underliggende knogle og fjernes. Skalabjælke = 5 cm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Kvæg lårbensbruskprop høst. (A) En biopsi på 15,9 mm diameter indsættes normalt på lårbenets kondyle ledbruskoverflade, indtil knoglen er nået. (B) Stansen og stikket fjernes. Skalabjælke = 16 mm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Kvægbrusk tibialstrimmelhøst. (A) Menisken fjernes fra tibialplateauet. (B) Plateaukanterne skæres for at lave lige sider (indsat). (C) Indersiden af plateauet er scoret for at skabe en strimmel. (D) Der foretages et snit ved brusk-knogle-grænsefladen. (E) En skruetrækker indsættes under snittet. (F) Strimlen fjernes. Skalabjælke = 10 mm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: LabVIEW brugergrænseflade. Det brugerdefinerede program giver mulighed for at kontrollere forskellige testparametre såsom trinacceleration, trinhastighed, rejsesti og testvarighed. (A) Anvendt belastningsdiagram i realtid (Fz vs. t hvor Fz er den normale belastning Fn), (B) trinposition (ux vs. t) og (C) hystereseplot (Fx vs. ux, hvor Fxer den tangentielle kraft Ft) vises. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Synovium-on-brusk friktionsmålinger. (A) Friktionstestanordningen konfigureret til juvenil bovin synovium (indsat) på en tibial bruskstrimmel. (B) Repræsentativ friktionskoefficient (μ) som funktion af tidsdiagrammet. (C) Friktionskoefficienten for forskellige kontaktspændinger (180 kPa, blå; 230 kPa, rød; 300 kPa, grøn) i et fosfatbufferet saltvand (PBS, lukket cirkel) eller bovin synovialvæske (SF, åben cirkel) bad. Fejllinjer er middel med standardafvigelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Friktionsbioreaktor. (A) Skematisk friktionsbioreaktor med stationære overflade og bevægelige bundmodflader. (B) Et sidebillede og (C) bundbillede af bioreaktoren, der anvender fysiologisk forskydning i en synovium-på-brusk-konfiguration. (D) Bioreaktoren er anbragt inde i en vævskulturinkubator. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende kodningsfiler. Klik her for at downloade denne fil. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Et dynamisk mekanisk miljø eksisterer i leddet, da brusk udsættes for tryk-, træk- og forskydningskræfter og hydrostatiske og osmotiske tryk44,45. Selvom brusk er det vigtigste bærende væv i leddet, gennemgår synoviumet også friktionsinteraktioner med bruskoverfladen og med sig selv i regioner, hvor vævet foldes. De fysiske interaktioner mellem brusk og synovium er sandsynligvis ansvarlige for at overføre celler og frigive mesenkymale stamceller i det fælles miljø, hvilket giver en potentiel cellekilde til at bidrage til (begrænsede) ledbruskreparationsmekanismer 37,38,39,40. Friktionsegenskaberne af både brusk og synovium har vigtige konsekvenser for fælles vedligeholdelse og degeneration gennem vævsslitage13. En enhed, der er i stand til at levere gensidig oversættende bevægelse og kompressionsbelastning, præsenteres for at studere de mekaniske og mekanobiologiske processer, der er ansvarlige for fælles homeostase og sygdomsprogression.

