Name: Um dispositivo de teste de atrito-bioreator para estudo de biomecânica articular sinovial, mecanobiologia e regulação física (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-02T13:50:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Aprenda a usar um dispositivo de teste de atrito-biorreator para estudar biomecânica articular sinovial e mecanobiologia em tecidos vivos. Este método avalia respostas mecânicas da cartilagem e sinóvio para desenvolver estratégias de saúde articular.

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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).

Os autores não têm nada a revelar.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Folha de alumínio</td><td>Reynolds Group Holdings</td><td>Reynolds Wrap</td><td>Colheita de tecido estéril</td></tr><tr><td>Invólucro de acrílico com moldura de alumínio</td> Feito <td>sob medida</td><td>Componente do testador de fricção</td>Bolsas <td></td></tr><tr><td>de esterilização de selagem instantânea autoclaváveis</td><td>Fisherbrand</td><td>01-812-54</td><td>Esterilização de ferramentas</td></tr><tr><td>Autoclave</td><td>Buxton</td><td></td><td>Esterilização de ferramentas</td></tr><tr><td>Copo (250 mL)</td><td>Pyrex Vista</td><td>70000</td><td>Colheita de tecidos</td></tr><tr><td>Betadine (Solução de preparação de iodopovidona)</td><td>Medline Industries, LP</td><td>MDS093906</td><td>Colheita de tecidos estéreis</td></tr><tr><td>Armário de segurança biológica</td><td>Labconco</td><td>Purifier Logic+ Classe II, Tipo A2 BSC</td><td>Colheita de tecidos estéreis</td></tr><tr><td>Punção Biospy</td><td>Steritool Inc.</td><td>50162</td><td>Colheita de tecidos</td></tr><tr><td>Cortador de caixas</td><td>American Safety Razor Company</td><td>94-120-71</td><td>Colheita de tecidos</td></tr><tr><td>Poste circular de acrílico-silício (sinóvia)</td><td>Feito sob medida</td><td></td><td>Montagem</td></tr><tr><td>de tecidos Meios de cultura</td><td>DMEM feito sob medida</td><td></td><td>(Cat No. 11-965-118; Gibco) suplementado com 50 &mu; g/mL de L-prolina (Cat. Nº P5607; Sigma), 100 &mu; g/mL de piruvato de sódio (Cat. Nº S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. Nº 354350; Corning) e 1% antibiótico&ndash; antimicótico (Cat. No. 15-240-062, Gibco)</td></tr><tr><td>Cianoacrilato (Loctite 420 Clear)</td><td>Henkel</td><td>135455</td><td>Montagem de tecido</td></tr><tr><td>Pesos mortos</td><td>OHAUS</td><td></td><td>Carga normal</td></tr><tr><td>Etanol 200 prova</td><td>Decon Labs, Inc.</td><td>2701</td><td>Diluir a 70%</td></tr> <tr><td>de base fixa</td><td>ThorLabs, Inc.</td><td>Pinça de componente do testador de fricção</td> <td>SB1T</td></tr><tr><td>(colheita de sinóvia)</td><td>Ferramentas de Belas Ciências</td><td>11019-12</td> Pinça <td>de colheita de tecido</td></tr><tr><td>(montagem de sinóvia)</td><td>Excelta</td><td>3C-S-PI</td><td>Montagem de tecido</td></tr><tr><td>Codificador linear horizontal (para estágio de tradução)</td><td>RSF Electronics, Inc.