Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

جهاز اختبار الاحتكاك - المفاعل الحيوي لدراسة الميكانيكا الحيوية للمفصل الزليلي ، وعلم الأحياء الميكانيكي ، والتنظيم الفيزيائي

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

يصف هذا البروتوكول جهاز اختبار الاحتكاك الذي يطبق الانزلاق المتبادل المتزامن والحمل العادي على وجهين بيولوجيين متلامسين.

Abstract

في هشاشة العظام الأولية (OA) ، يمنع "البلى والتمزق" الطبيعي المرتبط بالشيخوخة قدرة الغضروف على الحفاظ على وظائفه الحاملة والتزييت ، مما يعزز بيئة مادية ضارة. قد تؤثر التفاعلات الاحتكاكية للغضروف المفصلي والغشاء الزليلي على توازن المفاصل من خلال تآكل مستوى الأنسجة والنقل الميكانيكي الخلوي. لدراسة هذه العمليات الميكانيكية والميكانيكية البيولوجية ، يتم وصف جهاز قادر على تكرار حركة المفصل. يتحكم جهاز اختبار الاحتكاك في توصيل حركة الترجمة المتبادلة والحمل العادي إلى وجهين بيولوجيين متلامسين. تعتمد هذه الدراسة تكوين الغشاء الزليلي على الغضروف ، ويتم تقديم قياسات معامل الاحتكاك للاختبارات التي يتم إجراؤها في حمام ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) أو السائل الزليلي (SF). تم إجراء الاختبار لمجموعة من ضغوط التلامس ، مما يسلط الضوء على خصائص التشحيم ل SF تحت الأحمال العالية. يمكن استخدام جهاز اختبار الاحتكاك هذا كمفاعل حيوي للمحاكاة الحيوية لدراسة التنظيم الفيزيائي لأنسجة المفاصل الحية استجابة للتحميل الفسيولوجي التطبيقي المرتبط بمفصل المفصل ثنائي المفصل.

Introduction

هشاشة العظام (OA) هو مرض المفاصل التنكسية الموهنة التي تؤثر على أكثر من 32 مليون بالغ أمريكي ، مع الرعاية الصحية والتكلفة الاجتماعية والاقتصادية لأكثر من 16.5 مليار دولار1. وقد تميز المرض بشكل كلاسيكي بتدهور الغضروف المفصلي والعظام تحت الغضروفية. ومع ذلك ، فقد اكتسبت التغييرات في الغشاء الزليلي مؤخرا تقديرا حيث تم ربط التهاب الغشاء الزليلي بأعراض OA والتقدم2،3،4. في OA الأولي (مجهول السبب) ، يمنع "البلى والتمزق" الطبيعي المرتبط بالشيخوخة قدرة الغضروف على الحفاظ على وظائفه الحاملة والتزييت. وقد ثبت أن الضغوط الناتجة عن التلامس المنزلق لفترات طويلة لطبقات الغضروف المفصلي أو التلامس المنزلق للغضروف ضد المواد المزروعة تسهل تآكل التفكيك من خلال فشل التعب تحت السطح 5,6. نظرا لوجود بيئة ميكانيكية ديناميكية داخل المفصل 7,8 ، فإن التفاعلات الاحتكاكية للغضروف المفصلي والغشاء الزليلي قد تؤثر على توازن المفاصل من خلال تآكل مستوى الأنسجة والنقل الميكانيكي الخلوي. لدراسة هذه العمليات الميكانيكية والميكانيكية البيولوجية ، تم تصميم جهاز لتكرار حركة المفصل مع تحكم محكم في التحميل الانضغاطي والاحتكاكي5،6،9،10،11،12،13.

يصف هذا البروتوكول جهاز اختبار الاحتكاك الذي يوفر حركة متبادلة ومترجمة وحمل ضاغط إلى ملامسة أسطح الأنسجة الحية. يسمح الجهاز الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر للمستخدم بالتحكم في مدة كل اختبار ، والحمل المطبق ، ونطاق حركة مرحلة الترجمة ، وسرعة الترجمة. الجهاز معياري ، مما يسمح باختبار الوجوه المضادة المختلفة ، مثل الأنسجة على الأنسجة (الغضروف على الغضروف والغشاء الزليلي على الغضروف) والأنسجة على الزجاج. بالإضافة إلى القياسات الوظيفية التي حصل عليها المختبر ، يمكن تقييم مكونات حمام التشحيم والأنسجة قبل الاختبار وبعده لتقييم التغيرات البيولوجية التي ينقلها نظام تجريبي معين.

تم إجراء دراسات لثلاثية الغضاريف منذ عقود ، وتم تطوير العديد من التقنيات لقياس معاملات الاحتكاك بين الغضروف والزجاج والغضروف على الغضروف14,15. يتم تحفيز النهج المختلفة من خلال المفصل و / أو آلية التشحيم ذات الاهتمام. غالبا ما تكون هناك مفاضلة بين التحكم في المتغيرات التجريبية وتلخيص المعلمات الفسيولوجية. تستخدم الأجهزة على غرار البندول المفاصل السليمة كنقطة ارتكاز للبندول البسيط حيث يترجم سطح مفصل واحد بحرية على السطح الثاني14،16،17،18. بدلا من استخدام المفاصل السليمة ، يمكن الحصول على قياسات الاحتكاك عن طريق تحريك الغضروف على الأسطح المطلوبة14،19،20،21،22،23،24،25. وقد تفاوتت معاملات الاحتكاك المبلغ عنها للغضروف المفصلي على نطاق واسع (من 0.002 إلى 0.5) اعتمادا على ظروف التشغيل14,26. تم إنشاء أجهزة لتكرار الحركة الدوارة23،27،28. طور Gleghorn et al.26 مقياس ثلاثي مخصص متعدد الآبار لمراقبة ملامح تشحيم الغضروف باستخدام تحليل منحنى Stribeck ، وتم تطبيق حركة انزلاق متذبذبة خطية بين الغضروف مقابل وجه زجاجي مسطح.

يهدف هذا الجهاز إلى عزل الاستجابات الاحتكاكية واستكشاف البيولوجيا الميكانيكية للأنسجة الحية في ظل ظروف التحميل المختلفة. يستخدم الجهاز إعداد اختبار مبسط يحاكي مفصل المفاصل من خلال الانزلاق الانضغاطي ، والذي يمكن أن يقرب كل من حركة التدحرج والانزلاق مع فهم أن المقاومة في حركة التدحرج النقية لا تذكر بالنسبة لمعامل الاحتكاك المقاس للغضروف المفصلي29. تم تصميم المختبر في الأصل لدراسة آثار ضغط السائل الخلالي على الاستجابة الاحتكاكية للغضروف المفصلي9 ، ومنذ ذلك الحين تم استخدام الاختبار لاستكشاف مواضيع مثل التأثيرات الاحتكاكية لإزالة المنطقة السطحية من الغضروف 10 ، وتأثيرات التشحيم للسائل الزليلي11 ، وفرضيات ارتداء الغضروف5،6،30 ، وقياسات الاحتكاك الغليلي على الأنسجة13 . يمكن للمفاعل الحيوي لاختبار الاحتكاك إجراء تجارب الاحتكاك في ظل ظروف معقمة ، مما يوفر آلية جديدة لاستكشاف كيفية تأثير قوى الاحتكاك على الاستجابات الميكانيكية البيولوجية للغضروف الحي والغشاء الزليلي. يمكن استخدام هذا التصميم كمفاعل حيوي للمحاكاة الحيوية لدراسة التنظيم الفيزيائي لأنسجة المفاصل الحية استجابة للتحميل الفسيولوجي التطبيقي المرتبط بمفصل المفصل ثنائي المفصل.