Valget af testparametre og prøvemontering er to kritiske trin i protokollen. Enheden anvender en trykbelastning med enten dødvægte eller en stemmespoleaktuator. Det brugerdefinerede softwareprogram giver mulighed for kontrol over forskellige parametre såsom testvarighed, trinhastighed og rejsesti. Der kan opstå et problem, hvis testens varighed er for kort. når dette er tilfældet, tillader den korte varighed ikke friktionskoefficienten μ at nå ligevægt (μeq). Hvis μeq-output ønskes, skal brugeren vælge en passende testvarighed, der vil være i stand til at fange vævsadfærden, indtil den bliver konstant. Prøver kan nå ligevægt inden for få timer efter testning, afhængigt af størrelsen af kontaktområdet på vævet46. Testtypen skal også overvejes. Enheden er blevet brugt i det stationære kontaktområde og migrerende kontaktområdekonfigurationer til at studere bruskfriktionsegenskaber 5,6,9,11,12,47. Rejsestien, trinhastigheden og kongruensen af de to modflader kan manipuleres for at producere den ønskede testtilstand. Det anbefales at oprette plots i realtid i LabVIEW-programmets brugergrænseflade for at hjælpe med at overvåge en test. Nyttige plots inkluderer vandret sceneposition vs. tid, normal kraft vs. tid og tangentiel kraft vs. vandret trinposition (hysterese, figur 5C). For eksempel må den øverste modflade kun hvile på den nederste modflade for at sikre, at den fulde foreskrevne belastning påføres. Den anvendte belastningsværdi kan bekræftes ved at se det normale belastnings realtidsdiagram (figur 5A). Monteringen af prøver skal være sikker for at forhindre vævsglidning eller rivning, der giver fejlagtige målinger. Synoviumrivning på grund af forkert montering vil resultere i en forkert friktionskoefficient, da monteringsfladen under synoviumet vil blive udsat. Denne fejl kan detekteres ved at overvåge hysteresekurver i realtid. Enhedens realtidsvurdering af funktionelle egenskaber adskiller sig fra andre friktionstestsystemer.

Alle rådata skal skrives til en fil, der kan importeres og behandles af den ønskede databehandlingssoftware. Det anbefales at indsamle data med en frekvens på mindst 10 datapunkter/sekund og at gemme rådata i en .csv eller .txt fil. Friktionskoefficienten kan beregnes for hver position i hver cyklus ved hjælp af ligningen Equation 1 , hvor t og n henviser til henholdsvis de tangentielle og normale kræfter, og hvor + og - henviser til henholdsvis fremad og bagud slag pr. Cyklus5. Denne formel anerkender, at tegnet på F-t er modsat tegnet på F + t. Normal kraft (Fn) defineres som kraften i overensstemmelse med den påførte belastning (z-retning, figur 1), mens tangentiel kraft (Ft) er kraften parallelt med glidning (x-retning, figur 1). Den cyklusgennemsnitlige friktionskoefficient kan beregnes ved at tage gennemsnittet af μ for alle positioner i en given cyklus. Krybeforskydningen beregnes ved at normalisere den lodrette forskydning af den øverste modflade, således at den oprindelige forskydning er nul, og de efterfølgende forskydninger er i forhold til den oprindelige forskydning. Hvis det ønskes, kan der udføres standardvævsvurderinger og medieanalyser på de testede explants og aliquots af testbadopløsningen. Før analyse anbefales det at registrere testbadvolumenet, der skal bruges til databehandling eller normalisering.

De modulære modflader har muliggjort tilpasning af flere testkonfigurationer. Tidlige undersøgelser brugte glas-på-brusk-test til at belyse rollen som interstitiel væskebelastningsstøtte i brusktribologi 9,10. Betydningen af interstitiel væsketryk blev yderligere valideret ved at sammenligne stationære og migrerende kontaktområdetest for brusk-på-brusk og brusk mod glas11. Oungoulian et al.6 evaluerede slidmekanismen for ledbrusk mod metallegeringer, der anvendes i hemiarthroplastier, og viste, at de spændinger, der genereres ved glidekontakt i 4 timer, lettede delamineringsslitage gennem træthedssvigt i undergrunden. Dette arbejde blev efterfulgt af Durney et al.5, der demonstrerede, at slid på delaminering stadig kan forekomme, når friktionen forbliver lav under en migrerende kontaktområdekonfiguration. Senest rapporterede Estell et al.13 for første gang friktionsegenskaberne af synovium under testbetingelser, der efterlignede indfødte interaktioner med underliggende væv (brusk og synovium) og under forhold, der efterlignede en slidgigt tilstand (fortyndet synovialvæskebad med bruskslidpartikler). I sidste ende har friktionstestanordningens designfleksibilitet gjort det muligt at udføre en bred vifte af eksperimenter, hvilket bidrager til den større forståelse af brusk og synoviumtribologi.

