Summary
Настоящий протокол описывает устройство для испытания на трение, которое применяет одновременное обратное скольжение и нормальную нагрузку к двум контактным биологическим противовесам.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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.
- Прикрепите шаговый двигатель к горизонтальной ступени перемещения (см. Таблицу материалов), создав двухосевое устройство для испытания на трение, которое обеспечивает обратное перемещение на контактные поверхности.
- 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).
- 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. - Настройте загрузочную вагину (верхнюю контактную поверхность) в качестве стеклянной, хрящевой или синовиальной противоположности. Подключите валик к ступени загрузки с помощью резьбового опорного стержня.
- 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). - 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.
- 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
- Подготовьтесь к сбору стерильной ткани, выполнив следующие действия.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если стерильный сбор урожая не желателен, перейдите к шагу 2.2.- 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.
- Извлеките инструменты из автоклава. Поместите инструменты, бетадин, стерильные лезвия скальпеля и стаканы, содержащие 70% этанола, в BSC.
- Внутри BSC откройте инструменты и поместите их в 70% этаноловые стаканы. Прикрепите лезвия скальпеля к рукояткам скальпеля.
- 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. - 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.
- Заготовьте молодь крупного рогатого скота, следуя приведенным ниже шагам.
- 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).
- 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. - 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.
- 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).
- 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.
- Собирают молодь крупного рогатого хряща (бедренные пробки и полоски большеберцовой кости).
- 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).
- 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).
- 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. - 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. - Поместите ткань в соответствующую культуральную среду или тестируемый раствор ванны. Бедренная пробка может быть культивирована для желаемого эксперимента или установлена и использована для тестирования.
- Ослабьте соединение вилки с костью, переместив удар слева направо и вперед на назад. Делайте это, не снимая перфоратор.
- Закрепите большеберцовую кость в регулируемом держателе (см. Таблицу материалов). Удалите мениск осторожно, избегая контакта с поверхностью хряща (рисунок 4A).
- 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. - 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. - 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. - 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).
- 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. - 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.
- При необходимости повторите шаги 2.3.3.1-2.3.3.6 для второго плато большеберцовой кости.
- 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).
- Установите синовиальный покров и хрящ, следуя приведенным ниже шагам.
- При желании выберите образец полоски большеберцовой кости для тестирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Полоса может быть протестирована в качестве нижней встречной поверхности.- Снимите съемное магнитное основание (см. Таблицу материалов) и приклейте чашку Петри диаметром 60 мм к верхней поверхности съемного основания.
- Приклеив чашку Петри на место, прикрепите съемное основание к неподвижному основанию и отметьте чашку Петри, чтобы указать направление скольжения.
- 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. - 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.
- При желании выберите пробку бедренного хряща для тестирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Штекер может быть протестирован как нижняя или верхняя контрафайс.- 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.
- 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. - 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.
- Нанесите небольшое количество цианоакрилата к центру блюда. Аккуратно прижмите хрящевую пробку к блюду.
- 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.
- 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. - 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.
- Нанесите небольшое количество цианоакрилата на поверхность валика. Осторожно надавите хрящевой пробкой на валик.
- 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.
- При желании выберите образец синовиума для тестирования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Синовиум может быть протестирован в качестве нижней или верхней противоположности.- Если в качестве нижней контрафас используется синовиальная оболочка, снимите съемное магнитное основание и приклейте чашку Петри диаметром 60 мм к верхней поверхности съемного основания.
- Приклейте обработанный на заказ круглый акрилово-силиконовый столб нужного диаметра к центру блюда.
- С помощью щипцов поместите синовиум на верхнюю часть столба. Чтобы закрепить синовиум, распределите уплотнительное кольцо (см. Таблицу материалов) по его окружности.
- Используя щипцы, осторожно потяните за синовиум, чтобы растянуть ткани, обученные и плоские под уплотнительным кольцом. Обрежьте лишнюю ткань хирургическими ножницами.
- 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.
- 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.
- Используя щипцы, поместите синовиум поверх круглого валика. Чтобы закрепить синовиум, распределите уплотнительное кольцо по его окружности.
- Используя щипцы, осторожно потяните за синовиум, чтобы растянуть ткани, обученные и плоские под уплотнительным кольцом. Обрежьте лишнюю ткань хирургическими ножницами.
- 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.
