Устройство для испытания на трение -биореактор для изучения биомеханики синовиальных суставов, механобиологии и физической регуляции
2 июня 2022 г.
Настоящий протокол описывает устройство для испытания на трение, которое применяет одновременное обратное скольжение и нормальную нагрузку к двум контактным биологическим противовесам.
Традиционно мы использовали тестер для изучения неживых тканей для расчета коэффициентов трения, но мы значительно расширяем возможности тестера для тестирования живых тканей и оценки биологических взаимодействий. Устройство для испытания на трение обеспечивает обратное переводящее движение и сжимающую нагрузку на контактные поверхности эксплантов живой ткани. Устройство является модульным, что позволяет проводить испытания различных биологических противоборств.
Метод может дать представление о том, как силы трения влияют на механические и механикобиологические реакции живого хряща и синовиальной оболочки, что может привести к новым стратегиям поддержания здоровья суставов. Начните с сбора ювенильного коровьего синовиума. 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, чтобы удалить синовиум из кости и поместить ткань в соответствующую культуральную среду или тестовый раствор для ванны. Затем соберите ювенильный бычий хрящ, закрепив большеберцовую кость в регулируемом держателе.
Удалите мениск осторожно, избегая контакта с поверхностью хряща. На внешних краях плато большеберцовой кости используйте коробчатый резак, чтобы разрезать перпендикулярно хрящу по направлению к кости. Полностью прорежьте хрящ, чтобы сделать прямые края или стороны.
Удалите лишнюю ткань. На внешних краях используйте коробчатый резак, чтобы сделать чистый разрез на границе раздела между костью и хрящом. Чтобы удалить полоску большеберцовой кости с поверхности плато, аккуратно вставьте плоскоголовку под разрез и осторожно поверните, чтобы ослабить суставной хрящ от субхондральной кости.
По мере того, как образец ослабевает, медленно толкайте отвертку вперед, пока полоска хряща не отделится от кости. Убедитесь, что отвертка подталкивается к кости, а не к хрящу. Используя коробчатый резак, вырежьте поверхность плато большеберцовой кости для получения прямоугольных образцов нужного размера и толщины.
Поместите ткань в соответствующую культуральную среду или тестируемый раствор ванны. Если в качестве нижней встречной поверхности используется большеберцовая полоса, снимите съемное магнитное основание и приклейте чашку Петри диаметром 60 миллиметров к верхней поверхности съемного основания. Приклеив чашку Петри на место, прикрепите отдельно стоящее основание к неподвижному основанию и отметьте чашку Петри, чтобы указать направление скольжения.
Нанесите небольшое количество цианоакрилата к центру блюда. Выровняйте полосу большеберцовой кости с направлением скольжения сцены. Аккуратно прижмите хрящевую полоску к блюду.
Восстановите съемное магнитное основание на его парном неподвижном основании в тестере трения. Наполните чашку Петри желаемым тестовым раствором для ванны. Если синовиум используется в качестве верхней встречной поверхности, снимите нагрузочный валик и опорный стержень из тестера трения.
Поместите синовиум на верхнюю часть круглого ватина. Чтобы закрепить синовиум, распределите уплотнительное кольцо по его окружности. Используя щипцы, осторожно потяните синовиум, чтобы растянуть ткань подтянутой и плоской под уплотнительным кольцом.
Обрежьте лишнюю ткань хирургическими ножницами. Восстановите нагрузочное валик и опорный стержень в тестере трения. Отрегулируйте вертикальную высоту загрузочного валика таким образом, чтобы синовий навис над нижней встречной поверхностью и погружался в испытательную ванну.
Вставьте установленные образцы в устройство для испытания трения. Откройте аналоговую сборку данных MF DAQ. Инициализируйте Загрузку PID и Триггер Динамический Вызывающий Окна в программе.
Запустите сборку аналоговых данных MF DAQ и инициализируйте окно загрузки PID, нажав кнопку Выполнить. Перейдите на вкладку Stepper в окне Триггер динамического вызывающего абонента. Укажите ускорение, скорость и расстояние до этапа перевода в полях ввода пользователя.
Чтобы ввести продолжительность теста, нажмите кнопку «Открыть папку» в правом нижнем углу таблицы «Состояние времени» и выберите путь к файлу «Индекс шагового времени». Затем снова укажите продолжительность теста на вкладке «Голосовая катушка». Выберите путь к файлу Voice Coil Index, нажав кнопку «Открыть папку» в правом нижнем углу таблицы «Состояние времени», и выберите файл.