En begrænsning ved det nuværende system er, at det kun kan opretholde aseptiske testforhold i et par timer. Dette opnås gennem akrylkabinettet, sterilisering af mediekontaktkomponenter via autoklave og sprøjtning af testenheden med 70% ethanol. Akrylkabinettet indeholder også et varmeelement og konstante temperaturovervågningsfunktioner. Varmeelementet opvarmer luften i kassen, styrer temperaturen i det indvendige miljø og kan styres eksternt for at undgå at udsætte prøverne for det ydre miljø. Aseptiske forhold kan opnås yderligere ved at høste prøverne i et sterilt biologisk sikkerhedsskab (BSC) og samle prøverne inde i BSC i en steril beholder, der kan kommunikere med støttestangen og den faste base. Til langsigtede undersøgelser kan akrylkabinettet udstyres med de nødvendige materialer for at give et mere sterilt miljø (ultraviolet lys, korrekt luftstrøm og filtrering og selvregulerende temperaturregulering). En anden begrænsning er, at den aktuelle friktionstestenhed er konfigureret til at teste en enkelt top- og bundflade. En multi-specimen modface tilgang kan opnås ved at ændre lastepladen og aftagelig base design, konvertere den nuværende friktionstest enhed til en bioreaktor med en multi-well kapacitet til at anvende fysiologisk belastning af brusk-på-brusk og synovium-på-brusk. Der er oprettet en fungerende prototype ved hjælp af en 6-brønds plade (figur 7). Designet forbeholder sig evnen til at modulere top- og bundflader efter ønske. Toppen af pladen er stationær og fastgjort til et vævskulturinkubatorstativ, mens bunden af pladen er fastgjort til et oversættelsestrin. I lighed med den nuværende friktionstestanordning kan dødvægt tilsættes for at ordinere en normal belastning. Med bioreaktoren i et sterilt miljø kan medier udtages over tid for at evaluere biologiske reaktioner på belastningsregimer. Den næste design iteration vil se ud til at skabe en selvstændig bioreaktor, der inkorporerer computerstyret oversættelse. Hvis friktionstestanordningens kompleksitet skulle opretholdes i bioreaktoren, kunne ændringer i vævsmekaniske og mekanobiologiske egenskaber måles i længderetningen.

En friktionstestanordning, der tillader kontrol over levering af gensidig oversættelsesbevægelse og normal belastning til to kontakt biologiske modflader, beskrives. I denne undersøgelse blev en synovium-på-brusk-konfiguration anvendt til at demonstrere enhedens modularitet og evnen til at studere friktionsresponser af levende væv. De repræsentative resultater bekræftede synovialvæskens rolle i tilvejebringelsen af grænsesmøring for at reducere slid og friktion af diarthrodialleddet. Enheden tillader udførelse af eksperimenter i flere skalaer lige fra bulkfriktion til mekanotransduktion. Designet kan fungere under sterile forhold i et par timer og kan omdannes til en langsigtet bioreaktor for at rekapitulere leddets trykglidning og derved lette studiet af biomekanik, mekanobiologi og fysisk regulering af levende ledvæv. Fremtidige undersøgelser vil bidrage til at forstå, hvordan sunde og syge fysiske miljøer påvirker fælles vedligeholdelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 og NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID: 10.13039/100000057).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum foil Reynolds Group Holdings Reynolds Wrap Sterile tissue harvest
Aluminum-framed acrylic enclosure Custom made Friction tester component
Autoclavable instant sealing sterilization pouches Fisherbrand 01-812-54 Sterilization of tools
Autoclave Buxton Sterilization of tools
Beaker (250 mL) Pyrex Vista 70000 Tissue harvest
Betadine (Povidone Iodine Prep Solution) Medline Industries, LP MDS093906 Sterile tissue harvest
Biological safety cabinet Labconco Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC Sterile tissue harvest
Biospy punch Steritool Inc. 50162 Tissue harvest
Box cutter American Safety Razor Company 94-120-71 Tissue harvest
Circular acrylic-sillicone post (synovium) Custom made Tissue mounting