تقدم هذه الدراسة تكوينا لاختبار احتكاك الغشاء الزليلي على الغضروف عبر مجموعة من ضغوط التلامس وفي حمامات التشحيم المختلفة. مساحة السطح المفصلية لمعظم المفاصل هي ، إلى حد كبير ، الأنسجة الزلالية31. في حين أن انزلاق الغشاء الزليلي على الغضروف لا يحدث على الأسطح الحاملة الأولية ، إلا أن التفاعلات الاحتكاكية بين النسيجين قد لا تزال لها آثار مهمة على إصلاح مستوى الأنسجة والنقل الميكانيكي للخلايا. وقد تبين سابقا أن الخلايا الزليلي الشبيهة بالخلايا الليفية (FLS) الموجودة على الطبقة الداخلية من الغشاء الزليلي حساسة ميكانيكيا ، وتستجيب لإجهاد القص الناجم عن السوائل32. وقد ثبت أيضا أن تمدد33,34 وإجهاد القص الناجم عن السوائل35 يعدل إنتاج زيوت التشحيم FLS. على هذا النحو ، قد يوفر الاتصال المنزلق المباشر بين الغشاء الزليلي والغضروف حافزا ميكانيكيا آخر للخلايا المقيمة في الغشاء الزليلي.

تم نشر عدد قليل فقط من التقارير حول معاملات احتكاك الغشاء الزليلي31,36. وسعى Estell et al.13 إلى التوسع في التوصيف السابق باستخدام الوجوه المضادة ذات الصلة بيولوجيا. مع قدرة جهاز اختبار الاحتكاك على اختبار الأنسجة الحية ، من الممكن محاكاة تفاعلات الأنسجة الفسيولوجية أثناء مفصل المفصل لتوضيح دور إجهاد القص على الاتصال على وظيفة الخلايا الزليلي ومساهمته في التداخل بين الغشاء الزليلي والغضروف. وقد تورط هذا الأخير في التوسط في التهاب المفاصل الزليلي في التهاب المفاصل وما بعد الإصابة. نظرا للقرب المادي للغضروف من الغضروف الزليلي والسائل الزليلي ، الذي يحتوي على خلايا زليلية تظهر قدرة متعددة القدرات ، بما في ذلك تكوين الغضروف ، فمن المفترض أن الخلايا الزليلي تلعب دورا في توازن الغضروف وإصلاحه عن طريق الالتفاف على السطح المفصلي. في هذا السياق ، قد يؤدي الاتصال الجسدي والقص المتبادل للغضروف - الغشاء الزليلي و synovium إلى زيادة إمكانية وصول الخلايا الزلالية إلى مناطق تلف الغضروف37،38،39،40. لن توفر الدراسات التي تستخدم تكوينات الغشاء الزليلي على الغضروف رؤى ثاقبة حول ميكانيكا الأنسجة الإجمالية المشتركة وعلم التريبولوجيا فحسب ، بل قد تؤدي أيضا إلى استراتيجيات جديدة للحفاظ على صحة المفاصل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تم استخدام مفاصل الركبة البقرية اليافعة ، التي تم الحصول عليها من مسلخ محلي ، لهذه الدراسة. يتم إعفاء الدراسات التي أجريت على عينات العينات البقرية هذه من لجنة كولومبيا المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC).

1. تصميم جهاز اختبار الاحتكاك

ملاحظة: يظهر تمثيل تخطيطي لجهاز اختبار الاحتكاك في الشكل 1. تم بناء الجهاز على لوحة قاعدة صلبة (غير معروضة) ، والتي تعمل كمنصة للدعم الهيكلي.

  1. قم بتوصيل محرك السائر بمرحلة الترجمة الأفقية (انظر جدول المواد)، مما يؤدي إلى إنشاء جهاز اختبار احتكاك ثنائي المحور يوفر حركة ترجمة متبادلة للأسطح الملامسة.
  2. قم بتركيب خلية تحميل متعددة المحاور على مرحلة الترجمة (انظر جدول المواد). سيتم استخدام خلية التحميل المثبتة لقياس الحمل العادي في اتجاه z (F n) ، والحمل العرضي في الاتجاه x (Ft).
  3. قم بتجهيز مرحلة الترجمة ببرنامج تشفير خطي (انظر جدول المواد) لتسجيل الإزاحة الأفقية (ux) للمرحلة. علاوة على ذلك ، قم بتجهيز مرحلة التحميل ببرنامج تشفير خطي (انظر جدول المواد) لتسجيل الإزاحة الرأسية (uz) للسطح الزجاجي.
    ملاحظة: يسجل برنامج ترميز مرحلة الترجمة الإزاحة العرضية النسبية للأسطح الملامسة، وتستخدم هذه المعلومات للكشف عن بداية كل دورة جديدة من الانزلاق الترددي.
  4. قم بتكوين السطح الزجاجي للتحميل (سطح التلامس العلوي) كزجاج أو غضروف أو وجه مضاد للسينوفيوم. قم بتوصيل السطح الزجاجي بمرحلة التحميل عبر قضيب دعم مترابط.
  5. قم بتوصيل قاعدة مغناطيسية من جزأين بالجزء العلوي من خلية التحميل (انظر جدول المواد): (1) قاعدة ثابتة متصلة بشكل دائم بخلية التحميل و (2) قاعدة قابلة للإزالة تتصل مغناطيسيا بالقاعدة الثابتة. تأكد من أن الجزأين يشكلان اتصالا محكما.
    ملاحظة: ستحتفظ القاعدة القابلة للإزالة بالوجه المقابل للترجمة (سطح التلامس السفلي).
  6. يصف الحمل العادي. استخدم الوزن الميت المثبت على محامل خطية فوق السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم. بدلا من ذلك، حدد حملا باستخدام مشغل الملف الصوتي (انظر جدول المواد)، والذي يمكنه تحميل السطح41 الملامس السفلي ديناميكيا.
  7. ضع الجهاز داخل حاوية أكريليك مؤطرة بالألمنيوم (انظر جدول المواد) لحماية بيئته من التلوث.
    ملاحظة: يتحكم برنامج LabVIEW مخصص في الجهاز (راجع ملفات الترميز التكميلية) مع تحكم المستخدم في مدة كل اختبار، بالإضافة إلى مسار انتقال المرحلة والتسارع (تغيير الاتجاه) والسرعة. تتم مراقبة القوة العادية والقوة العرضية وإزاحة المرحلة وإزاحة الزحف طوال الاختبار باستخدام أجهزة وبرامج الحصول على البيانات (انظر جدول المواد).

2. إعداد العينات وتركيبها

  1. استعد لحصاد الأنسجة المعقمة باتباع الخطوات أدناه.
    ملاحظة: إذا لم يكن هناك حاجة إلى حصاد معقم، فانتقل إلى الخطوة 2.2.
    1. تعقيم الأدوات المعدنية في الأوتوكلاف. رش حاملات المفاصل بنسبة 70٪ من الإيثانول ووضعها في خزانة السلامة البيولوجية (BSC). أغلق الخزانة لدورة واحدة من الأشعة فوق البنفسجية (UV).
    2. استرداد الأدوات من الأوتوكلاف. ضع الأدوات والبيتادين وشفرات المشرط المعقمة والأكواب التي تحتوي على 70٪ من الإيثانول في BSC.
    3. داخل BSC ، افتح الأدوات وضعها في أكواب الإيثانول بنسبة 70٪. قم بتوصيل شفرات المشرط بمقابض المشرط.
    4. إعداد المفصل للحصاد. رش الجزء الخارجي من المفصل بنسبة 70٪ من الإيثانول ولفه بورق الألومنيوم لمدة 30 دقيقة. احرص على عدم كسر كبسولة المفصل.
      ملاحظة: تم استلام مفاصل الركبة البقرية اليافعة مع قطع عظم الفخذ والساق حوالي 15 سم أعلى وأدنى من المفصل لضمان كبسولة سليمة.
    5. بعد 30 دقيقة ، ضع المفصل الملفوف داخل BSC. افتح الرقاقة وقم بتأمين المفصل لحامله. قم بتغطية المفصل في البيتادين عن طريق مسح البيتادين بلطف عبر سطح المفصل.
      ملاحظة: ارجع إلى الخطوة 2.2 والخطوة 2.3 للحصول على التعليمات الخاصة بالغشاء الزليلي والتعليمات الخاصة بالغضروف، على التوالي.
  2. حصاد الزعنفة البقرية الأحداث باتباع الخطوات أدناه.
    1. قم بتأمين كبسولة المفصل الظنبوبي الفخذي باستخدام حامل دائري (انظر جدول المواد) مع الجانب الأمامي المواجه للقطاع. باستخدام ملقط وشفرة مشرط ، قم بقطع الوتر الرضفي باستخدام شق أفقي من 5-10 سم (اعتمادا على حجم المفصل) متفوقا على الساق (الشكل 2A).
    2. امسك وتر الرضفة المنفصل بملقط. قم بإجراء قطعتين أماميتين إلى خلفية على شكل V (الشكل 2B ، C). يجب أن تحرر هذه الجروح الرضفة.
      ملاحظة: عندما يبدأ المفصل في الفتح، احرص على عدم قطع الرباط الصليبي الأمامي (ACL)، والرباط الصليبي الخلفي (PCL)، والرباط الجانبي الإنسي (MCL)، والرباط الجانبي الجانبي (LCL)، والغضروف المفصلي.
    3. قم بتدوير الرضفة خلف المفصل أو قم بإزالتها تماما من المفصل. قم بإزالة الأنسجة السطحية بعناية إلى الغشاء الزليلي على الجانبين الإنسي والجانبي للمفصل لفضح الغشاء الزليلي.
    4. باستخدام شفرة مشرط ، تتبع الخطوط العريضة لمنطقة الغشاء الزليلي ذات الاهتمام. باستخدام الملقط ، أمسك أحد طرفي الغشاء الزليلي وارفعه بلطف لتمديد الغشاء الزليلي البعيد إلى العظم الأساسي. استخدم شفرة مشرط لإزالة الغشاء الزليلي من العظم (الشكل 2D ، E).
    5. ضع الأنسجة في وسائط الثقافة المناسبة أو محلول حمام الاختبار. يمكن استزراع إكسبتن الغشاء الزليلي للتجربة المطلوبة أو تركيبه واستخدامه للاختبار.
      ملاحظة: قد تختلف حلول الحمامات/اختبارات الوسائط الثقافية بناء على تفضيل مجموعة البحث. للاطلاع على المواد المصممة حسب الطلب المستخدمة في هذه الدراسة، يرجى الاطلاع على جدول المواد.
  3. حصاد الغضروف البقري الأحداث (سدادات الفخذ وشرائط الظنبوب).
    1. افصل عظم الفخذ عن الساق عن طريق قطع ACL و PCL و MCL و LCL. احرص على عدم تقطيع غضروف اللقمة الفخذي أو تقطيعه عبر الغضروف المفصلي إلى هضبة الظنبوب. ضع الأنسجة المنفصلة في حاملاتها للتشريح (الخطوة 2.3.2 لعظم الفخذ والخطوة 2.3.3 للساق).
    2. قم بتأمين عظم الفخذ باستخدام حامل حلقي. باستخدام لكمة خزعة بالشكل والحجم المطلوبين ، قم بتوجيه الأداة الطبيعية إلى سطح الغضروف المفصلي لأجل الفخذ حتى الوصول إلى العظم (الشكل 3A).
      1. قم بفك اتصال القابس بالعظم عن طريق تحريك اللكمة من اليسار إلى اليمين ومن الأمام إلى الخلف. افعل ذلك دون إزالة اللكمة.
        ملاحظة: يمكن سماع أصوات طقطقة عندما ينفصل العظم عن الغضروف.
      2. قم بإزالة اللكمة ، وبالتالي القابس ، من العظم الأساسي (الشكل 3B). إذا لزم الأمر، كرر الخطوات 2.3.2 و 2.3.2.1 و 2.3.2.2 للمواقع المتبقية التي لم يتم المساس بها على اللقمة .
        ملاحظة: استعدادا لتركيب القابس الفخذي على قاعدة اختبار، قد يلزم حلق الجانب العميق من القابس بشكل مسطح. يمكن القيام بذلك باستخدام قاطع صندوق أو مشرط.
      3. ضع الأنسجة في وسائط الثقافة المناسبة أو محلول الاستحمام الاختباري. يمكن استزراع القابس الفخذي للتجربة المطلوبة أو تركيبه واستخدامه للاختبار.
    3. قم بتأمين الساق في حامل قابل للتعديل (انظر جدول المواد). قم بإزالة الغضروف المفصلي بعناية مع تجنب ملامسة سطح الغضروف (الشكل 4A).
      1. على الحواف الخارجية لهضبة الظنبوب، استخدم قاطع صندوقي لقطع الغضروف عموديا على الغضروف باتجاه العظم. قطع تماما من خلال الغضروف لجعل الحواف / الجوانب المستقيمة (الشكل 4B). ابدأ القطع على بعد حوالي 2 مم من كل حافة هضبة الظنبوب وقم بإزالة الأنسجة الزائدة. سجل الحواف الداخلية للغضروف (الشكل 4C).
        ملاحظة: في هذه المرحلة ، يجب أن يكون العظم مرئيا تحت الغضروف على الحواف الخارجية لهضبة الظنبوب.
      2. على الحواف الخارجية ، استخدم قاطع الصندوق لإجراء قطع نظيف عند الواجهة بين العظم والغضروف (الشكل 4D).
        ملاحظة: يجب أن يكون القطع موازيا لسطح الغضروف وحوالي 5 مم إلى الداخل ، عميقا بما يكفي لبدء فصل الغضروف والعظام.
      3. لإزالة الشريط الظنبوبي من سطح الهضبة، أدخل بلطف مفك براغي مسطح الرأس أسفل القطع المصنوع في الخطوة 2.3.3.2. قم بتدوير مفك البراغي بلطف لتخفيف الغضروف المفصلي من العظم تحت الغضروف (الشكل 4E).
        ملاحظة: يمكن سماع أصوات طقطقة عندما ينفصل العظم عن الغضروف.
      4. عندما ترتخي العينة، ادفع مفك البراغي ببطء إلى الأمام حتى ينفصل شريط الغضروف عن العظم. ادفع مفك البراغي نحو العظم ، وليس نحو الغضروف. كرر هذه العملية في مواقع متعددة حتى تتم إزالة الغضروف المفصلي لهضبة الظنبوب بالكامل من العظم الأساسي (الشكل 4F).
      5. باستخدام قاطع صندوقي ، قم بقطع سطح هضبة الظنبوب لإنتاج عينات مستطيلة بالحجم والسمك المطلوبين.
        ملاحظة: بالنسبة لهذه الدراسة ، تم قطع شرائط 10 مم × 30 مم ، ولكن يمكن تغيير هذا البعد بناء على التجربة المطلوبة وإعداد الاختبار.
      6. ضع الأنسجة في وسائط الثقافة المناسبة أو محلول الاستحمام الاختباري. يمكن استزراع الشريط الظنبوبي للتجربة المطلوبة أو تركيبه واستخدامه للاختبار.
      7. إذا لزم الأمر، كرر الخطوات 2.3.3.1-2.3.3.6 لهضبة الظنبوب الثانية.
  4. قم بتركيب الغشاء الزليلي والغضروف باتباع الخطوات أدناه.
    1. إذا رغبت في ذلك، حدد عينة شريط الظنبوب لاختبارها.
      ملاحظة: يمكن اختبار الشريط كوجه مضاد سفلي.
      1. قم بإزالة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة (انظر جدول المواد) وقم بلصق طبق بتري قطره 60 مم على السطح العلوي للقاعدة القابلة للإزالة.
      2. مع لصق طبق بتري في مكانه ، قم بتوصيل القاعدة القابلة للإزالة بالقاعدة الثابتة ووضع علامة على طبق بتري للإشارة إلى اتجاه الانزلاق.
      3. ضع كمية صغيرة من سيانواكريليت (انظر جدول المواد) على وسط الطبق. قم بمحاذاة شريط الظنبوب مع الاتجاه المنزلق للمرحلة (كما هو موضح في العلامة الموجودة على طبق Petri من 2.4.1.2). اضغط برفق على شريط الغضروف على الطبق. الحرص على خدش سطح الغضروف.
        ملاحظة: يمكن لأداة الشفط (انظر جدول المواد) تطبيق ضغط لطيف على الغضروف دون إتلاف السطح المراد اختبار الاحتكاك.
      4. استعادة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة (مع شريط الغضروف المرفق) إلى قاعدتها المغناطيسية الثابتة المقترنة في اختبار الاحتكاك. املأ طبق بتري بمحلول حمام الاختبار المطلوب. يجب أن يغطي محلول حمام الاختبار الغضروف بالكامل.
    2. إذا رغبت في ذلك، حدد سدادة غضروف الفخذ لاختبارها.
      ملاحظة: يمكن اختبار القابس كواجهة خلفية سفلية أو علوية.
      1. إذا تم استخدام اللقمة الفخذية كواجهة سفلية ، فقم بإزالة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة ولصق طبق بتري قطره 60 مم على السطح العلوي للقاعدة القابلة للإزالة.
        1. ضع كمية صغيرة من سيانواكريليت على وسط الطبق. اضغط برفق على سدادة الغضروف على الطبق.
          ملاحظة: يمكن لأداة الشفط تطبيق ضغط لطيف على الغضروف دون إتلاف السطح المراد اختبار الاحتكاك.
        2. استعادة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة (مع قابس الغضروف المرفق) إلى قاعدتها المغناطيسية الثابتة المقترنة في اختبار الاحتكاك. املأ طبق بتري بمحلول حمام الاختبار المطلوب. يجب أن يغطي محلول حمام الاختبار الغضروف بالكامل.
      2. إذا تم استخدام الغضروف الفخذي كواجهة علوية ، فقم بإزالة السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم من جهاز اختبار الاحتكاك. إذا لزم الأمر، قم بإزالة السطح الزجاجي الموجود وحدد صفيحة جديدة مناسبة لتركيب الغضروف.
        1. ضع كمية صغيرة من سيانواكريليت على سطح السطح الزجاجي. اضغط برفق على قابس الغضروف على السطح الزجاجي.
          ملاحظة: يمكن لأداة الشفط تطبيق ضغط لطيف على الغضروف دون إتلاف السطح المراد اختبار الاحتكاك.
        2. استعادة السطح الزجاجي للتحميل (مع قابس الغضروف المرفق) وقضيب الدعم إلى اختبار الاحتكاك. اضبط الارتفاع الرأسي لصفيحة التحميل بحيث تحوم سدادة الغضروف فوق الوجه السفلي ويتم غمرها في حمام الاختبار. أضف المزيد من حلول حمام الاختبار إذا لزم الأمر.
    3. إذا رغبت في ذلك، حدد عينة الغشاء الزليلي لاختبارها.
      ملاحظة: يمكن اختبار الزعنفة الزعنفية كواجهة مضادة سفلية أو علوية.
      1. إذا تم استخدام الغشاء الزليلي كواجهة سفلية ، فقم بإزالة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة ولصق طبق بتري قطره 60 مم على السطح العلوي للقاعدة القابلة للإزالة.
        1. قم بلصق عمود دائري من السيليكون الأكريليك حسب الطلب من القطر المطلوب إلى وسط الطبق.
        2. باستخدام ملقط ، ضع الغشاء الزليلي أعلى المنشور. لتأمين الغشاء الزليلي ، انشر حلقة O (انظر جدول المواد) على محيطها.
        3. باستخدام الملقط ، اسحب الغشاء الزليلي برفق لتمديد الأنسجة التي يتم تدريسها ومسطحة تحت الحلقة O. تقليم الأنسجة الزائدة بالمقص الجراحي.
        4. استعادة القاعدة المغناطيسية القابلة للإزالة (مع ربط الغشاء الزليلي) إلى قاعدتها المغناطيسية الثابتة المقترنة في اختبار الاحتكاك. املأ طبق بتري بمحلول حمام الاختبار المطلوب. يجب أن يغطي محلول حمام الاختبار الغشاء الزليلي بالكامل.
      2. إذا تم استخدام الغشاء الزليلي كواجهة مضادة علوية ، فقم بإزالة السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم من اختبار الاحتكاك. إذا لزم الأمر، قم بإزالة السطح الزجاجي الموجود وحدد صفيحة دائرية جديدة مناسبة لتركيب الغشاء الزليلي.
        1. باستخدام الملقط ، ضع الغشاء الزليلي فوق السطح الزجاجي الدائري. لتأمين الغشاء الزليلي ، انشر حلقة O على محيطها.
        2. باستخدام الملقط ، اسحب الغشاء الزليلي برفق لتمديد الأنسجة التي يتم تدريسها ومسطحة تحت الحلقة O. تقليم الأنسجة الزائدة بالمقص الجراحي.
        3. استعادة السطح الزجاجي للتحميل (مع الغشاء الزليلي المرفق) وقضيب الدعم إلى اختبار الاحتكاك. اضبط الارتفاع الرأسي لسطح التحميل بحيث يحوم الغشاء الزليلي فوق الوجه السفلي ويتم غمره في حمام الاختبار. أضف المزيد من حلول حمام الاختبار إذا لزم الأمر.