- Если в качестве нижней контрафас используется синовиальная оболочка, снимите съемное магнитное основание и приклейте чашку Петри диаметром 60 мм к верхней поверхности съемного основания.
- При желании выберите образец полоски большеберцовой кости для тестирования.
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.
- 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. - Откройте программу и прописайте параметры теста: скорость этапа, ускорение ступени, траекторию движения (расстояние) и продолжительность теста (рисунок 5).
- Откройте три окна в программе: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID и Trigger Dynamic Caller.
- Запустите окно MFDAQ сборки аналоговых данных, нажав кнопку Выполнить (белая стрелка).
- Запустите окно Инициализация загрузки PID, нажав кнопку Выполнить (белая стрелка).
- 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. - 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.
- 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 .
- 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.
- Выберите путь и имя файла для хранения данных с помощью кнопки открыть папку справа от поля Запись в файл?. Сохраните файл с расширением ".txt".
- Центрируйте нижнюю контрфайл под верхней противоположностью. Установите его в качестве нулевой x-позиции.
- 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.
- 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. - 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 .
- 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).
- 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). - 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). - 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.
- Используйте пользовательский код для расчета коэффициента трения и смещения ползучести (зависящей от времени деформации ткани) за цикл.
- 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. - 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.
- Убедитесь, что все соответствующие коды сохранены в одной папке: «frictioncycle_fun.m», «frictioncycle_Hysteresis_plot.m», «frictioncycle_MU_plot.m» и «frictioncycle_run.m».
- При желании выполните стандартные оценки тканей и анализ среды на испытуемых эксплантатах и аликвотах исследуемого раствора ванны.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 фосфатно-буферной солевой ванне (PBS) или в бычьей синовиальной жидкости (SF). Ванна SF состояла из смеси PBS 50/50 и бычьей SF. Разгон ступени составлял 100 мм/с2, скорость ступени — 1 мм/с, а дистанция траектории — 2,5 мм 6,9,42. Мертвые грузы использовались для применения различных нормальных нагрузок, приводящих к контактным напряжениям 180, 230 и 300 кПа11,43.
Через час ткани разгружали, оценивали коэффициенты трения. Эффективный коэффициент трения μ рассчитывался на основе среднего значения Ft/Fn за каждый поршневой цикл, а затем строился на основе длительности испытания с получением коэффициента трения по отношению к. график времени (рисунок 6B). Для каждого испытания значения μ были усреднены в течение всего испытания (все циклы) для получения μсреднего значения. В тестовой ванне PBS μсредние значения увеличивались по мере увеличения контактного напряжения. Средний μPBS увеличился с 0,015 ± 0,005 при 180 кПа до 0,019 ± 0,005 при 230 кПа до 0,022 ± 0,010 при 300 кПа. И наоборот, средниезначения μ оставались такими же, как и контактное напряжение, увеличивающееся в ванне SF (рисунок 6C). Средний μSF составлял 0,013 ± 0,002 при 180 кПа, 0,011 ± 0,001 при 230 кПа и 0,011 ± 0,001 при 300 кПа.
В целом, результаты демонстрируют способность устройства трения тестера одновременно применять обратное скольжение и нормальную нагрузку к двум биологическим противоборствам. В этом исследовании образцы синовия-на-хряще, протестированные в ванне SF, не показали увеличения коэффициента трения при увеличении контактного напряжения, тем самым подтверждая представление о том, что SF способствует низкому износу и низким фрикционным свойствам соединения через пограничный механизм смазки.