Culture media Custom made DMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) supplemented with 50 μg/mL L-proline (Cat. No. P5607; Sigma), 100 μg/mL sodium pyruvate (Cat. No. S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. No. 354350; Corning), and 1% antibiotic–antimycotic (Cat. No. 15-240-062, Gibco)
Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear) Henkel 135455 Tissue mounting
Dead weights OHAUS Normal load
Ethanol 200 proof Decon Labs, Inc. 2701 Dilute to 70 %
Fixed base ThorLabs, Inc. SB1T Friction tester component
Forceps (synovium harvest) Fine Science Tools 11019-12 Tissue harvest
Forceps (synovium mounting) Excelta 3C-S-PI Tissue mounting
Horizontal linear encoder (for translating stage) RSF Electronics, Inc. MSA 670.63 Friction tester component; system resolution of 1 µm
Hot glue gun and glue FPC Corporation Surebonder Pro 4000A Tissue mounting
LabVIEW National Instruments Corporation LabVIEW  2010 Friction testing program
Load cell JR3 Inc. 20E12A-M25B Friction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z
Loading platen Custom made Tissue mounting
O-ring Parker S1138AS568-009 Tissue mounting
Petri dish (60 mm) Falcon 351007 Tissue mounting
PivotLok Work Positioner (tibia holder) Industry Depot, Pivot Lok PL325 Tissue harvest
Removable base ThorLabs, Inc. SB1B Friction tester component
Ring stand Tissue harvest
Scalpel blades Havel's Inc. FSC22 Tissue harvest
Scalpel handle FEATHER Safety Razor Co., Ltd. No. 4 Tissue harvest
Screwdriver Wera 3334 Tissue harvest
Stage JMAR Friction tester component
Stepper motor Oriental Motor Co., Ltd. PK266-03B Friction tester component
Suction tool Virtual Industries, Inc. PEN-VAC Vacuum Pen Tissue mounting
Support rod Custom made Tissue mounting
Surgical scissors Fine Science Tools 14061-09 Tissue mounting
Synovial fluid (bovine) Animal Technologies, Inc. Friction testing bath
Testing bath Custom made Phosphate-Buffered Saline (PBS) with protease inhibitors: 0.04% isothiazolone-base biocide (Proclin 950 Cat. No. 46878-U; Sigma) and 0.1% protease inhibitor - 0.05 M ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA (Cat. No. 0369; Sigma)
Tissue culture incubator Fisher Scientific Isotemp Sterile culture
Vertical linear encoder (for loading stage) Renishaw T1031-30A Friction tester component; 20 nm resolution
Voice coil actuator H2W Technologies NCC20-15-027-1RC Friction tester component

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. US Department of Health and Human Services. The Cost of Arthritis in US Adults. Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: https://www.cdc.gov/arthritis/data_statistics/cost.htm (2020).
  2. Buckwalter, J. A., Mankin, H. J. Instructional course lectures, the American academy of orthopaedic surgeons - articular cartilage. Part II: degeneration and osteoarthrosis, repair, regeneration, and transplantation. JBJS. 79 (4), 612-632 (1997).
  3. Berenbaum, F. Osteoarthritis as an inflammatory disease (osteoarthritis is not osteoarthrosis). Osteoarthritis and Cartilage. 21 (1), 16-21 (2013).
  4. Sellam, J., Berenbaum, F. The role of synovitis in pathophysiology and clinical symptoms of osteoarthritis. Nature Reviews Rheumatology. 6 (11), 625-635 (2010).
  5. Durney, K. M., et al. Immature bovine cartilage wear by fatigue failure and delamination. Journal of Biomechanics. 107, 109852 (2020).
  6. Oungoulian, S. R., et al. Wear and damage of articular cartilage with friction against orthopedic implant materials. Journal of Biomechanics. 48 (10), 1957-1964 (2015).
  7. Ateshian, G. A. The role of interstitial fluid pressurization in articular cartilage lubrication. Journal of Biomechanics. 42 (9), 1163-1176 (2009).
  8. Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The basic science of articular cartilage. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
  9. Krishnan, R., Kopacz, M., Ateshian, G. A. Experimental verification of the role of interstitial fluid pressurization in cartilage lubrication. Journal of Orthopaedic Research. 22 (3), 565-570 (2004).