3. اختبار الاحتكاك

ملاحظة: يتم استخدام برنامج LabVIEW مخصص والأجهزة المرتبطة به (راجع ملفات الترميز التكميلية) لهذه الاختبارات. يرجى ملاحظة أن الرمز المخصص تم إنشاؤه على LabVIEW 2010 وتم الاحتفاظ به على نفس الإصدار القديم. ونتيجة لذلك، قد لا تكون التعليمة البرمجية متوافقة مع أحدث إصدار من البرنامج. ستكون ضربات الأزرار التالية ومراجع واجهة المستخدم ذات صلة فقط بالتعليمات البرمجية المخصصة. إذا كنت تعمل مع إصدار برنامج مختلف ، فيمكن كتابة برنامج مخصص مماثل عن طريق تعديل الرمز.

  1. أدخل العينات المثبتة (الخطوة 2.4) في جهاز اختبار الاحتكاك.
    ملاحظة: يجب غمر العينات في محلول حمام الاختبار ولكن يجب ألا تكون على اتصال ببعضها البعض.
  2. افتح البرنامج البرمجي ووصف معلمات الاختبار: سرعة المرحلة ، وتسارع المرحلة ، ومسار السفر (المسافة) ، ومدة الاختبار (الشكل 5).
    1. افتح النوافذ الثلاثة في البرنامج: بناء البيانات التناظرية MFDAQ ، تهيئة تحميل PID ، وتشغيل المتصل الديناميكي.
    2. قم بتشغيل نافذة MFDAQ إنشاء البيانات التناظرية عن طريق الضغط على الزر تشغيل (سهم أبيض).
    3. قم بتشغيل نافذة تهيئة تحميل PID بالضغط على الزر تشغيل (سهم أبيض).
    4. انتقل إلى علامة التبويب السائر في نافذة مشغل المتصل الديناميكي. حدد تسارع مرحلة الترجمة وسرعتها وبعدها في مربعات إدخال المستخدم.
      ملاحظة: تحدد قيمة المسافة نصف طول مسار التآكل. بمعنى آخر ، ستنتقل المرحلة من موقع الصفر المحدد (الخطوة 3.5) إلى قيمة المسافة المحددة في كل من الاتجاهين x الإيجابي والسلبي.
    5. في علامة التبويب السائر، حدد مدة الاختبار عن طريق تحديد مسار ملف فهرس وقت السائر . انقر فوق الزر " فتح مجلد " في أسفل يسار جدول "الحالة الزمنية" وحدد الملف.
    6. حدد مدة الاختبار أيضا في علامة التبويب ملف الصوت. انتقل إلى علامة التبويب الملف الصوتي في نافذة المتصل الديناميكي المشغل. على غرار الخطوة 3.2.5 ، حدد مسار ملف فهرس لفائف الصوت بالنقر فوق الزر فتح مجلد في أسفل يسار جدول الحالة الزمنية وحدد الملف. يجب أن تتطابق المدة مع علامة التبويب السائر .
  3. يصف الحمل العادي. في حالة استخدام أوزان ميتة، ضع الأوزان المطلوبة على المحامل الخطية فوق السطح الزجاجي للتحميل. تأكد من أن الحمل المطبق بالإضافة إلى وزن السطح الزجاجي للتحميل وقضيب الدعم لا يتجاوز السعة المقدرة لخلية التحميل.
  4. حدد المسار واسم الملف لتخزين البيانات باستخدام زر المجلد المفتوح الموجود على يسار المربع الكتابة إلى ملف؟ احفظ الملف بامتداد ".txt".
  5. توسيط المواجهة السفلية أسفل الوجه العلوي. قم بتعيين هذا على أنه موضع x صفر.
    1. قم بتشغيل نافذة المتصل الديناميكي المشغل بالضغط على الزر تشغيل (سهم أبيض). في علامة التبويب السائر ، انقر فوق زر الصفحة الرئيسية لنقل المرحلة إلى آخر موضع صفر x تم حفظه.
    2. إذا لم تتم محاذاة الوجوه المضادة ، فقم بتحريك المرحلة بالنقر فوق زري السهم الأخضر الأيسر والأيمن. عند الوصول إلى الموقع المطلوب ، انقر فوق الزر صفر لحفظ موقع المرحلة الحالية كموضع صفر x الجديد. أوقف نافذة المتصل الديناميكي المشغل بالنقر فوق الزر إيقاف.
      ملاحظة: لا يمكن حفظ موقع المرحلة إلا أثناء تشغيل إطار المتصل الديناميكي المشغل، ولكن المرحلة لا تتحرك بعد كما هو محدد من قبل البرنامج. سيؤدي الضغط على الزر تشغيل (سهم أبيض) في الخطوة 3.5.1 إلى بدء إطار زمني مدته 15 ثانية قبل أن تبدأ المرحلة في التحرك. استخدم هذا الإطار الزمني البالغ 15 ثانية لنقل المرحلة وحفظ الموقع الصفري المطلوب.
    3. إذا لم يتم الحصول على موضع x الصفري المطلوب في المحاولة الأولى، كرر الخطوة 3.5.1.
      ملاحظة: قد يكون من المفيد الضغط على زر الصفر بشكل متقطع لحفظ موضع المرحلة أثناء قيام المستخدم بتحريك الوجه المقابل السفلي أسفل الوجه العلوي المقابل. تذكر أن النقر فوق زر الصفحة الرئيسية سينقل المرحلة إلى الموضع الأخير الذي تم حفظه بواسطة الزر صفر .
  6. بمجرد تمركز الوجوه المضادة العلوية والسفلية ، ابدأ اختبار الاحتكاك للعينات عن طريق بدء الحركة الدورية للمرحلة. للقيام بذلك، قم بتشغيل نافذة المتصل الديناميكي المشغل عن طريق الضغط على الزر تشغيل (سهم أبيض).
  7. بمجرد أن تتحرك المرحلة ، اجعل الوجه العلوي يتلامس ببطء مع الجزء السفلي.
    ملاحظة: يمكن تأكيد قيمة التحميل المطبقة من خلال عرض مخطط Fz في الوقت الفعلي في نافذة البرنامج (الشكل 5A).
  8. دع الاختبار يعمل ، وجمع بيانات اختبار الاحتكاك.
    ملاحظة: ستتم الكتابة فوق أي بيانات مسجلة خلال الخطوة 3.5. يمكن عرض التباطؤ في الوقت الفعلي في نافذة المتصل الديناميكي الزناد (الشكل 5C).
  9. بعد مدة الاختبار المطلوبة ، أوقف الاختبار عن طريق الضغط على زر الإيقاف ( Stop ) وتفريغ العينات عن طريق رفع الوجه العلوي وتحريكه بعيدا عن ملامسة الوجه السفلي المقابل.

4. معالجة البيانات

ملاحظة: يتم استخدام برنامج MATLAB مخصص لمعالجة البيانات (راجع ملفات الترميز التكميلية). تستدعي التعليمة البرمجية ملفات الإخراج المحددة بواسطة التعليمة البرمجية LabVIEW المخصصة.

  1. استخدم التعليمة البرمجية المخصصة لحساب معامل الاحتكاك وإزاحة الزحف (تشوه الأنسجة المعتمد على الوقت) لكل دورة.
    1. تأكد من حفظ جميع الرموز ذات الصلة في نفس المجلد: "frictioncycle_fun.m" و "frictioncycle_Hysteresis_plot.m" و "frictioncycle_MU_plot.m" و "frictioncycle_run.m".
      ملاحظة: تمت كتابة رموز MATLAB هذه لاستخدامها مع المخرجات المحددة من رمز LabVIEW المذكور أعلاه. إذا قام المستخدم بإنشاء التعليمات البرمجية الخاصة به أو أجرى تعديلات على التعليمات البرمجية الموضحة هنا ، فقد تحتاج البرامج النصية MATLAB إلى تحريرها لاستيعاب هذه التغييرات.
    2. افتح الملف frictioncycle_run.m. انقر فوق الزر تشغيل (سهم أخضر) في البرنامج النصي. حدد ملف البيانات الخام المراد تحليله وموقع حفظ إخراج MATLAB المطلوب.
      ملاحظة: قد يتطلب البرنامج بضع دقائق لمعالجة البيانات اعتمادا على مدة الاختبار.
  2. إذا رغبت في ذلك ، قم بإجراء تقييمات الأنسجة القياسية وتحليلات الوسائط على explants و aliquots المختبرة لمحلول حمام الاختبار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم استخدام تكوين الغشاء الزليلي على الغضروف لاختبار الاحتكاك للنبتات البقرية اليافعة. تم تركيب الغشاء الزليلي على صفيحة تحميل أكريليك قطرها 10 مم بحيث تكون الطبقة الداخلية على اتصال بالغضروف الأساسي. تم استخدام شريط الظنبوب كوجه مضاد للغضروف (الشكل 6A). تم قطع شرائط الظنبوب بعمق حوالي 1.4 مم وحجم 10 مم × 30 مم. تم اختبار العينات لمدة 1 ساعة عند 37 درجة مئوية في حمام ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) أو حمام السائل الزليلي البقري (SF). يتكون حمام SF من مزيج 50/50 من PBS و SF البقري. كان تسارع المرحلة 100 مم / ثانية 2 ، وكانت سرعة المرحلة 1 مم / ثانية ، وكانت مسافة مسار المرحلة2.5 مم 6,9,42. تم استخدام الأوزان الميتة لتطبيق أحمال طبيعية مختلفة مما أدى إلى ضغوط تلامس تبلغ 180 و 230 و 300 كيلو باسكال11,43.

بعد ساعة واحدة ، تم تفريغ الأنسجة ، وتم تقييم معاملات الاحتكاك. تم حساب معامل الاحتكاك الفعال μ من متوسط F t / Fn خلال كل دورة ترددية ثم تم رسمه مقابل مدة الاختبار للحصول على معامل احتكاك مقابل. مخطط الوقت (الشكل 6B). لكل اختبار، تم حساب متوسط قيم μ على مدار الاختبار بأكمله (جميع الدورات) لإنتاج متوسط μ. في حمام اختبار PBS ، زادت قيم متوسط μ مع زيادة إجهاد الاتصال. ارتفع متوسط μ، PBS من 0.015 ± 0.005 عند 180 كيلوباسكال ، إلى 0.019 ± 0.005 عند 230 كيلو باسكال ، إلى 0.022 ± 0.010 عند 300 كيلوباسكال. وعلى العكس من ذلك، ظلت قيم متوسط μ متشابهة مع زيادة إجهاد التلامس في حمام SF (الشكل 6C). كان متوسط μ ، SF 0.013 ± 0.002 عند 180 كيلوباسكال ، 0.011 ± 0.001 عند 230 كيلوباسكال ، و 0.011 ± 0.001 عند 300 كيلوباسكال.

بشكل عام ، تظهر النتائج قدرة جهاز اختبار الاحتكاك على تطبيق الانزلاق المتبادل والحمل العادي بشكل متزامن على وجهين بيولوجيين مضادين. في هذه الدراسة ، لم تظهر عينات الغشاء الزليلي على الغضروف التي تم اختبارها في حمام SF زيادة في معامل الاحتكاك عند زيادة إجهاد التلامس ، مما يدعم فكرة أن SF يساهم في انخفاض خصائص التآكل والاحتكاك المنخفض للمفصل من خلال آلية تزييت الحدود.

Figure 1
الشكل 1: مخطط لجهاز اختبار الاحتكاك المخصص ثنائي المحور (يسار) والمقطع العرضي للعينة المحملة في طبق بتري (يمين). يتم توصيل المرحلة بمحرك يحفز حركة الانزلاق ويتسبب في أن يعبر سطح التلامس السفلي عن سطح التلامس العلوي. تجمع خلية التحميل قياسات الحمل في الوقت الفعلي ، بينما يجمع المشفر الخطي لمرحلة التحميل قياسات إزاحة الزحف في الوقت الفعلي. تم تعديل الرقم بإذن من المرجع10. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: حصاد الغشاء الزليلي البقري . (أ) يتم قطع الوتر الرضفي باستخدام شق أفقي أعلى من الساق. (ب، ج) تتم إزالة الرضفة عن طريق إجراء قطعتين أمامية إلى خلفية على شكل حرف V (خطوط منقطة). (د) يتم تتبع مخطط الغشاء الزليلي باستخدام شفرة مشرط. (ه) ثم يمتد الغشاء الزليلي بعيدا إلى العظم الأساسي ويزيله. شريط المقياس = 5 سم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: حصاد سدادة غضروف الفخذ البقري . (أ) يتم إدخال لكمة خزعة قطرها 15.9 مم بشكل طبيعي على سطح الغضروف المفصلي لبطانة الفخذ حتى يتم الوصول إلى العظم. (ب) تتم إزالة اللكمة والقابس. شريط المقياس = 16 مم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 4
الشكل 4: حصاد الشريط الظنبوبي الغضروفي البقري . (أ) تتم إزالة الغضروف المفصلي من هضبة الظنبوب. (ب) يتم قطع حواف الهضبة لجعل الجوانب المستقيمة (داخلية). (ج) يتم تسجيل الجزء الداخلي من الهضبة لإنشاء شريط. (د) يتم إجراء قطع في واجهة الغضروف والعظام. (ه) يتم إدخال مفك البراغي أسفل القطع. (و) إزالة الشريط. شريط المقياس = 10 مم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: واجهة مستخدم LabVIEW. يسمح البرنامج المخصص بالتحكم في معلمات الاختبار المختلفة مثل تسريع المرحلة وسرعة المرحلة ومسار السفر ومدة الاختبار. (أ) مخطط التحميل المطبق في الوقت الفعلي (Fzمقابل t حيث F z هو الحمل العادي Fn) ، (B) موضع السائر (uxمقابل. t) ، و (C) مؤامرة التباطؤ (Fx vs. u x ، حيث F xهي القوة العرضية Ft) موضحة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.  

Figure 6
الشكل 6: قياسات احتكاك الزناز على الغضروف. (أ) جهاز اختبار الاحتكاك الذي تم تكوينه للسينوفيوم البقري اليافع (الداخلي) على شريط غضروف الظنبوب. (ب) معامل الاحتكاك التمثيلي (μ) كدالة للمخطط الزمني. (ج) معامل الاحتكاك لمختلف إجهادات التلامس (180 كيلوباسكال، أزرق؛ 230 كيلوباسكال، أحمر؛ 300 كيلوباسكال، أخضر) في حمام ملحي مخزن بالفوسفات (PBS، دائرة مغلقة) أو سائل زليلي بقري (SF، دائرة مفتوحة). أشرطة الخطأ متوسطة مع الانحراف المعياري. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: مفاعل الاحتكاك الحيوي . (أ) مخطط المفاعل الحيوي للاحتكاك مع الوجوه المضادة العلوية الثابتة والوجوه السفلية المتحركة. (ب) منظر جانبي و (ج) منظر سفلي للمفاعل الحيوي الذي يطبق القص الفسيولوجي في تكوين الغضروف الزليلي على الغضروف. (د) يقع المفاعل الحيوي داخل حاضنة لزراعة الأنسجة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملفات الترميز التكميلية. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

توجد بيئة ميكانيكية ديناميكية داخل المفصل حيث يتعرض الغضروف لقوى الضغط والشد والقص ، والضغوط الهيدروستاتيكية والتناضحية44,45. على الرغم من أن الغضروف هو النسيج الحامل الرئيسي للمفصل ، إلا أن الغشاء الزليلي يخضع أيضا لتفاعلات احتكاكية مع سطح الغضروف ومع نفسه في المناطق التي تطوي فيها الأنسجة. من المحتمل أن تكون التفاعلات الفيزيائية بين الغضروف والغشاء الزليلي مسؤولة عن نقل الخلايا وإطلاق الخلايا الجذعية الوسيطة إلى بيئة المفصل ، مما يوفر مصدرا محتملا للخلية للمساهمة في آليات إصلاح الغضروف المفصلي (المحدودة)37،38،39،40. الخصائص الاحتكاكية لكل من الغضروف والغشاء الزليلي لها آثار مهمة على صيانة المفاصل والتنكس من خلال تآكل الأنسجة13. يتم تقديم جهاز قادر على تقديم حركة ترجمة متبادلة وتحميل ضاغط لدراسة العمليات الميكانيكية والميكانيكية البيولوجية المسؤولة عن توازن المفاصل وتطور المرض.

يعد اختيار معلمات الاختبار وتركيب العينات خطوتين حاسمتين للبروتوكول. يطبق الجهاز حملا ضاغطا إما بأوزان ميتة أو مشغل لفائف صوتية. يسمح البرنامج المخصص بالتحكم في المعلمات المختلفة مثل مدة الاختبار وسرعة المرحلة ومسار السفر. قد تنشأ مشكلة إذا كانت مدة الاختبار قصيرة جدا. عندما يكون هذا هو الحال ، فإن المدة القصيرة لا تسمح لمعامل الاحتكاك μ بالوصول إلى التوازن (μمكافئ). إذا كان إخراج μeq مطلوبا ، فيجب على المستخدم تحديد مدة اختبار مناسبة تكون قادرة على التقاط سلوك الأنسجة حتى يصبح ثابتا. يمكن أن تصل العينات إلى التوازن في غضون ساعات قليلة من الاختبار ، اعتمادا على حجم منطقة التلامس على الأنسجة46. يجب أيضا النظر في نوع الاختبار. تم استخدام الجهاز في منطقة التلامس الثابتة وتكوينات منطقة التلامس المهاجرة لدراسة خصائص احتكاك الغضروف 5,6,9,11,12,47. يمكن التلاعب بمسار السفر وسرعة المرحلة وتطابق الوجهين المتعارضين لإنتاج وضع الاختبار المطلوب. يوصى بإنشاء مخططات في الوقت الفعلي في واجهة مستخدم برنامج LabVIEW للمساعدة في مراقبة الاختبار. تشمل المؤامرات المفيدة وضع المرحلة الأفقية مقابل. الوقت، القوة العادية مقابل الوقت، والقوة العرضية مقابل وضع المرحلة الأفقية (التباطؤ ، الشكل 5C). على سبيل المثال ، يجب أن يستقر الوجه العلوي فقط على الوجه السفلي لضمان تطبيق الحمل الكامل المحدد. يمكن تأكيد قيمة الحمل المطبق من خلال عرض مخطط الحمل العادي في الوقت الفعلي (الشكل 5A). يجب أن يكون تركيب العينات آمنا لمنع انزلاق الأنسجة أو تمزقها مما يوفر قياسات خاطئة. سيؤدي تمزق الزيزفون بسبب التركيب غير السليم إلى معامل احتكاك غير صحيح ، حيث سيتم كشف سطح التثبيت أسفل الغشاء الزليلي. يمكن اكتشاف هذا الخطأ عن طريق مراقبة منحنيات التباطؤ في الوقت الفعلي. يختلف تقييم الجهاز في الوقت الفعلي للخصائص الوظيفية عن أنظمة اختبار الاحتكاك الأخرى.

يجب كتابة جميع البيانات الخام إلى ملف يمكن استيراده ومعالجته بواسطة برنامج معالجة البيانات المطلوب. يوصى بجمع البيانات بتردد لا يقل عن 10 نقاط بيانات / ثانية وحفظ البيانات الخام في ملف .csv أو .txt. يمكن حساب معامل الاحتكاك لكل موضع في كل دورة باستخدام المعادلة Equation 1 حيث يشير t و n إلى القوى العرضية والعادية ، على التوالي ، وحيث يشير + و - إلى السكتات الدماغية الأمامية والخلفية ، على التوالي ، لكل دورة5. تعترف هذه الصيغة بأن علامة F-t معاكسة لعلامة F+t. تعرف القوة العادية (F n) بأنها القوة التي تتماشى مع الحمل المطبق (z-direction، الشكل 1)، في حين أن القوة العرضية (Ft) هي القوة المتوازية مع الانزلاق (x-direction، الشكل 1). يمكن حساب معامل الاحتكاك متوسط الدورة عن طريق أخذ متوسط μ لجميع المواضع في دورة معينة. يتم حساب إزاحة الزحف عن طريق تطبيع الإزاحة الرأسية للوجه المقابل العلوي بحيث تكون الإزاحة الأولية صفرا وتكون الإزاحة اللاحقة نسبية للإزاحة الأولية. إذا رغبت في ذلك ، يمكن إجراء تقييمات الأنسجة القياسية وتحليلات الوسائط على explants و aliquots المختبرة من محلول حمام الاختبار. قبل التحليل ، يوصى بتسجيل حجم حمام الاختبار لاستخدامه في معالجة البيانات أو تطبيعها.

وقد مكنت الوجوه المضادة المعيارية من تكييف تكوينات اختبار متعددة. استخدمت الدراسات المبكرة اختبار الزجاج على الغضروف لتوضيح دور دعم حمل السائل الخلالي في ثلاثية الغضاريف 9,10. تم التحقق من أهمية ضغط السائل الخلالي من خلال مقارنة اختبارات منطقة التلامس الثابتة والمهاجرة للغضروف على الغضروف والغضروف بالزجاج11. قام Oungoulian et al.6 بتقييم آلية تآكل الغضروف المفصلي مقابل السبائك المعدنية المستخدمة في عمليات رأب المفاصل النصفي وأظهر أن الضغوط الناتجة عن التلامس المنزلق لمدة 4 ساعات سهلت تآكل التفكيك من خلال فشل التعب تحت السطح. وتبع هذا العمل دورني وآخرون 5 ، الذين أثبتوا أن تآكل التفكيك لا يزال من الممكن أن يحدث عندما يظل الاحتكاك منخفضا تحت تكوين منطقة اتصال مهاجرة. في الآونة الأخيرة ، أبلغ Estell et al.13 لأول مرة عن خصائص الاحتكاك للسينوفيوم في ظروف الاختبار التي تحاكي التفاعلات الأصلية مع الأنسجة الكامنة (الغضروف والغشاء الزليلي) وفي الظروف التي تحاكي حالة التهاب المفاصل العظمي (حمام السائل الزليلي المخفف مع جزيئات تآكل الغضروف). في نهاية المطاف، سمحت مرونة تصميم جهاز اختبار الاحتكاك بإجراء مجموعة واسعة من التجارب، مما ساهم في فهم أكبر للغضروف وثلاثية الغروفيوم.

أحد قيود النظام الحالي هو أنه لا يمكنه الحفاظ على ظروف الاختبار المعقمة إلا لبضع ساعات. يتم تحقيق ذلك من خلال حاوية الأكريليك ، وتعقيم مكونات الاتصال بالوسائط عبر الأوتوكلاف ، ورش جهاز الاختبار بنسبة 70٪ من الإيثانول. تتضمن حاوية الأكريليك أيضا عنصر تسخين وقدرات مراقبة درجة حرارة ثابتة. يقوم عنصر التسخين بتسخين الهواء داخل الصندوق ، مما يتحكم في درجة حرارة البيئة الداخلية ، ويمكن التحكم فيه خارجيا لتجنب تعريض العينات للبيئة الخارجية. يمكن تحقيق المزيد من الظروف المعقمة عن طريق حصاد العينات في خزانة السلامة البيولوجية المعقمة (BSC) وتجميع العينات داخل BSC داخل حاوية معقمة يمكنها التفاعل مع قضيب الدعم والقاعدة الثابتة. بالنسبة للدراسات طويلة الأجل ، يمكن تجهيز حاوية الأكريليك بالمواد اللازمة لتوفير بيئة أكثر تعقيما (الأشعة فوق البنفسجية ، وتدفق الهواء والترشيح المناسبين ، والتحكم في درجة الحرارة ذاتي التنظيم). هناك قيد آخر هو أن جهاز اختبار الاحتكاك الحالي تم تكوينه لاختبار وجه واحد من الأعلى والأسفل. يمكن تحقيق نهج مضاد متعدد العينات عن طريق تغيير السطح الزجاجي للتحميل وتصميم القاعدة القابلة للإزالة ، وتحويل جهاز اختبار الاحتكاك الحالي إلى مفاعل حيوي بسعة بئر متعددة لتطبيق التحميل الفسيولوجي للغضروف على الغضروف والغشاء الزليلي على الغضروف. تم إنشاء نموذج أولي عملي باستخدام لوحة من 6 آبار (الشكل 7). يحتفظ التصميم بالقدرة على تعديل الوجوه المضادة العلوية والسفلية حسب الرغبة. الجزء العلوي من اللوحة ثابت ومثبت على رف حاضنة زراعة الأنسجة ، بينما يتم توصيل الجزء السفلي من اللوحة بمرحلة الترجمة. على غرار جهاز اختبار الاحتكاك الحالي ، يمكن إضافة الوزن الميت لوصف الحمل العادي. مع وجود المفاعل الحيوي في بيئة معقمة ، يمكن أخذ عينات من الوسائط بمرور الوقت لتقييم الاستجابات البيولوجية لأنظمة التحميل. وسيتطلع تكرار التصميم التالي إلى إنشاء مفاعل حيوي قائم بذاته يتضمن ترجمة يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر. إذا تم الحفاظ على تعقيد جهاز اختبار الاحتكاك في المفاعل الحيوي ، فيمكن قياس التغيرات في الخصائص الميكانيكية والميكانيكية البيولوجية للأنسجة طوليا.

يتم وصف جهاز اختبار الاحتكاك الذي يسمح بالتحكم في تسليم حركة الترجمة المتبادلة والحمل العادي إلى وجهين بيولوجيين متقابلين للاتصال. في هذه الدراسة ، تم استخدام تكوين الغشاء الزليلي على الغضروف لإثبات نمطية الجهاز والقدرة على دراسة الاستجابات الاحتكاكية للأنسجة الحية. وأكدت النتائج التمثيلية من جديد دور السائل الزليلي في توفير تزييت حدودي للحد من تآكل واحتكاك المفصل ثنائي الفصل. يسمح الجهاز بتنفيذ تجارب متعددة المقاييس تتراوح من الاحتكاك السائب إلى النقل الميكانيكي. يمكن أن يعمل التصميم في ظل ظروف معقمة لبضع ساعات ويمكن تحويله إلى مفاعل حيوي طويل الأجل لتلخيص الانزلاق الانضغاطي للمفصل ، وبالتالي تسهيل دراسة الميكانيكا الحيوية ، وعلم الأحياء الميكانيكي ، والتنظيم الفيزيائي لأنسجة المفصل الحية. ستساهم الدراسات المستقبلية في فهم كيفية تأثير البيئات المادية الصحية والمريضة على صيانة المفاصل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة البحث العلمي لجراحة العظام ، NIH 5R01 AR068133 ، NIH TERC 5P41EB027062 ، و NIGMS R01 692 GM083925 (معرف الممول: 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

الهندسة الحيوية ، العدد 184 ،
جهاز اختبار الاحتكاك - المفاعل الحيوي لدراسة الميكانيكا الحيوية للمفصل الزليلي ، وعلم الأحياء الميكانيكي ، والتنظيم الفيزيائي
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