Это должно быть выполнено независимо от того, используется звуковая катушка или нет. Примените нормальную нагрузку. При использовании дедвейта установите желаемые грузы на линейные подшипники над нагрузочным валиком.
Убедитесь, что приложенная нагрузка плюс вес загрузочного валика и опорного стержня не превышают номинальную производительность тензодатчика. Выберите путь и имя файла для хранения данных с помощью кнопки Открыть папку справа от поля Право на файл. Сохраните файл с расширением txt.
Центрируйте нижнюю контрфас под верхней противоположностью и установите ее как нулевую позицию X. Для этого запустите окно Триггер Динамического Вызывающего абонента, нажав кнопку Выполнить. На вкладке Stepper нажмите на кнопку Home, чтобы переместить сцену в последнюю сохраненную нулевую позицию X.
Если счетчики не выровнены, переместите рабочую область, щелкнув зеленые кнопки со стрелками влево и вправо. Когда нужное местоположение будет достигнуто, нажмите кнопку «Ноль», чтобы сохранить текущее местоположение этапа как новую нулевую позицию X. Остановите окно Триггер Динамического Вызывающего абонента, нажав кнопку Стоп.
Как только верхняя и нижняя противоположности будут центрированы, начните испытание образцов на трение, начав циклическое движение ступени. Как только ступень сдвинется, медленно соприведите верхнюю противоположность к нижней. Пусть тест запущен, собирая данные испытаний на трение.
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. Используйте пользовательский код для расчета коэффициента трения и гистерезиса за цикл. Убедитесь, что одна папка содержит все соответствующие файлы.
Откройте цикл трения. m файл. Нажмите кнопку Выполнить в скрипте.
Выберите файл необработанных данных для анализа и нужное место сохранения. Коэффициент трения и графики гистерезиса будут выведены MATLAB. Конфигурация синовия-на-хряще использовалась для испытания на трение ювенильных эксплантов крупного рогатого скота, где синовиум был установлен на акриловом нагрузочном валике диаметром 10 миллиметров таким образом, чтобы интимальный слой контактировал с нижележащим хрящом.
В качестве противогранника хряща использовалась полоса большеберцовой кости. Эффективный коэффициент трения был рассчитан на основе среднего значения FT, деленного на FN за каждый поршневой цикл, а затем построен на основе продолжительности испытания для получения графика коэффициента трения по отношению ко времени. Для каждого испытания значения коэффициентов трения были усреднены по всему испытанию.
В испытательной ванне PBS средние значения коэффициента трения увеличивались по мере увеличения контактного напряжения. И наоборот, средние значения коэффициента трения оставались аналогичными, поскольку контактное напряжение увеличивалось в бычьей синовиальной жидкостной ванне. Не забудьте начать сбор данных о нагрузке, прежде чем соприкасать поверхности.
Это гарантирует, что правильная нагрузка на тару может быть рассчитана. Компоненты тканей и смазочных ванн могут быть оценены до и после тестирования для оценки биологических изменений, передаваемых данным экспериментальным режимом.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном протоколе описывается устройство для испытания на трение, предназначенное для оценки взаимодействия между живыми биологическими тканями. Устройство обеспечивает одновременное возвратно-поступательное скольжение и нормальную нагрузку на две контактирующие биологические поверхности, что расширяет возможности анализа по сравнению с исследованиями неживых тканей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомеханика
- Биоматериалы
- Здоровье суставов
Теоретические основы
- Традиционно испытания на трение были сосредоточены на неживых тканях.
- Понимание сил трения имеет решающее значение для здоровья суставов.
- Живые ткани обладают иными механическими свойствами по сравнению с их неживыми аналогами.
- Устройство является модульным, что позволяет тестировать различные биологические контрповерхности.
Цель исследования
- Для оценки фрикционных взаимодействий в живых тканях.
- Для анализа механических и механобиологических реакций хряща и синовиальной оболочки.
- Для разработки стратегий по поддержанию здоровья суставов.
Используемые методы
- Забор синовии из суставов молодых быков.
- Разметка интересующей области с помощью скальпеля.
- Приложение возвратно-поступательного движения и сжимающей нагрузки.
- Тестирование различных биологических контрплощадей с использованием модульного устройства.
Основные результаты
- Устройство успешно тестирует эксплантаты живых тканей.
- Получены данные о силах трения, воздействующих на живые ткани.
- Определены потенциальные новые стратегии для поддержания здоровья суставов.
Выводы
- Устройство для тестирования трения расширяет понимание биологических взаимодействий.
- Оно служит платформой для будущих исследований здоровья суставов.
- Дальнейшие исследования могут привести к совершенствованию методов лечения заболеваний суставов.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Количественное тестирование трения эксплантатов живой синовиальной оболочки и хряща устраняет критический пробел в ранней валидации мишеней при заболеваниях опорно-двигательного аппарата, позволяя напрямую измерять биомеханические и механобиологические реакции при физиологической нагрузке. Эта возможность повышает прогностическую достоверность исследований здоровья суставов и обосновывает риск-ориентированное развитие релевантных моделей остеоартрита и связанных с ним расстройств. Модульная платформа биореактора делает количественное определение силы трения многократно используемым инструментом для снижения механистических рисков и разработки анализов в рамках всего портфеля исследований.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет напрямую проверять биомеханические гипотезы на уровне тканей при изучении здоровья суставов.
- Обеспечивает снижение механистических рисков путем количественной оценки эффектов трения на живом хряще и синовиальной оболочке.
- Способствует функциональной валидации мишеней с помощью контролируемых, физиологически релевантных режимов нагрузки.
- Представляет собой платформу для сравнительных исследований смазывающих агентов и реакций тканей.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает стандартизированные и воспроизводимые измерения коэффициента трения для эксплантатов живой ткани.
- Позволяет подготавливать валидированные биологические системы для последующего скрининга лубрикантов или терапевтических кандидатов.
- Обеспечивает количественную оценку результатов анализа, таких как коэффициент трения и гистерезис за цикл.
- Поддерживает масштабируемость и модульную адаптацию для различных конфигураций тканей суставов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует биомеханическим моделям остеоартрита и дегенерации суставов, имеющим клиническое значение.
- Обеспечивает преемственность между механистическими исследованиями на этапе поиска и доклинической валидацией методов терапии.
- Позволяет оценивать биологические изменения в тканях и смазывающих средах до и после проведения испытаний.
- Предоставляет прогностические данные для разработки стратегий трансляционного поиска биомаркеров в исследованиях здоровья суставов.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный биореактор для тестирования трения интегрируется в цикл исследований от поиска до доклинических испытаний, обеспечивая возможность проведения биомеханических исследований на основе гипотез, разработки анализов и валидации трансляционных моделей для изучения тканей суставов.
- Открывающая биология: Обеспечивает проверку нулевой гипотезы о влиянии трения на живые ткани суставов при контролируемой нагрузке.
- Скрининг: Позволяет получать воспроизводимые количественные данные о коэффициенте трения для стандартизации анализа.
- Аналитика: Создает графики трения и гистерезиса с временным разрешением для сравнительного анализа в различных условиях.
- Трансляционные исследования: Связывает результаты изучения механизмов с доклиническими моделями заболеваний суставов и тестированием методов вмешательства.
- Корпоративное повторное использование: Предлагает модульную, адаптируемую платформу для многократного применения при работе с различными типами тканей суставов и экспериментальными режимами.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов и снижает механистическую неоднозначность в исследованиях биомеханики суставов.
- Операционная ценность: Стандартизирует рабочие процессы тестирования трения и обеспечивает воспроизводимую, масштабируемую генерацию данных.
- Стратегическая ценность: Служит основой для принятия решений о целесообразности разработки мишеней и методов воздействия на здоровье суставов, повышая эффективность использования капитала.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритизацию моделей, имеющих значение для заболевания, и потенциальных методов терапии с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области забора тканей, биомеханического тестирования и анализа данных.
- Необходим доступ к модульному оборудованию для тестирования трения и аналитическому программному обеспечению (например, MATLAB).
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов подготовки тканей и приложения нагрузки.
- Благодаря модульным компонентам метод применим к различным типам суставных тканей и смазочным средам.
- Практические ограничения включают максимальную нагрузку датчика силы и жизнеспособность тканей при длительном тестировании.