  10. Krishnan, R., et al. Removal of the superficial zone of bovine articular cartilage does not increase its frictional coefficient. Osteoarthritis and Cartilage. 12 (12), 947-955 (2004).
  11. Caligaris, M., Ateshian, G. A. Effects of sustained interstitial fluid pressurization under migrating contact area, and boundary lubrication by synovial fluid, on cartilage friction. Osteoarthritis and Cartilage. 16 (10), 1220-1227 (2008).
  12. Caligaris, M., Canal, C. E., Ahmad, C. S., Gardner, T. R., Ateshian, G. A. Investigation of the frictional response of osteoarthritic human tibiofemoral joints and the potential beneficial tribological effect of healthy synovial fluid. Osteoarthritis and Cartilage. 17 (10), 1327-1332 (2009).
  13. Estell, E. G., et al. Attachment of cartilage wear particles to the synovium negatively impacts friction properties. Journal of Biomechanics. 127, 110668 (2021).
  14. Ateshian, G. A., Mow, V. C. Friction, lubrication, and wear of articular cartilage and diarthrodial joints. Basic Orthopaedic Biomechanics and Mechano-Biology. 3, 447-494 (2005).
  15. Bonnevie, E. D., Bonassar, L. J. A century of cartilage tribology research is informing lubrication therapies. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (3), 031004 (2020).
  16. Unsworth, A., Dowson, D., Wright, V. Some new evidence on human joint lubrication. Annals of the Rheumatic Diseases. 34 (4), 277-285 (1975).
  17. Unsworth, A., Dowson, D., Wright, V. The frictional behavior of human synovial joints-part I: natural joints. Journal of Lubrication Technology. 97 (3), 369-376 (1975).
  18. Shirley Jones, E. Joint Lubrication. The Lancet. 227 (5879), 1043-1045 (1936).
  19. Ateshian, G. A., et al. The role of osmotic pressure and tension-compression nonlinearity in the frictional response of articular cartilage. Transport in Porous Media. 50 (1), 5-33 (2003).
  20. Forster, H., Fisher, J. The influence of loading time and lubricant on the friction of articular cartilage. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 210 (2), 109-119 (1996).
  21. McCutchen, C. W. The frictional properties of animal joints. Wear. 5 (1), 1-17 (1962).
  22. Pickard, J., Ingham, E., Egan, J., Fisher, J. Investigation into the effect of proteoglycan molecules on the tribological properties of cartilage joint tissues. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 212 (3), 177-182 (1998).
  23. Wang, H., Ateshian, G. A. The normal stress effect and equilibrium friction coefficient of articular cartilage under steady frictional shear. Journal of Biomechanics. 30 (8), 771-776 (1997).
  24. Walker, P. S., Dowson, D., Longfield, M. D., Wright, V. Boosted lubrication in synovial joints by fluid entrapment and enrichment. Annals of the Rheumatic Diseases. 27 (6), 512-520 (1968).
  25. Walker, P. S., Unsworth, A., Dowson, D., Sikorski, J., Wright, V. Mode of aggregation of hyaluronic acid protein complex on the surface of articular cartilage. Annals of the Rheumatic Diseases. 29 (6), 591-602 (1970).
  26. Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J. Lubrication mode analysis of articular cartilage using Stribeck surfaces. Journal of Biomechanics. 41 (9), 1910-1918 (2008).
  27. Malcom, L. An experimental investigation of the frictional and deformational responses of articular cartilage interfaces to static and dynamic loading. , dissertation (1976).
  28. Schmidt, T. A., Sah, R. L. Effect of synovial fluid on boundary lubrication of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 15 (1), 35-47 (2007).
  29. Ateshian, G. A., Wang, H. Rolling resistance of articular cartilage due to interstitial fluid flow. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 211 (5), 419-424 (1997).
  30. Oungoulian, S. R., et al. Articular cartilage wear characterization with a particle sizing and counting analyzer. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (2), 0245011-0245014 (2013).