</td><td>MSA 670.63</td><td>Componente do testador de fricção; resolução do sistema de 1 &micro; m</td></tr><tr><td>Pistola de cola quente e cola</td><td>FPC Corporation</td><td>Surebonder Pro 4000A</td><td>Montagem de tecido</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments Corporation</td><td>LabVIEW&nbsp; 2010</td><td>Programa de teste de fricção</td></tr><tr><td>Célula de carga</td><td>JR3 Inc.</td>componente do verificador da fricção <td>20E12A-M25B</td><td>; 0,0019 libras de definição em x& y, 0,0038 lbs resolução em z</td></tr><tr><td>Placa de carregamento</td><td>Feito sob medida</td><td></td><td>Montagem</td></tr><tr><td>de tecido O-ring</td><td>Parker</td><td>S1138AS568-009</td><td>Montagem de tecido</td>Placa de</tr><tr><td>Petri (60 mm)</td><td>Falcon</td><td>351007</td><td>Montagem de tecido</td></tr><tr><td>PivotLok Work Positioner (suporte de tíbia)</td><td>Industry Depot, Pivot Lok</td><td>PL325</td><td>Colheita de tecido</td></tr><tr><td>Base removível</td><td>ThorLabs, Inc. </td><td>SB1B</td><td>Componente do testador de fricção</td></tr><tr><td>Suporte</td><td></td><td></td> de anel <td>Colheita de tecidos</td></tr><tr><td>Lâminas de bisturi</td><td>Havel's Inc.</td><td>FSC22</td><td>Colheita de tecidos</td></tr><tr><td>Bisturi lidar</td><td>com FEATHER Safety Razor Co., Ltd.</td>Chave de fenda de <td>colheita de tecido</td> <td>nº 4</td></tr><tr><td></td><td>Wera</td><td>3334</td><td>Estágio de colheita de tecido</td></tr><tr><td></td><td>JMAR</td><td></td><td>Componente do testador de fricção</td></tr><tr><td>Motor de passo</td><td>Oriental Motor Co., Ltd.</td><td>PK266-03B</td><td>Componente do testador de fricção</td></tr><tr><td>Ferramenta de sucção</td><td>Virtual Industries, Inc.</td><td>PEN-VAC Caneta a vácuo</td><td>Montagem de tecido</td></tr><tr><td>Haste de suporte</td><td>Montagem de</td><td>tecido</td>Tesoura cirúrgica Tesoura <td></td></tr><tr><td>cirúrgica</td><td>Ferramentas de ciências finas</td><td>14061-09</td><td>Montagem de tecido</td></tr><tr><td>Fluido sinovial (bovino)</td><td>Animal Technologies, Inc.</td><td></td><td>Banho de teste de fricção</td></tr><tr><td>Banho de teste</td> Salino tamponada com fosfato (PBS) <td>feito sob medida</td><td></td><td>com 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)</td></tr><tr><td>Incubadora de cultura de tecidos</td><td>Fisher Scientific</td><td>Isotemp</td> Encoder linear vertical de <td>cultura estéril</td></tr><tr><td>(para estágio de carregamento)</td><td>Renishaw</td><td>T1031-30A</td><td>Componente do testador de fricção; resolução de 20 nm</td></tr><tr><td>Atuador de bobina de voz</td><td>H2W Technologies</td><td>NCC20-15-027-1RC</td><td>Componente do testador de fricção</td></tr></tbody></table>

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

A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation

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.

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...

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

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

In primary osteoarthritis (OA), normal 'wear and tear' associated with aging inhibits the ability of cartilage to sustain its load-bearing and lubrication ...

Tradicionalmente, usamos o testador para estudar tecidos não vivos para calcular coeficientes de atrito, mas estamos expandindo significativamente as capacidades do testador para testar tecidos vivos e avaliar interações biológicas. O dispositivo de teste de atrito fornece movimento de tradução recíproca e carga compressiva para superfícies de contato de explanações de tecido vivo. O dispositivo é modular, permitindo o teste de várias contrafaces biológicas.O método poderia fornecer uma visão de como as forças de atrito afetam as respostas mecânicas e mequenicobiológicas da cartilagem viva e do sinovia, o que pode levar a novas estratégias de manutenção da saúde articular. Comece colhendo o sinovium bovino juvenil. 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 sinolio do osso e coloque o tecido em mídia cultural apropriada ou teste a solução de banho. Em seguida, colide a cartilagem bovina juvenil, fixando a tíbia em um suporte ajustável.Remova o menisco cuidadosamente, evitando contato com a superfície da cartilagem. 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 retas ou laterais.Remova o excesso de tecido. Nas bordas externas, use o cortador de caixa para fazer um corte limpo na interface entre o osso e a cartilagem. Para remover a tira tibial da superfície do planalto, insira delicadamente uma chave de fenda plana abaixo do corte e gire suavemente para afrouxar a cartilagem articular do osso subcondral.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. Certifique-se de que a chave de fenda é empurrada em direção ao osso, não à cartilagem. Usando um cortador de caixa, corte a superfície do platô tibial para produzir amostras retangulares de tamanho e espessura desejados.Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. Se a tira tibial for usada como contraface inferior, remova a base magnética destacável e cole uma placa de Petri de 60 milímetros de diâmetro à superfície superior da base destacável. Com a placa de Petri colada no lugar, conecte a base destacada à base fixa e marque a placa de Petri para indicar uma direção deslizante.Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato no centro do prato. Alinhe a tira tibial com a direção deslizante do palco. Pressione suavemente a tira da cartilagem sobre o prato.Restaurar a base magnética removível à sua base fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. Se o sinovia for usado como contraface superior, remova a placa de carregamento e a haste de suporte do testador de atrito.Coloque o sinovia em cima da placa circular. Para proteger o sinovia, espalhe um o-ring sobre sua circunferência. Usando fórceps, puxe suavemente o sinolário para esticar o tecido esticado e plano sob o anel O.Corte o excesso de tecido com uma tesoura cirúrgica. Restaure a placa de carregamento e a haste de suporte no 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.Insira as amostras montadas no dispositivo de teste de atrito. Abra a compilação de dados analógicos MF DAQ. Inicialize o Load PID e a trigger Dynamic Caller Windows no programa.Execute a compilação de dados analógicos MF DAQ e inicialize a janela PID de carga pressionando o botão Executar. 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.Para inserir a duração do teste, clique no botão Pasta Aberta no canto inferior direito da tabela Time State e selecione o caminho do arquivo Stepper Time Index. Em seguida, especifique novamente a duração do teste na guia Bobina de voz. Selecione o caminho do arquivo Índice de Bobina de Voz clicando no botão 'Pasta aberta' no canto inferior direito da tabela Estado de tempo e selecione o arquivo.Isto deve ser realizado se a bobina de voz é usada ou não. Aplique 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 superem a capacidade de célula de carga. Selecione o caminho e o nome do arquivo para armazenamento de dados usando o botão Abrir pasta à direita da caixa Direito de Arquivo. Salve o arquivo com uma extensão txt.Centralizar a contraface inferior por baixo do contra-rosto superior e definir isso como a posição zero X. Para fazer isso, execute a janela Trigger Dynamic Caller pressionando o botão Executar. Na guia Stepper clique no botão Home para mover o palco para a última posição zeX salva.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.Uma vez centradas as contrafaces superior e inferior, inicie o teste de atrito das amostras iniciando o movimento cíclico do estágio. Uma vez que o palco se move, lentamente coloque o contra-rosto superior em contato com a parte inferior. Deixe o teste funcionar, coletando os dados de teste de atrito.Após a duração desejada do teste, pare o teste pressionando o botão Stop e descarregando os espécimes levantando o contraface superior e movendo-o para fora do contato com o contraface inferior. Use o código personalizado para calcular o coeficiente de atrito e a histerese por ciclo. Certifique-se de que uma única pasta contenha todos os arquivos relevantes.Abra a execução do ciclo de atrito. arquivo m. Clique no botão Executar no script.Selecione o arquivo de dados bruto para analisar e o local de salvamento desejado. O coeficiente de atrito e as parcelas de histerese serão produzidos pelo MATLAB. Uma configuração de sinovial-na-cartilagem foi usada para testar explants bovinos juvenis onde o sinolio foi montado em uma placa de carregamento acrílico de 10 milímetros 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. Um coeficiente de atrito eficaz foi calculado a partir da média de FT dividido por FN ao longo de cada ciclo recíproco e, em seguida, plotado contra a duração do teste para produzir um coeficiente de atrito versus tempo parcela. Para cada teste, os valores do coeficiente de atrito foram mediados ao longo de todo o teste.Em um banho de teste de PBS, os valores médios do coeficiente de atrito aumentaram à medida que o estresse de contato aumentava. Por outro lado, os valores médios do coeficiente de atrito permaneceram semelhantes à medida que o estresse de contato aumentava em um banho de fluido sinovial bovino. Lembre-se de começar a coletar dados de carga antes de colocar as superfícies em contato.Isso garante que uma carga de tare adequada possa ser calculada. Os componentes do banho de tecido e lubrificante podem ser avaliados antes e depois dos testes para avaliar as alterações biológicas transmitidas por um determinado regime experimental.

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