Рисунок 1: Схема двухосевого пользовательского устройства для испытания на трение (слева) и поперечного сечения загруженного образца в чашке Петри (справа). Ступень прикреплена к двигателю, который индуцирует скользящее движение и заставляет нижнюю контактную поверхность сочленяться с верхней контактирующей поверхностью. Тензодатчик собирает измерения нагрузки в режиме реального времени, в то время как линейный энкодер ступени нагрузки собирает измерения смещения ползучести в режиме реального времени. Рисунок был изменен с разрешения ссылки10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Урожай синовиума крупного рогатого скота. (А) Сухожилие надколенника разрывается с помощью горизонтального разреза, превосходящего большеберцовую кость. (В,С) Надколенник удаляется путем выполнения двух передних и задних разрезов в форме V (пунктирных линий). (D) Контур синовиума прослеживается лезвием скальпеля. (E) Затем синовиум растягивается дистально к подлежащей кости и удаляется. Шкала = 5 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Сбор пробки хряща бедренной кости крупного рогатого скота. (A) Биопсийный пунш диаметром 15,9 мм вводится нормально к поверхности суставного хряща мыщелка бедренной кости до тех пор, пока кость не будет достигнута. (B) Перфоратор и заглушка удаляются. Шкала = 16 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Урожай полосы большеберцовой полосы хряща крупного рогатого скота. (А) Мениск удаляется с плато большеберцовой кости. (B) Края плато разрезаются, чтобы сделать прямые стороны (вставка). (C) Внутренняя часть плато забивается для создания полосы. (D) Разрез делается на границе раздела хрящ-кость. (E) Под разрезом вставляется отвертка. (F) Полоса снята. Шкала = 10 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Пользовательский интерфейс LabVIEW. Пользовательская программа позволяет контролировать различные параметры теста, такие как ускорение этапа, скорость этапа, траектория движения и продолжительность теста. (A) График нагрузки в реальном времени (Fz vs. t , где Fz — нормальная нагрузка Fn), (B) положение шага (ux vs. t) и (C) график гистерезиса (Fx vs. ux, где Fx— тангенциальная сила Ft). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Измерения трения синовия-на-хряще. (A) Устройство для испытания на трение, сконфигурированное для ювенильного бычьего синовиуса (вставка) на полоске хряща большеберцовой кости. (B) Репрезентативный коэффициент трения (μ) в зависимости от временного графика. (C) Коэффициент трения для различных контактных напряжений (180 кПа, синий; 230 кПа, красный; 300 кПа, зеленый) в фосфатно-буферной солевой (PBS, замкнутый круг) или бычьей синовиальной жидкости (SF, открытый круг) ванне. Полосы погрешностей имеют среднее значение со стандартным отклонением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Фрикционный биореактор. (А) Схема фрикционного биореактора со стационарными верхними противогранниками и движущимися нижними противовесами. (B) Вид сбоку и (C) вид снизу биореактора, применяющего физиологический сдвиг в конфигурации синовия-на-хряще. (D) Биореактор размещается внутри инкубатора культуры тканей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительные файлы кодирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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, ответственны за перенос клеток и высвобождение мезенхимальных стволовых клеток в совместную среду, предлагая потенциальный источник клеток для содействия (ограниченным) механизмам восстановления суставного хряща 37,38,39,40. Фрикционные свойства как хряща, так и синовиальной оболочки имеют важное значение для поддержания и дегенерации суставов в результате износатканей 13. Представлено устройство, способное доставлять обратное транслирующее движение и сжимающее напряжение для изучения механических и механобиологических процессов, ответственных за гомеостаз суставов и прогрессирование заболевания.
Выбор параметров тестирования и монтаж образца являются двумя важнейшими этапами протокола. Устройство применяет сжимающую нагрузку либо мертвыми грузами, либо приводом звуковой катушки. Пользовательское программное обеспечение позволяет контролировать различные параметры, такие как продолжительность теста, скорость этапа и траектория движения. Проблема может возникнуть, если продолжительность теста слишком коротка; в этом случае короткая продолжительность не позволяет коэффициенту трения μ достичь равновесия (μэкв.). Если требуется вывод μэквалайзера, пользователь должен выбрать подходящую продолжительность теста, которая сможет фиксировать поведение тканей до тех пор, пока оно не станет постоянным. Образцы могут достичь равновесия в течение нескольких часов после тестирования, в зависимости от размера области контакта на ткани46. Необходимо также учитывать тип теста. Устройство использовалось в стационарной зоне контакта и конфигурациях мигрирующих контактных зон для изучения свойств трения хряща 5,6,9,11,12,47. Траекторией перемещения, скоростью стадии и конгруэнтностью двух контргранций можно манипулировать для получения желаемого режима тестирования. Рекомендуется создавать графики в режиме реального времени в пользовательском интерфейсе программы LabVIEW, чтобы помочь в мониторинге теста. Полезные графики включают горизонтальное положение сцены против. время, нормальная сила против время и тангенциальная сила vs. горизонтальное положение сцены (гистерезис, рисунок 5С). Например, верхняя контрафайла должна опираться только на нижнюю встречную поверхность, чтобы обеспечить полную предписанную нагрузку. Примененное значение нагрузки можно подтвердить, просмотрев график нормальной нагрузки в режиме реального времени (рисунок 5A). Установка образцов должна быть надежной, чтобы предотвратить скольжение или разрыв ткани, которые обеспечат ошибочные измерения. Разрыв синовиума из-за неправильного монтажа приведет к неправильному коэффициенту трения, так как монтажная поверхность под синовием будет открыта. Эта ошибка может быть обнаружена путем мониторинга кривых гистерезиса в режиме реального времени. Оценка функциональных свойств устройства в режиме реального времени отличается от других систем тестирования на трение.
Все необработанные данные должны быть записаны в файл, который может быть импортирован и обработан требуемым программным обеспечением для обработки данных. Рекомендуется собирать данные с частотой не менее 10 точек данных в секунду и сохранять необработанные данные в .csv или .txt файл. Коэффициент трения может быть рассчитан для каждого положения в каждом цикле с помощью уравнения
, где t и n относятся к тангенциальным и нормальным силам соответственно, а где + и - относятся к прямым и обратным штрихам, соответственно, за цикл5. Эта формула признает, что знак F-t противоположен знаку F+t. Нормальная сила (Fn) определяется как сила в соответствии с приложенной нагрузкой (z-направление, рисунок 1), в то время как тангенциальная сила (Ft) - это сила, параллельная скольжению (x-направление, рисунок 1). Коэффициент трения среднего цикла может быть рассчитан путем взятия среднего μ для всех положений в данном цикле. Смещение ползучести рассчитывается путем нормализации вертикального смещения верхней встречной поверхности таким образом, что начальное смещение равно нулю, а последующие смещения относительно первоначального смещения. При желании стандартные оценки тканей и анализы сред могут быть выполнены на испытуемых эксплантатах и аликвотах исследуемого раствора ванны. Перед анализом рекомендуется записать объем испытательной ванны, который будет использоваться при обработке или нормализации данных.
Модульные противовесы позволили адаптировать несколько конфигураций тестирования. Ранние исследования использовали тестирование стекла на хряще, чтобы прояснить роль поддержки нагрузки интерстициальной жидкости в трибологии хряща 9,10. Важность герметизации интерстициальной жидкости была дополнительно подтверждена путем сравнения стационарных и мигрирующих тестов контактной зоны для хряща на хряще и хряща со стеклом11. Oungoulian et al.6 оценили механизм износа суставного хряща по отношению к металлическим сплавам, используемым в гемиартропластике, и показали, что напряжения, создаваемые скользящим контактом в течение 4 ч, облегчают износ расслоения из-за разрушения подповерхностной усталости. За этой работой последовали Durney et al.5, которые продемонстрировали, что износ расслоения все еще может возникать, когда трение остается низким при конфигурации мигрирующей контактной зоны. Совсем недавно Estell et al.13 впервые сообщили о фрикционных свойствах синовия в условиях тестирования, которые имитировали нативные взаимодействия с нижележащими тканями (хрящ и синовиум), и в условиях, которые имитировали остеоартритное состояние (разбавленная синовиальная жидкая ванна с частицами хрящевого износа). В конечном счете, гибкость конструкции устройства для испытания на трение позволила провести широкий спектр экспериментов, способствуя лучшему пониманию трибологии хряща и синовиальной оболочки.
Одним из ограничений нынешней системы является то, что она может поддерживать условия асептического тестирования только в течение нескольких часов. Это достигается за счет акрилового корпуса, стерилизации компонентов, контактирующих со средой, через автоклав и распыления испытательного устройства 70% этанолом. Акриловый корпус также включает в себя нагревательный элемент и возможности постоянного контроля температуры. Нагревательный элемент нагревает воздух внутри коробки, контролируя температуру внутренней среды, и может контролироваться снаружи, чтобы избежать воздействия образцов на внешнюю среду. Асептические условия могут быть дополнительно достигнуты путем сбора образцов в стерильном шкафу биологической безопасности (BSC) и сборки образцов внутри BSC в стерильном контейнере, который может взаимодействовать с опорным стержнем и фиксированным основанием. Для долгосрочных исследований акриловый корпус может быть оснащен необходимыми материалами для обеспечения более стерильной среды (ультрафиолетовый свет, надлежащий воздушный поток и фильтрация, а также саморегулирующийся контроль температуры). Другим ограничением является то, что текущее устройство для испытания на трение сконфигурировано для проверки одного верхнего и нижнего противовеса. Подход с несколькими образцами может быть достигнут путем изменения конструкции нагрузочного важа и съемного основания, преобразуя текущее устройство для испытания на трение в биореактор с многоскважинной способностью применять физиологическую нагрузку хряща на хрящ и синовия-на-хряще. Создан рабочий прототип с использованием 6-луночной пластины (рисунок 7). Конструкция оставляет за собой возможность модулировать верхнюю и нижнюю противоположности по желанию. Верхняя часть пластины неподвижна и закреплена на стойке инкубатора тканевых культур, в то время как нижняя часть пластины прикреплена к переводящему этапу. Подобно текущему устройству для испытания на трение, мертвый вес может быть добавлен для предписания нормальной нагрузки. С биореактором в стерильной среде среда может быть отобрана с течением времени для оценки биологических реакций на режимы загрузки. Следующая итерация дизайна будет направлена на создание автономного биореактора, который включает в себя управляемый компьютером перевод. Если бы в биореакторе сохранялась сложность устройства для испытания на трение, изменения механических и механобиологических свойств тканей можно было бы измерять продольно.
Описано устройство для испытания на трение, позволяющее контролировать подачу обратного переводящего движения и нормальной нагрузки на две контактные биологические противоположности. В этом исследовании конфигурация синовия-на-хряще была использована для демонстрации модульности устройства и способности изучать фрикционные реакции живых тканей. Репрезентативные результаты подтвердили роль синовиальной жидкости в обеспечении пограничной смазки для снижения износа и трения диартродиального сустава. Устройство позволяет выполнять многомасштабные эксперименты, начиная от объемного трения до механотрансдукции. Конструкция может работать в стерильных условиях в течение нескольких часов и может быть преобразована в долгосрочный биореактор для повторения сжимающего скольжения сустава, тем самым облегчая изучение биомеханики, механобиологии и физической регуляции живых суставных тканей. Будущие исследования будут способствовать пониманию того, как здоровая и больная физическая среда влияет на поддержание суставов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Фондом ортопедических научных исследований, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 и NIGMS R01 692 GM083925 (Идентификатор спонсора: 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 |
References
- 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).
- 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).
- Berenbaum, F. Osteoarthritis as an inflammatory disease (osteoarthritis is not osteoarthrosis). Osteoarthritis and Cartilage. 21 (1), 16-21 (2013).
- Sellam, J., Berenbaum, F. The role of synovitis in pathophysiology and clinical symptoms of osteoarthritis. Nature Reviews Rheumatology. 6 (11), 625-635 (2010).
- Durney, K. M., et al. Immature bovine cartilage wear by fatigue failure and delamination. Journal of Biomechanics. 107, 109852 (2020).
- 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).
- Ateshian, G. A. The role of interstitial fluid pressurization in articular cartilage lubrication. Journal of Biomechanics. 42 (9), 1163-1176 (2009).
- Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The basic science of articular cartilage. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Estell, E. G., et al. Attachment of cartilage wear particles to the synovium negatively impacts friction properties. Journal of Biomechanics. 127, 110668 (2021).
- 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).
- Bonnevie, E. D., Bonassar, L. J. A century of cartilage tribology research is informing lubrication therapies. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (3), 031004 (2020).
- Unsworth, A., Dowson, D., Wright, V. Some new evidence on human joint lubrication. Annals of the Rheumatic Diseases. 34 (4), 277-285 (1975).
- 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).
- Shirley Jones, E.
- 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).
- 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).
- McCutchen, C. W. The frictional properties of animal joints. Wear. 5 (1), 1-17 (1962).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J. Lubrication mode analysis of articular cartilage using Stribeck surfaces. Journal of Biomechanics. 41 (9), 1910-1918 (2008).
- Malcom, L. An experimental investigation of the frictional and deformational responses of articular cartilage interfaces to static and dynamic loading. , dissertation (1976).
- Schmidt, T. A., Sah, R. L. Effect of synovial fluid on boundary lubrication of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 15 (1), 35-47 (2007).
- 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).
- 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).
- Radin, E. L., Paul, I. L., Swann, D. A., Schottstaedt, E. S.
- Estell, E. G., et al. Fibroblast-like synoviocyte mechanosensitivity to fluid shear is modulated by Interleukin-1α. Journal of Biomechanics. 60, 91-99 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cooke, A. F., Dowson, D., Wright, V.
- Goldring, M. B., Berenbaum, F.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