  31. Radin, E. L., Paul, I. L., Swann, D. A., Schottstaedt, E. S. Lubrication of synovial membrane. Annals of the Rheumatic Diseases. 30 (3), 322-325 (1971).
  32. Estell, E. G., et al. Fibroblast-like synoviocyte mechanosensitivity to fluid shear is modulated by Interleukin-1α. Journal of Biomechanics. 60, 91-99 (2017).
  33. Momberger, T. S., Levick, J. R., Mason, R. M. Hyaluronan secretion by synoviocytes is mechanosensitive. Matrix Biology: Journal of the International Society for Matrix Biology. 24 (8), 510-519 (2005).
  34. Momberger, T. S., Levick, J. R., Mason, R. M. Mechanosensitive synoviocytes: A Ca2+-PKCα-MAP kinase pathway contributes to stretch-induced hyaluronan synthesis in vitro. Matrix Biology. 25 (5), 306-316 (2006).
  35. Yanagida-Suekawa, T., et al. Synthesis of hyaluronan and superficial zone protein in synovial membrane cells modulated by fluid flow. European Journal of Oral Sciences. 121 (6), 566-572 (2013).
  36. Cooke, A. F., Dowson, D., Wright, V. Lubrication of synovial membrane. Annals of the Rheumatic Diseases. 35 (1), 56-59 (1976).
  37. Goldring, M. B., Berenbaum, F. Emerging targets in osteoarthritis therapy. Current Opinion in Pharmacology. 22, 51-63 (2015).
  38. Jones, E. A., et al. Synovial fluid mesenchymal stem cells in health and early osteoarthritis: Detection and functional evaluation at the single-cell level. Arthritis and Rheumatism. 58 (6), 1731-1740 (2008).
  39. Sampat, S. R., et al. Growth factor priming of synovium-derived stem cells for cartilage tissue engineering. Tissue Engineering. Part A. 17 (17-18), 2259-2265 (2011).
  40. Kurth, T. B., et al. Functional mesenchymal stem cell niches in adult mouse knee joint synovium in vivo. Arthritis and Rheumatism. 63 (5), 1289-1300 (2011).
  41. Krishnan, R., Mariner, E. N., Ateshian, G. A. Effect of dynamic loading on the frictional response of bovine articular cartilage. Journal of Biomechanics. 38 (8), 1665-1673 (2005).
  42. Bonnevie, E. D., Baro, V., Wang, L., Burris, D. L. In-situ studies of cartilage microtribology: roles of speed and contact area. Tribology Letters. 41 (1), 83-95 (2011).
  43. Bian, L., et al. Dynamic mechanical loading enhances functional properties of tissue-engineered cartilage using mature canine chondrocytes. Tissue Engineering. Part A. 16 (5), 1781-1790 (2010).
  44. Mow, V. C., Wang, C. C., Hung, C. T. The extracellular matrix, interstitial fluid and ions as a mechanical signal transducer in articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 7 (1), 41-58 (1999).
  45. Wang, C. C. -B., et al. The functional environment of chondrocytes within cartilage subjected to compressive loading: a theoretical and experimental approach. Biorheology. 39 (1-2), 11-25 (2002).
  46. Carter, M. J., Basalo, I. M., Ateshian, G. A. The temporal response of the friction coefficient of articular cartilage depends on the contact area. Journal of Biomechanics. 40 (14), 3257-3260 (2007).
  47. Jones, B. K., Durney, K. M., Hung, C. T., Ateshian, G. A. The friction coefficient of shoulder joints remains remarkably low over 24 h of loading. Journal of Biomechanics. 48 (14), 3945-3949 (2015).

Tags

Bioengineering udgave 184
En friktionstest-bioreaktorenhed til undersøgelse af synovial fælles biomekanik, mekanik og fysisk regulering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gangi, L. R., Petersen, C. A.,… More

Gangi, L. R., Petersen, C. A., Oungoulian, S. R., Estell, E. G., Durney, K. M., Suh, J. T., Ateshian, G. A., Hung, C. T. A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation. J. Vis. Exp. (184), e63880, doi:10.3791/63880 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter