Методическая статья

Устройство для испытания на трение -биореактор для изучения биомеханики синовиальных суставов, механобиологии и физической регуляции

DOI:

10.3791/63880

⸱

2 июня 2022 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

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

Настоящий протокол описывает устройство для испытания на трение, которое применяет одновременное обратное скольжение и нормальную нагрузку к двум контактным биологическим противовесам.

Аннотация

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

При первичном остеоартрите (ОА) нормальный «износ», связанный со старением, подавляет способность хряща поддерживать свои несущие и смазывающие функции, способствуя вредной физической среде. Фрикционные взаимодействия суставного хряща и синовиальной оболочки могут влиять на гомеостаз суставов через износ тканевого уровня и клеточную механотрансдукцию. Для изучения этих механических и механобиологических процессов описан прибор, способный воспроизводить движение сустава. Устройство для испытания на трение контролирует подачу обратного переводящего движения и нормальной нагрузки на два контактных биологических противогранника. В этом исследовании используется конфигурация синовия на хряще, а измерения коэффициента трения представлены для испытаний, проводимых в фосфатно-буферной физиологической ванне (PBS) или синовиальной жидкости (SF). Испытания проводились для диапазона контактных напряжений, подчеркивающих смазывающие свойства SF при высоких нагрузках. Это устройство для испытания на трение может быть использовано в качестве биомиметического биореактора для изучения физической регуляции живых суставных тканей в ответ на прикладную физиологическую нагрузку, связанную с диартродиальным сочленением сустава.

Введение

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

Остеоартрит (ОА) является изнурительным, дегенеративным заболеванием суставов, которое поражает более 32 миллионов взрослых американцев, с расходами на здравоохранение и социально-экономические расходы более 16,5 миллиардов долларов1. Заболевание классически характеризуется деградацией суставного хряща и субхондральной кости; однако изменения в синовиальной оболочке недавно получили признание, поскольку синовит был связан с симптомами ОА и прогрессированием 2,3,4. При первичном (идиопатическом) ОА нормальный «износ», связанный со старением, ингибирует способность хряща поддерживать свои несущие и смазывающие функции. Было показано, что напряжения, создаваемые длительным скользящим контактом суставных хрящевых слоев или скользящим контактом хряща с материалами имплантатов, облегчают расслоение износа из-за усталостного разрушения подповерхностныхповерхностей 5,6. Поскольку динамическая механическая среда существует в суставе 7,8, фрикционные взаимодействия суставного хряща и синовиального отдела могут влиять на гомеостаз сустава через износ тканевого уровня и клеточную механотрансдукцию. Для изучения этих механических и механобиологических процессов разработано устройство для воспроизведения движения сустава с жестким контролем над сжимающей и фрикционной нагрузкой 5,6,9,10,11,12,13.

Настоящий протокол описывает устройство для испытания на трение, которое обеспечивает обратное, преобразующее движение и сжимающую нагрузку на контактные поверхности эксплантов живой ткани. Устройство, управляемое компьютером, позволяет пользователю контролировать продолжительность каждого теста, приложенную нагрузку, диапазон движения этапа трансляции и скорость трансляции. Устройство является модульным, что позволяет тестировать различные контрфасы, такие как ткань на ткани (хрящ на хряще и синовий на хряще) и ткань на стекле. В дополнение к функциональным измерениям, полученным тестером, компоненты тканей и смазочной ванны могут быть оценены до и после тестирования для оценки биологических изменений, передаваемых данным экспериментальным режимом.

Исследования трибологии хряща проводились в течение десятилетий, и было разработано несколько методов для измерения коэффициентов трения между хрящом и стеклом и хряща на хряще14,15. Различные подходы мотивированы суставом и/или механизмом смазки, представляющим интерес. Часто существует компромисс между контролем экспериментальных переменных и повторением физиологических параметров. Маятниковые устройства используют неповрежденные соединения в качестве точки опоры простого маятника, где одна поверхность соединения свободно перемещается по второй поверхности 14,16,17,18. Вместо использования неповрежденных соединений измерения трения могут быть получены путем скольжения эксплантов хряща по желаемым поверхностям 14,19,20,21,22,23,24,25. Сообщаемые коэффициенты трения суставного хряща варьировались в широком диапазоне (от 0,002 до 0,5) в зависимости от условий эксплуатации14,26. Созданы устройства для воспроизведения вращательного движения 23,27,28. Gleghorn et al.26 разработали многолуночный пользовательский трибометр для наблюдения профилей смазки хряща с использованием анализа кривой Стрибека, и линейное колебательное скользящее движение было применено между хрящами против плоской стеклянной противоположности.

Это устройство направлено на изоляцию фрикционных реакций и исследование механобиологии живых тканей в различных условиях нагрузки. Устройство использует упрощенную испытательную установку, имитирующую сочленение суставов посредством сжимающего скольжения, которая может аппроксимировать как качение, так и скольжение с пониманием того, что сопротивление в чистом движении качения ничтожно мало по сравнению с измеренным коэффициентом трения суставного хряща29. Первоначально созданный для изучения влияния давления интерстициальной жидкости на фрикционную реакцию суставного хряща9, тестер с тех пор использовался для изучения таких тем, как фрикционные эффекты удаления поверхностной зоны хряща10, смазывающие эффекты синовиальной жидкости11, гипотезы износа хряща 5,6,30 и измерения трения синовия о ткани13 . Биореактор, тестирующий трение, может проводить эксперименты по трению в стерильных условиях, обеспечивая новый механизм для изучения того, как силы трения влияют на механобиологические реакции живого хряща и синовиума. Эта конструкция может быть использована в качестве биомиметического биореактора для изучения физической регуляции живых суставных тканей в ответ на прикладную физиологическую нагрузку, связанную с диартродиальным суставным сочленением.

В этом исследовании представлена конфигурация для испытания трения синовия-на-хряще в диапазоне контактных напряжений и в различных смазочных ваннах. Площадь суставной поверхности большинства суставов в значительной степени представляет собой синовиальную ткань31. Хотя скольжение синовия на хряще не происходит на первичных несущих поверхностях, фрикционные взаимодействия между двумя тканями все еще могут иметь важные последствия для восстановления тканевого уровня и механотрансдукции клеток. Ранее было показано, что фибробластоподобные синовиоциты (FLS), находящиеся на интимальном слое синовиума, являются механочувствительными, реагируя на вызванное жидкостью напряжение сдвига32. Также было продемонстрировано, что растяжение33,34 и жидкостно-индуцированное напряжение сдвига35 модулируют производство смазочных материалов FLS. Таким образом, прямой скользящий контакт между синовием и хрящом может обеспечить еще один механический стимул для резидентных клеток в синовиальной оболочке.

Только несколько отчетов о коэффициентах трения синовия были опубликованы31,36. Estell et al.13 стремились расширить предыдущую характеристику, используя биологически значимые контрафасти. Благодаря способности устройства для фрикционного тестирования тестировать живые ткани можно имитировать физиологические взаимодействия тканей во время суставной артикуляции, чтобы прояснить роль контактного сдвигового напряжения на функцию синовиоцитов и его вклад в перекрестные помехи между синовиальным и хрящом. Последний был вовлечен в опосредование воспаления синовиального сустава при артрите и после травмы. Из-за физической близости хряща к синовиальной оболочке и синовиальной жидкости, которые содержат синовиоциты, которые проявляют мультипотентную способность, включая хондрогенез, постулируется, что синовиоциты играют роль в гомеостазе и восстановлении хряща путем приживления к суставной поверхности. В этом контексте физический контакт и реципрокное срезание хрящево-синовиального и синовиально-синовиального могут повысить доступность синовиоцитов к областям повреждения хряща 37,38,39,40. Исследования, использующие конфигурации синовия-на-хряще, не только дадут представление о механике и трибологии суставов, но также могут привести к новым стратегиям поддержания здоровья суставов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Для настоящего исследования использовались ювенильные суставы крупного рогатого скота, полученные с местной скотобойни. Исследования с такими образцами крупного рогатого скота освобождаются от Колумбийского институционального комитета по уходу за животными и их использованию (IACUC).

1. Проектирование устройства для испытания на трение

ПРИМЕЧАНИЕ: Схематическое изображение устройства для испытания на трение показано на рисунке 1. Устройство построено на жесткой опорной плите (не показана), которая служит платформой для структурной опоры.

  1. Прикрепите шаговый двигатель к горизонтальной ступени перемещения (см. Таблицу материалов), создав двухосевое устройство для испытания на трение, которое обеспечивает обратное перемещение на контактные поверхности.
  2. Установите многоосевой тензодатчик на этапе трансляции (см. Таблицу материалов). Установленный тензодатчик будет использоваться для измерения нормальной нагрузки в z-направлении (Fn) и тангенциальной нагрузки в x-направлении (Ft).
  3. Оснастите сцену трансляции линейным энкодером (см. Таблицу материалов) для записи горизонтального смещения (ux) сцены. Кроме того, оснастите ступень нагрузки линейным энкодером (см. Таблицу материалов) для регистрации вертикального смещения (uz) валик.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Энкодер стадии трансляции регистрирует относительное тангенциальное смещение контактирующих поверхностей, и эта информация используется для обнаружения начала каждого нового цикла возвратно-поступательного скольжения.
  4. Настройте загрузочную вагину (верхнюю контактную поверхность) в качестве стеклянной, хрящевой или синовиальной противоположности. Подключите валик к ступени загрузки с помощью резьбового опорного стержня.
  5. Прикрепите двухкомпонентное магнитное основание к верхней части тензодатчика (см. Таблицу материалов): (1) фиксированное основание, которое постоянно прикреплено к тензодатчику, и (2) съемное основание, которое магнитно соединяется с неподвижным основанием. Убедитесь, что две части образуют плотное соединение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Съемное основание будет удерживать переводящую контрафас (нижнюю контактную поверхность).
  6. Назначают нормальную нагрузку. Используйте мертвый вес, установленный на линейных подшипниках над загрузочным валиком и опорным стержнем. Альтернативно, укажите нагрузку с помощью привода звуковой катушки (см. Таблицу материалов), который может динамически загружать нижнюю контактную поверхность41.
  7. Поместите устройство в акриловый корпус с алюминиевой рамой (см. Таблицу материалов) для защиты окружающей среды от загрязнения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пользовательская программа LabVIEW управляет устройством (см. Дополнительные файлы кодирования) с пользовательским контролем продолжительности каждого теста, а также траектории прохождения этапа, ускорения (изменения направления) и скорости. Нормальная сила, тангенциальная сила, смещение ступени и смещение ползучести контролируются на протяжении всего теста с помощью аппаратного и программного обеспечения для сбора данных (см. Таблицу материалов).

2. Подготовка и монтаж образца

  1. Подготовьтесь к сбору стерильной ткани, выполнив следующие действия.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если стерильный сбор урожая не желателен, перейдите к шагу 2.2.
    1. Стерилизуйте металлические инструменты в автоклаве. Распылите держатели соединений с 70% этанолом и поместите их в шкаф биологической безопасности (BSC). Закройте шкаф на один ультрафиолетовый (УФ) цикл.
    2. Извлеките инструменты из автоклава. Поместите инструменты, бетадин, стерильные лезвия скальпеля и стаканы, содержащие 70% этанола, в BSC.
    3. Внутри BSC откройте инструменты и поместите их в 70% этаноловые стаканы. Прикрепите лезвия скальпеля к рукояткам скальпеля.
    4. Подготовьте сустав к сбору урожая. Распылите на внешнюю сторону сустава 70% этанол и заверните в алюминиевую фольгу на 30 мин. Следите за тем, чтобы не сломать суставную капсулу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ювенильные суставы крупного рогатого скота были получены с бедренной и большеберцовой костями, разрезанными примерно на 15 см выше и ниже сустава, чтобы обеспечить неповрежденную капсулу.
    5. Через 30 мин поместите обернутый сустав внутрь BSC. Откройте фольгу и закрепите шарнир к ее держателю. Покройте сустав бетадином, аккуратно протирая бетадин по всей поверхности сустава.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Обратитесь к шагам 2.2 и 2.3 для инструкций, специфичных для синовия и хрящей, соответственно.
  2. Заготовьте молодь крупного рогатого скота, следуя приведенным ниже шагам.
    1. Закрепите капсулу тибиофеморального сустава с помощью кольцевой подставки (см. Таблицу материалов) передней стороной, обращенной к диссектору. С помощью щипцов и лезвия скальпеля отрежьте сухожилие надколенника горизонтальным разрезом 5-10 см (в зависимости от размера сустава), превосходящим большеберцовую кость (рисунок 2А).
    2. Обхватите сухожилие надколенника щипцами. Сделайте два передних и задних разреза в форме V (рисунок 2B,C). Эти разрезы должны освободить надколенник.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда сустав начинает открываться, будьте осторожны, чтобы не разорвать переднюю крестообразную связку (ACL), заднюю крестообразную связку (PCL), медиальную коллатеральную связку (MCL), латеральную коллатеральную связку (LCL) и мениск.
    3. Поверните коленную чашечку позади сустава или полностью удалите ее из сустава. Осторожно удалите ткань поверхностно к синовиальной мембране на медиальной и боковой сторонах сустава, чтобы обнажить синовиальную оболочку.
    4. С помощью лезвия скальпеля проследите контур интересующей синовиальной области. Используя щипцы, захватите один конец синовиума и осторожно поднимите, чтобы растянуть синовиальный отдел к подлежащей кости. Используйте лезвие скальпеля для удаления синовиума из кости (рисунок 2D,E).
    5. Поместите ткань в соответствующую культуральную среду или тестируемый раствор для ванны. Синовиальный эксплант может быть культивирован для желаемого эксперимента или смонтирован и использован для тестирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Питательные среды/тестирующие растворы для ванн могут варьироваться в зависимости от предпочтений исследовательской группы. Для заказных материалов, используемых для настоящего исследования, пожалуйста, смотрите Таблицу материалов.
  3. Собирают молодь крупного рогатого хряща (бедренные пробки и полоски большеберцовой кости).
    1. Отделите бедренную кость от большеберцовой кости путем разрыва ACL, PCL, MCL и LCL. Позаботьтесь о том, чтобы не разрезать хрящ мыщелка бедренной кости или не разрезать мениск до плато большеберцовой кости. Поместите отделенные ткани в соответствующие держатели для рассечения (этап 2.3.2 для бедренной кости и этап 2.3.3 для большеберцовой кости).
    2. Закрепите бедренную кость с помощью кольцевой подставки. Используя биопсийный пунш желаемой формы и размера, приведите инструмент в норму к поверхности суставного хряща мыщелка бедренной кости до достижения кости (рисунок 3A).
      1. Ослабьте соединение вилки с костью, переместив удар слева направо и вперед на назад. Делайте это, не снимая перфоратор.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Потрескивающие звуки могут быть слышны, когда кость отделяется от хряща.
      2. Удалите перфоратор и, следовательно, пробку из подлежащей кости (рисунок 3B). При необходимости повторите шаги 2.3.2, 2.3.2.1 и 2.3.2.2 для остальных нетронутых мест на мыщелке.
        ПРИМЕЧАНИЕ: При подготовке к установке бедренной пробки на испытательное основание, возможно, потребуется выбрить глубокую сторону пробки. Это можно сделать с помощью коробчатого резака или скальпеля.
      3. Поместите ткань в соответствующую культуральную среду или тестируемый раствор ванны. Бедренная пробка может быть культивирована для желаемого эксперимента или установлена и использована для тестирования.
    3. Закрепите большеберцовую кость в регулируемом держателе (см. Таблицу материалов). Удалите мениск осторожно, избегая контакта с поверхностью хряща (рисунок 4A).
      1. На внешних краях плато большеберцовой кости используйте коробчатый резак, чтобы разрезать перпендикулярно хрящу по направлению к кости. Полностью прорежьте хрящ, чтобы сделать прямые края / стороны (рисунок 4B). Начните разрез примерно на расстоянии 2 мм от каждого края плато большеберцовой кости и удалите лишнюю ткань. Оцените внутренние края хряща (рисунок 4C).
        ПРИМЕЧАНИЕ: В этот момент кость должна быть видна под хрящом на внешних краях большеберцового плато.
      2. На внешних краях используйте коробчатый резак, чтобы сделать чистый разрез на границе между костью и хрящом (рисунок 4D).
        ПРИМЕЧАНИЕ: Разрез должен быть параллельным поверхности хряща и примерно 5 мм внутрь, достаточно глубоким, чтобы начать разделять хрящ и кость.
      3. Чтобы удалить полоску большеберцовой кости с поверхности плато, аккуратно вставьте плоскую отвертку ниже разреза, выполненного на этапе 2.3.3.2. Осторожно поверните отвертку, чтобы ослабить суставной хрящ от субхондральной кости (рисунок 4E).
        ПРИМЕЧАНИЕ: Потрескивающие звуки могут быть слышны, когда кость отделяется от хряща.
      4. По мере того, как образец ослабевает, медленно толкайте отвертку вперед, пока полоска хряща не отделится от кости. Толкайте отвертку к кости, а не к хрящу. Повторяйте этот процесс в нескольких местах до тех пор, пока суставной хрящ большеберцового плато не будет полностью удален из подлежащей кости (рисунок 4F).
      5. Используя коробчатый резак, вырежьте поверхность плато большеберцовой кости для получения прямоугольных образцов нужного размера и толщины.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Для настоящего исследования были вырезаны полосы размером 10 мм х 30 мм, но это измерение может варьироваться в зависимости от желаемого эксперимента и тестовой установки.
      6. Поместите ткань в соответствующую культуральную среду или тестируемый раствор ванны. Полоска большеберцовой кости может быть культивирована для желаемого эксперимента или смонтирована и использована для тестирования.
      7. При необходимости повторите шаги 2.3.3.1-2.3.3.6 для второго плато большеберцовой кости.
  4. Установите синовиальный покров и хрящ, следуя приведенным ниже шагам.
    1. При желании выберите образец полоски большеберцовой кости для тестирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Полоса может быть протестирована в качестве нижней встречной поверхности.
      1. Снимите съемное магнитное основание (см. Таблицу материалов) и приклейте чашку Петри диаметром 60 мм к верхней поверхности съемного основания.
      2. Приклеив чашку Петри на место, прикрепите съемное основание к неподвижному основанию и отметьте чашку Петри, чтобы указать направление скольжения.
      3. Нанесите небольшое количество цианоакрилата (см. Таблицу материалов) к центру блюда. Выровнять полосу большеберцовой кости с направлением скольжения ступени (как указано отметкой на чашке Петри из пункта 2.4.1.2). Аккуратно прижмите хрящевую полоску к блюду. Позаботьтесь о том, чтобы поцарапать поверхность хряща.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Всасывающий инструмент (см. Таблицу материалов) может оказывать мягкое давление на хрящ, не повреждая поверхность, подлежащую испытанию на трение.
      4. Восстановите съемное магнитное основание (с прикрепленной хрящевой полосой) к его парному магнитному неподвижному основанию в тестере трения. Наполните чашку Петри желаемым тестовым раствором для ванны. Тестируемый раствор ванны должен полностью покрывать хрящ.
    2. При желании выберите пробку бедренного хряща для тестирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Штекер может быть протестирован как нижняя или верхняя контрафайс.
      1. Если в качестве нижней встречной поверхности используется мыщелок бедренной кости, снимите съемную магнитную основу и приклейте чашку Петри диаметром 60 мм к верхней поверхности съемного основания.
        1. Нанесите небольшое количество цианоакрилата к центру блюда. Аккуратно прижмите хрящевую пробку к блюду.
          ПРИМЕЧАНИЕ: Всасывающий инструмент может оказывать мягкое давление на хрящ, не повреждая поверхность, подлежащую испытанию на трение.
        2. Восстановите съемное магнитное основание (с прикрепленной хрящевой пробкой) к его парному магнитному неподвижному основанию в тестере трения. Наполните чашку Петри желаемым тестовым раствором для ванны. Тестируемый раствор ванны должен полностью покрывать хрящ.
      2. Если в качестве верхней встречной поверхности используется бедренный хрящ, снимите нагрузочный валик и опорный стержень с фрикционного тестера. При необходимости удалите имеющийся валик и выберите новый валик, подходящий для крепления хряща.
        1. Нанесите небольшое количество цианоакрилата на поверхность валика. Осторожно надавите хрящевой пробкой на валик.
          ПРИМЕЧАНИЕ: Всасывающий инструмент может оказывать мягкое давление на хрящ, не повреждая поверхность, подлежащую испытанию на трение.
        2. Восстановите нагрузочный валик (с прикрепленной хрящевой пробкой) и опорный стержень к трению тестера. Отрегулируйте вертикальную высоту загрузочного важа таким образом, чтобы хрящевая пробка зависала над нижней встречной поверхностью и погружалась в испытательную ванну. При необходимости добавьте еще тестируемый раствор для ванны.
    3. При желании выберите образец синовиума для тестирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Синовиум может быть протестирован в качестве нижней или верхней противоположности.
      1. Если в качестве нижней контрафас используется синовиальная оболочка, снимите съемное магнитное основание и приклейте чашку Петри диаметром 60 мм к верхней поверхности съемного основания.
        1. Приклейте обработанный на заказ круглый акрилово-силиконовый столб нужного диаметра к центру блюда.
        2. С помощью щипцов поместите синовиум на верхнюю часть столба. Чтобы закрепить синовиум, распределите уплотнительное кольцо (см. Таблицу материалов) по его окружности.
        3. Используя щипцы, осторожно потяните за синовиум, чтобы растянуть ткани, обученные и плоские под уплотнительным кольцом. Обрежьте лишнюю ткань хирургическими ножницами.
        4. Восстановите съемное магнитное основание (с прикрепленным синовием) к его парному магнитному неподвижному основанию в тестере трения. Наполните чашку Петри желаемым тестовым раствором для ванны. Тестируемый раствор ванны должен полностью покрывать синовиальную оболочку.
      2. Если синовиум используется в качестве верхней встречной поверхности, снимите нагрузочный валик и опорный стержень из тестера трения. При необходимости снимите существующий валик и выберите новый круглый валик, подходящий для синовиального монтажа.
        1. Используя щипцы, поместите синовиум поверх круглого валика. Чтобы закрепить синовиум, распределите уплотнительное кольцо по его окружности.
        2. Используя щипцы, осторожно потяните за синовиум, чтобы растянуть ткани, обученные и плоские под уплотнительным кольцом. Обрежьте лишнюю ткань хирургическими ножницами.
        3. Восстановите нагрузочный валик (с прикрепленным синовием) и опорный стержень к трению тестера. Отрегулируйте вертикальную высоту загрузочного валика таким образом, чтобы синовий навис над нижней встречной поверхностью и погружался в испытательную ванну. При необходимости добавьте еще тестируемый раствор для ванны.

3. Испытание на трение

ПРИМЕЧАНИЕ: Для этих тестов используется пользовательская программа LabVIEW и связанное с ней оборудование (см. дополнительные файлы кодирования). Обратите внимание, что пользовательский код был построен на LabVIEW 2010 и поддерживался в этой же устаревшей версии. В результате код может быть несовместим с самой последней версией программного обеспечения. Следующие нажатия кнопок и ссылки на пользовательский интерфейс будут иметь отношение только к пользовательскому коду. При работе с другой версией программного обеспечения аналогичная пользовательская программа может быть написана путем изменения кода.

  1. Вставьте установленные образцы (этап 2.4) в устройство для испытания трения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Образцы должны быть погружены в тестируемый раствор ванны, но не должны контактировать друг с другом.
  2. Откройте программу и прописайте параметры теста: скорость этапа, ускорение ступени, траекторию движения (расстояние) и продолжительность теста (рисунок 5).
    1. Откройте три окна в программе: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID и Trigger Dynamic Caller.
    2. Запустите окно MFDAQ сборки аналоговых данных, нажав кнопку Выполнить (белая стрелка).
    3. Запустите окно Инициализация загрузки PID, нажав кнопку Выполнить (белая стрелка).
    4. Перейдите на вкладку Stepper в окне Триггер динамического вызывающего абонента. Укажите ускорение, скорость и расстояние до этапа перевода в полях ввода пользователя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Значение расстояния задает половину длины износостойкого следа. Другими словами, этап будет перемещаться из указанного нулевого местоположения (шаг 3.5) к заданному значению расстояния как в положительном, так и в отрицательном x-направлениях.
    5. На вкладке Stepper укажите продолжительность теста, выбрав путь к файлу Stepper Time Index . Нажмите кнопку Открыть папку в правом нижнем углу таблицы Time-State и выберите файл.
    6. Укажите продолжительность теста также на вкладке «Голосовая катушка». Перейдите на вкладку «Голосовая катушка» в окне Триггер динамического вызывающего абонента. Аналогично шагу 3.2.5, выберите путь к файлу Voice Coil Index , нажав кнопку Открыть папку в правом нижнем углу таблицы Time-State, и выберите файл. Длительность должна совпадать с длительностью вкладки Stepper .
  3. Назначают нормальную нагрузку. При использовании грузоподъемности поместите желаемые грузы на линейные подшипники над нагрузочным валиком. Убедитесь, что приложенная нагрузка плюс вес загрузочного валика и опорного стержня не превышают номинальную производительность тензодатчика.
  4. Выберите путь и имя файла для хранения данных с помощью кнопки открыть папку справа от поля Запись в файл?. Сохраните файл с расширением ".txt".
  5. Центрируйте нижнюю контрфайл под верхней противоположностью. Установите его в качестве нулевой x-позиции.
    1. Запустите окно Триггер Динамического вызывающего абонента, нажав кнопку Выполнить (белая стрелка). На вкладке Stepper нажмите кнопку Home , чтобы переместить сцену в последнюю сохраненную нулевую x-позицию.
    2. Если встречные поверхности не выровнены, переместите рабочую область, щелкнув зеленые кнопки со стрелками влево и вправо. Когда нужное местоположение будет достигнуто, нажмите кнопку Zero, чтобы сохранить текущее местоположение этапа в качестве новой нулевой x-позиции. Остановите окно Триггер Динамического Вызывающего абонента, нажав кнопку Стоп.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение рабочей области может быть сохранено только во время работы окна триггерного динамического вызывающего абонента, но этап еще не перемещается, как указано программой. Нажатие кнопки Run (белая стрелка) на шаге 3.5.1 инициирует таймфрейм в 15 с до того, как этап начнет двигаться. Используйте этот 15-секундный таймфрейм, чтобы переместить этап и сохранить желаемое нулевое местоположение.
    3. Если желаемая нулевая x-позиция не получена с первой попытки, повторите шаг 3.5.1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Может помочь периодически нажимать кнопку Zero, чтобы сохранить положение сцены, когда пользователь перемещает нижнюю контрфас под верхней противоположностью. Напомним, что нажатие кнопки «Домой» переместит этап в последнюю позицию, сохраненную кнопкой Zero .
  6. Как только верхняя и нижняя противоположности будут центрированы, начните испытание образцов на трение, начав циклическое движение ступени. Для этого запустите окно Триггер Dynamic Caller, нажав кнопку Выполнить (белая стрелка).
  7. Как только ступень сдвинется, медленно соприведите верхнюю противоположность к нижней.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Примененное значение нагрузки можно подтвердить, просмотрев график Fz в реальном времени в окне программного обеспечения (рисунок 5A).
  8. Пусть тест запущен, собирая данные испытаний на трение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Любые данные, записанные на шаге 3.5, будут перезаписаны. Гистерезис в реальном времени можно просмотреть в окне Триггер Dynamic Caller (рисунок 5C).
  9. По истечении требуемой продолжительности испытания остановите испытание, нажав кнопку Stop и выгрузив образцы, подняв верхнюю встречную поверхность и переместив ее вне контакта с нижней встречной поверхностью.

4. Обработка данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Для обработки данных используется пользовательская программа MATLAB (см. Дополнительные файлы кодирования). Код вызывает выходные файлы, заданные пользовательским кодом LabVIEW.

  1. Используйте пользовательский код для расчета коэффициента трения и смещения ползучести (зависящей от времени деформации ткани) за цикл.
    1. Убедитесь, что все соответствующие коды сохранены в одной папке: «frictioncycle_fun.m», «frictioncycle_Hysteresis_plot.m», «frictioncycle_MU_plot.m» и «frictioncycle_run.m».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти коды MATLAB были написаны для использования с конкретными выходными данными вышеупомянутого кода LabVIEW. Если пользователь создал свой собственный код или внес изменения в описанный здесь, скрипты MATLAB может потребоваться отредактировать, чтобы учесть эти изменения.
    2. Откройте файл frictioncycle_run.m. Нажмите на кнопку Выполнить (зеленая стрелка) в скрипте. Выберите файл необработанных данных для анализа и желаемое место сохранения выходных данных MATLAB.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программному обеспечению может потребоваться несколько минут для обработки данных в зависимости от продолжительности теста.
  2. При желании выполните стандартные оценки тканей и анализ среды на испытуемых эксплантатах и аликвотах исследуемого раствора ванны.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Конфигурация синовия-на-хряще использовалась для фрикционной пробы ювенильных эксплантов крупного рогатого скота. Синовиум был установлен на акриловом нагружающем валике диаметром 10 мм таким образом, чтобы интимный слой контактировал с нижележащим хрящом. В качестве противогранника хряща использовалась полоска большеберцовой кости (рисунок 6А). Полосы большеберцовой кости были разрезаны с глубиной примерно 1,4 мм и размером 10 мм х 30 мм. Образцы испытывали в течение 1 ч при 37 °C в фосфатн...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Динамическая механическая среда существует внутри сустава, поскольку хрящ подвергается сжимающим, растягивающим и сдвиговым силам, а также гидростатическому и осмотическому давлениям44,45. Хотя хрящ является основной несущей тканью сустава, синовиальная оболочка также подвергается фрикционным взаимодействиям с поверхностью хряща и с самим собой в областях, где ткань складывается. Физические взаимодействия между хрящом и синовиальной оболочкой, вероятно, ответстве...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Фондом ортопедических научных исследований, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 и NIGMS R01 692 GM083925 (Идентификатор спонсора: 10.13039/100000057).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Алюминиевая фольгаReynolds GroupHoldings Reynolds WrapЗабор стерильных тканей
Акриловый корпус в алюминиевой рамеИзготовленный на заказКомпонент тестера трения
Автоклавируемый мгновенно запечатываемые стерилизационные пакетыFisherbrand01-812-54Стерилизация инструментов
АвтоклавБакстонСтерилизация инструментов
Стакан (250 мл)Pyrex Vista70000Забор тканей
Бетадин (раствор для приготовления йода повидон)Medline Industries, LPMDS093906Забор стерильных тканей
Шкаф биологической безопасностиLabconcoPurifier Logic+ Класс II, тип A2BSC Забор стерильной ткани
Biospy punchSteritool Inc.50162Канцелярский нож для сбора тканей
American Safety Razor Company94-120-71Забор тканей
Круглый акрилово-силликоновый столб (синовиум)ИзготовленныйМонтаж для
тканей Питательный материалИзготовленныйDMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) с добавлением 50 μ г/мл L-пролина (кат. No P5607; Sigma), 100 μ г/мл пирувата натрия (кат. No S8636; Сигма), 1% ИТС (кат. No 354350; Corning) и 1% антибиотика; антимикотик (кат. No 15-240-062, Gibco)
Цианоакрилат (Loctite 420 Clear)Henkel135455Крепление тканей
Мертвые грузыOHAUSНормальная нагрузка
Этанол 200 proofDecon Labs, Inc.2701Разбавить до 70 %
фиксированного основанияThorLabs, Inc.SB1TКомпонент тестера трения
Щипцы (забор синовиальной оболочки)Fine Science Tools11019-12Щипцы для забора ткани
(крепление синовиальной оболочки)Excelta3C-S-PIКрепление ткани
Горизонтальный линейный энкодер (для переводного этапа)RSF Electronics, Inc.MSA 670.63Компонент тестера трения; разрешение системы 1&микро; m
Пистолет для горячего клея и клейFPCCorporation Surebonder Pro 4000AТканевый монтаж
LabVIEWNational Instruments CorporationLabVIEW  2010Программа испытаний на трение
ТензодатчикJR3 Inc.20E12A-M25BКомпонент тестера трения; разрешение 0,0019 фунта в x& y, 0,0038 фунта разрешение в z
Загрузочная плита Изготовленныйна заказКрепление для ткани
Уплотнительное кольцоParkerS1138AS568-009Крепление для ткани
чашка Петри (60 мм)Falcon351007Крепление для тканей
PivotLok Рабочий позиционер (держатель большеберцовой кости)Промышленный склад, Pivot LokPL325
Съемное основаниеThorLabs, Inc. SB1BКомпонент тестера трения
Кольцевая подставкаСбор тканей
Лезвия скальпеляHavel's Inc.FSC22Ручка
скальпеляFEATHER Safety Razor Co., Ltd.No 4Отвертка для забора тканей
Wera3334Стадия
забора тканей JMARКомпонент тестера трения
Шаговый двигательOriental Motor Co., Ltd.PK266-03B
Всасывающий инструментVirtual Industries, Inc.PEN-VAC Вакуумная ручкаКрепление ткани
Опорный стерженьИзготовленный на заказМонтаж ткани
Хирургические ножницыFine Science Tools14061-09Монтаж ткани
Синовиальная жидкость (бычий)Animal Technologies, Inc.Испытательная ванна для испытаний на трение
Испытательная ваннаИзготовленный на заказфосфатно-солевой буфер (PBS) с ингибиторами протеазы: 0,04% биоцид на основе изотиазолона (Proclin 950 Cat. No 46878-У; Sigma) и 0,1% ингибитор протеазы - 0,05 М этилендиаминтетрауксусная кислота, ЭДТА (кат. No 0369; Sigma)
Инкубатор для культивирования тканейFisherScientific IsotempSterile Culture
Вертикальный линейный энкодер (для ступени загрузки)RenishawT1031-30AКомпонент тестера трения; разрешение 20 нм
Привод звуковой катушкиH2W TechnologiesNCC20-15-027-1RCКомпонент тестера трения
на заказ на заказ для сбора тканей для сбора тканей для испытания трения

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи