Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

En friktionstest-bioreaktoranordning för studier av synovial gemensam biomekanik, mekanobiologi och fysisk reglering

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

Det nuvarande protokollet beskriver en friktionstestanordning som tillämpar samtidig ömsesidig glidning och normal belastning på två kontaktande biologiska motytor.

Abstract

Vid primär artros (OA) hämmar normalt "slitage" i samband med åldrande broskets förmåga att upprätthålla sina bärande och smörjande funktioner, vilket främjar en skadlig fysisk miljö. Friktionsinteraktionerna mellan ledbrosk och synovium kan påverka gemensam homeostas genom vävnadsnivåslitage och cellulär mekanotransduktion. För att studera dessa mekaniska och mekanobiologiska processer beskrivs en anordning som kan replikera fogens rörelse. Friktionstestanordningen styr leveransen av ömsesidig översättningsrörelse och normal belastning till två kontaktande biologiska motytor. Denna studie antar en synovium-på-brosk-konfiguration, och friktionskoefficientmätningar presenteras för tester utförda i ett fosfatbuffrat saltlösningsbad (PBS) eller synovialvätska (SF). Testningen utfördes för en rad kontaktspänningar, vilket belyser smörjegenskaperna hos SF under höga belastningar. Denna friktionstestanordning kan användas som en biomimetisk bioreaktor för att studera den fysiska regleringen av levande ledvävnader som svar på tillämpad fysiologisk belastning associerad med diartrodiell ledartikulation.

Introduction

Artros (OA) är en försvagande, degenerativ ledsjukdom som drabbar mer än 32 miljoner amerikanska vuxna, med en sjukvårds- och socioekonomisk kostnad på över 16.5 miljarder dollar1. Sjukdomen har klassiskt kännetecknats av nedbrytningen av ledbrosk och subkondralt ben; förändringar i synovium har dock nyligen fått uppskattning eftersom synovit har kopplats till OA-symtom och progression 2,3,4. Vid primär (idiopatisk) OA hämmar normalt "slitage" i samband med åldrande broskets förmåga att upprätthålla dess bärande och smörjande funktioner. De spänningar som genereras av långvarig glidkontakt av ledbroskskikt eller glidkontakt av brosk mot implantatmaterial har visat sig underlätta delamineringsslitage genom utmattningssvikt under ytan 5,6. Eftersom det finns en dynamisk mekanisk miljö i leden 7,8 kan friktionsinteraktionerna mellan ledbrosk och synovium påverka gemensam homeostas genom vävnadsnivåslitage och cellulär mekanotransduktion. För att studera dessa mekaniska och mekanobiologiska processer har en anordning utformats för att replikera fogens rörelse med tät kontroll över tryck- och friktionsbelastning 5,6,9,10,11,12,13.

Det nuvarande protokollet beskriver en friktionstestanordning som levererar ömsesidig, översättande rörelse och tryckbelastning till kontaktytor av levande vävnadsutplanteringar. Den datorstyrda enheten tillåter användarkontroll av varaktigheten för varje test, applicerad belastning, rörelseområde för översättningssteget och översättningshastighet. Enheten är modulär, vilket möjliggör testning av olika motytor, såsom vävnad-på-vävnad (brosk-på-brosk och synovium-på-brosk) och vävnad-på-glas. Förutom de funktionella mätningar som erhållits av testaren kan vävnads- och smörjbadkomponenter bedömas före och efter testning för att utvärdera de biologiska förändringar som förmedlas av en given experimentell regim.

Studier av brosktribologi har utförts i årtionden, och flera tekniker har utvecklats för att mäta friktionskoefficienter mellan brosk och glas och brosk på brosk14,15. De olika tillvägagångssätten motiveras av den gemensamma och/eller smörjmekanismen av intresse. Det finns ofta en avvägning mellan kontrollen av experimentella variabler och rekapitulationen av fysiologiska parametrar. Pendelliknande anordningar använder intakta fogar som stödpunkt för en enkel pendel där en fogyta översätts fritt över den andra ytan 14,16,17,18. I stället för att använda intakta leder kan friktionsmätningar erhållas genom glidbroskutsprång över önskade ytor 14,19,20,21,22,23,24,25. Rapporterade friktionskoefficienter för ledbrosk har varierat över ett brett intervall (från 0,002 till 0,5) beroende på driftsförhållandena14,26. Enheter har skapats för att replikera roterande rörelse 23,27,28. Gleghorn et al.26 utvecklade en anpassad tribometer med flera brunnar för att observera brosksmörjningsprofiler med hjälp av Stribeckkurvanalys, och en linjär oscillerande glidrörelse applicerades mellan brosk mot ett planglas motface.

Denna enhet syftar till att isolera friktionssvar och utforska mekanobiologin hos levande vävnader under olika belastningsförhållanden. Anordningen använder en förenklad testuppsättning som simulerar ledledsartikulation genom tryckglidning, som kan approximera både rullande och glidande rörelse med förståelsen att motståndet i ren rullande rörelse är försumbart i förhållande till den uppmätta friktionskoefficienten för ledbrosk29. Ursprungligen byggd för att studera effekterna av interstitiell vätsketrycksättning på friktionssvaret hos ledbrosk9, har testaren sedan dess använts för att utforska ämnen som friktionseffekter av att ta bort den ytliga zonen i brosk10, smörjande effekter av synovialvätska11, broskslitagehypoteser 5,6,30 och synovium-på-vävnad friktionsmätningar13 . Den friktionstestande bioreaktorn kan utföra friktionsexperiment under sterila förhållanden, vilket ger en ny mekanism för att utforska hur friktionskrafter påverkar de mekanobiologiska svaren hos levande brosk och synovium. Denna design kan användas som en biomimetisk bioreaktor för att studera den fysiska regleringen av levande ledvävnader som svar på tillämpad fysiologisk belastning associerad med diartrodiell ledartikulation.

Denna studie presenterar en konfiguration för synovium-på-brosk friktionstestning över en rad kontaktspänningar och i olika smörjbad. Den ledade ytan på de flesta leder är i stor utsträckning synovialvävnad31. Medan synovium-på-brosk-glidning inte sker vid primära bärande ytor, kan friktionsinteraktionerna mellan de två vävnaderna fortfarande ha viktiga konsekvenser för vävnadsnivåreparation och cellmekanotransduktion. Det har tidigare visats att fibroblastliknande synoviocyter (FLS) som bor på det intimala skiktet i synoviumet är mekanokänsliga och svarar på vätskeinducerad skjuvspänning32. Det har också visats att stretch 33,34 och vätskeinducerad skjuvspänning35 modulerar FLS smörjmedelsproduktion. Som sådan kan direkt glidkontakt mellan synovium och brosk ge en annan mekanisk stimulans till bosatta celler i synoviumet.

Endast ett fåtal rapporter om synoviumfriktionskoefficienter har publicerats31,36. Estell et al.13 försökte utöka den tidigare karakteriseringen genom att använda biologiskt relevanta motansikter. Med friktionstestanordningens förmåga att testa levande vävnader är det möjligt att efterlikna fysiologiska vävnadsinteraktioner under ledartikulation för att belysa rollen av kontaktskjuvspänning på synoviocytfunktionen och dess bidrag till överhörningen mellan synovium och brosk. Den senare har varit inblandad i att förmedla synovial ledinflammation vid artrit och efter skada. På grund av broskets fysiska närhet till synovium och synovialvätska, som innehåller synoviocyter som uppvisar multipotent kapacitet, inklusive kondrogenes, postuleras att synoviocyter spelar en roll i broskhomeostas och reparation genom att engrafera till ledytan. I detta sammanhang kan fysisk kontakt och ömsesidig skjuvning av brosk-synovium och synovium-synovium öka tillgängligheten av synoviocyter till regioner med broskskador 37,38,39,40. Studier som använder synovium-på-brosk-konfigurationer kommer inte bara att ge insikter i gemensam bruttovävnadsmekanik och tribologi, men de kan också leda till nya strategier för att upprätthålla ledhälsan.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Juvenila knäleder från nötkreatur, som erhållits från ett lokalt slakteri, användes för den aktuella studien. Studier med sådana nötkreaturprover är undantagna från Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

1. Designa friktionstestanordningen

OBS: En schematisk representation av friktionstestanordningen visas i figur 1. Enheten är byggd på en styv basplatta (visas inte), som fungerar som en plattform för strukturellt stöd.

  1. Fäst en stegmotor i det horisontella översättningssteget (se materialtabell) och skapa en tvåaxlig friktionstestanordning som ger ömsesidig översättningsrörelse till kontaktytor.
  2. Montera en multiaxial belastningscell på översättningsstadiet (se materialtabell). Den monterade lastcellen kommer att användas för att mäta den normala belastningen i z-riktningen (Fn) och den tangentiella belastningen i x-riktningen (Ft).
  3. Utrusta översättningssteget med en linjär kodare (se materialtabell) för att registrera scenens horisontella förskjutning (ux). Utrusta vidare laststeget med en linjär kodare (se materialtabell) för att registrera plattans vertikala förskjutning (uz).
    OBS: Översättningsstegskodaren registrerar den relativa tangentiella förskjutningen av kontaktytorna, och denna information används för att upptäcka början på varje ny cykel av fram- och återgående glidning.
  4. Konfigurera lastplattan (övre kontaktytan) som ett glas-, brosk- eller synoviummotface. Anslut plattan till laststeget via en gängad stödstång.
  5. Fäst en tvådelad magnetisk bas på toppen av lastcellen (se materialtabell): (1) en fast bas som är permanent fäst vid lastcellen och (2) en avtagbar bas som magnetiskt ansluter till den fasta basen. Se till att de två delarna bildar en tät anslutning.
    OBS: Den avtagbara basen håller det översättande motytan (nedre kontaktytan).
  6. Prescribe en normal belastning. Använd dödvikt monterad på linjära lager ovanför lastplattan och stödstången. Alternativt kan du ange en belastning med hjälp av röstspolens ställdon (se materialtabell), som dynamiskt kan ladda den nedre kontaktytan41.
  7. Hys enheten i ett aluminiumramat akrylhölje (se materialtabell) för att skydda dess miljö från kontaminering.
    OBS: Ett anpassat LabVIEW-program styr enheten (se Kompletterande kodningsfiler) med användarkontroll av varaktigheten för varje test, samt stegväg, acceleration (riktningsändring) och hastighet. Normalkraften, tangentiell kraft, stegförskjutning och krypförskjutning övervakas under hela testet med hårdvara och programvara för datainsamling (se materialtabell).

2. Förberedelse och montering av prover

  1. Förbered dig på en steril vävnadsskörd enligt stegen nedan.
    OBS: Om en steril skörd inte önskas, fortsätt till steg 2.2.
    1. Sterilisera metallverktyg i en autoklav. Spraya foghållare med 70% etanol och placera dem i det biologiska säkerhetsskåpet (BSC). Stäng skåpet för en ultraviolett (UV) cykel.
    2. Hämta verktygen från autoklaven. Placera verktyg, betadin, sterila skalpellblad och bägare som innehåller 70% etanol i BSC.
    3. Inuti BSC, öppna verktygen och placera dem i 70% etanolbägare. Fäst skalpellbladen på skalpellhandtagen.
    4. Förbered fogen för skörd. Spraya utsidan av fogen med 70% etanol och linda in i aluminiumfolie i 30 min. Var försiktig så att du inte bryter ledkapseln.
      OBS: De juvenila nötkreatura knäleden mottogs med lårbenet och skenbenet som var cirka 15 cm överlägset och sämre än leden för att säkerställa en intakt kapsel.
    5. Efter 30 minuter placerar du den inslagna fogen inuti BSC. Öppna folien och säkra fogen till hållaren. Täck leden i betadin genom att försiktigt torka betadin över ledytan.
      OBS: Se steg 2.2 och steg 2.3 för synoviumspecifika instruktioner respektive broskspecifika instruktioner.
  2. Skörda ungt bovint synovium enligt stegen nedan.
    1. Säkra den tibiofemorala ledkapseln med hjälp av ett ringstativ (se materialtabell) med den främre sidan vänd mot dissekorn. Använd pincett och ett skalpellblad och skär av patellarsenan med ett horisontellt snitt på 5-10 cm (beroende på ledstorlek) överlägsen skenbenet (figur 2A).
    2. Håll den lossnade patellasenan med pincett. Gör två främre till bakre snitt i form av ett V (figur 2B,C). Dessa nedskärningar bör frigöra patella.
      OBS: När leden börjar öppna, var försiktig så att du inte skär av det främre korsbandet (ACL), bakre korsbandet (PCL), det mediala säkerhetsbandet (MCL), lateralt säkerhetsband (LCL) och menisken.
    3. Vrid patella bakom fogen eller ta bort den helt från fogen. Ta försiktigt bort vävnaden ytlig till synovialmembranet på de mediala och laterala sidorna av leden för att exponera synoviumet.
    4. Använd ett skalpellblad och spåra konturen av synoviumregionen av intresse. Använd pincett, ta tag i ena änden av synoviumet och lyft försiktigt för att sträcka synovium distal till det underliggande benet. Använd ett skalpellblad för att ta bort synovium från benet (figur 2D,E).
    5. Placera vävnaden i lämpligt odlingsmedium eller testbadlösning. Synoviumexplantet kan odlas för ett önskat experiment eller monteras och användas för testning.
      OBS: Kulturmedia/testbadlösningar kan variera beroende på en forskargrupps preferenser. För de skräddarsydda som används för denna studie, se materialtabell.
  3. Skörda det juvenila bovina brosket (lårbenspluggar och tibialremsor).
    1. Separera lårbenet från skenbenet genom att skära av ACL, PCL, MCL och LCL. Var försiktig så att du inte skär lårbenets kondylbrosk eller skär genom menisken till tibialplatån. Placera de separerade vävnaderna i sina respektive hållare för dissektion (steg 2.3.2 för lårbenet och steg 2.3.3 för skenbenet).
    2. Säkra lårbenet med ett ringstativ. Använd en biopsistans av önskad form och storlek, kör instrumentet normalt till lårbenets kondylledbroskyta tills det når benet (figur 3A).
      1. Lossa kontaktens anslutning till benet genom att flytta stansen åt vänster till höger och framåt till bakåt. Gör detta utan att ta bort stansen.
        OBS: Sprakande ljud kan höras när benet separeras från brosket.
      2. Ta bort stansen, och därmed pluggen, från det underliggande benet (figur 3B). Upprepa vid behov steg 2.3.2, 2.3.2.1 och 2.3.2.2 för de återstående orörda platserna på kondylen.
        OBS: Som förberedelse för montering av lårbenspluggen på en testbas kan pluggens djupa sida behöva rakas platt. Detta kan göras med en lådskärare eller skalpell.
      3. Placera vävnad i lämpligt odlingsmedium eller testbadlösning. Lårbenspluggen kan odlas för ett önskat experiment eller monteras och användas för testning.
    3. Fäst skenbenet i en justerbar hållare (se materialtabell). Ta bort menisken försiktigt samtidigt som du undviker kontakt med broskytan (figur 4A).
      1. På ytterkanterna av tibialplatån, använd en lådskärare för att skära vinkelrätt mot brosket mot benet. Skär helt genom brosket för att göra raka kanter/sidor (figur 4B). Börja snittet cirka 2 mm från varje tibial platåkant och ta bort överflödig vävnad. Poängsätt broskets inre kanter (figur 4C).
        OBS: Vid denna tidpunkt måste benet vara synligt under brosket på ytterkanterna på tibialplatån.
      2. På ytterkanterna använder du lådskäraren för att göra ett rent snitt vid gränssnittet mellan ben och brosk (figur 4D).
        OBS: Snittet måste vara parallellt med broskytan och cirka 5 mm inåt, tillräckligt djupt för att börja separera brosk och ben.
      3. För att ta bort tibialremsan från platåytan, sätt försiktigt in en platt skruvmejsel under snittet i steg 2.3.3.2. Vrid försiktigt skruvmejseln för att lossa ledbrosket från det subkondrala benet (figur 4E).
        OBS: Sprakande ljud kan höras när benet separeras från brosket.
      4. När provet lossnar, tryck långsamt skruvmejseln framåt tills broskremsan lossnar från benet. Tryck skruvmejseln mot benet, inte mot brosket. Upprepa denna process på flera ställen tills tibialplatåns ledbrosk är helt avlägsnat från det underliggande benet (figur 4F).
      5. Skär tibialplatåytan med hjälp av en lådskärare för att producera rektangulära prover av önskad storlek och tjocklek.
        OBS: För den aktuella studien skars 10 mm x 30 mm remsor, men denna dimension kan varieras baserat på önskat experiment och testuppställning.
      6. Placera vävnad i lämpligt odlingsmedium eller testbadlösning. Tibialremsan kan odlas för ett önskat experiment eller monteras och användas för testning.
      7. Upprepa vid behov steg 2.3.3.1-2.3.3.6 för den andra tibialplatån.
  4. Montera synovium och brosk enligt stegen nedan.
    1. Om så önskas, välj ett tibialbandprov att testa.
      OBS: Remsan kan testas som det nedre motfacet.
      1. Ta bort den avtagbara magnetbasen (se materialtabell) och limma en petriskål med en diameter på 60 mm på den övre ytan av den avtagbara basen.
      2. Med petriskålen limmad på plats, fäst den avtagbara basen på den fasta basen och markera petriskålen för att indikera en glidriktning.
      3. Applicera en liten mängd cyanoakrylat (se materialtabell) i mitten av skålen. Rikta in tibialremsan med scenens glidriktning (vilket indikeras av märket på petriskålen från 2.4.1.2). Tryck försiktigt på broskremsan på skålen. Var noga med att inte repa broskytan.
        OBS: Ett sugverktyg (se materialtabell) kan applicera försiktigt tryck på brosket utan att skada ytan som ska friktionstestas.
      4. Återställ den avtagbara magnetiska basen (med fäst broskremsa) till dess parade magnetiska fasta bas i friktionstestaren. Fyll petriskålen med önskad testbadlösning. Testbadlösningen måste täcka brosket helt.
    2. Om så önskas, välj en lårbensbroskplugg för att testa.
      OBS: Pluggen kan testas som det nedre eller övre motfacet.
      1. Om lårbenskondylen används som det nedre motytan, ta bort den avtagbara magnetiska basen och lim en petriskål med en diameter på 60 mm på den övre ytan av den avtagbara basen.
        1. Applicera en liten mängd cyanoakrylat i mitten av skålen. Tryck försiktigt på broskpluggen på skålen.
          OBS: Ett sugverktyg kan applicera mjukt tryck på brosket utan att skada ytan som ska friktionstestas.
        2. Återställ den avtagbara magnetiska basen (med ansluten broskplugg) till dess parade magnetiska fasta bas i friktionstestaren. Fyll petriskålen med önskad testbadlösning. Testbadlösningen måste täcka brosket helt.
      2. Om lårbensbrosket används som det övre motfacet, ta bort lastplattan och stödstången från friktionstestaren. Ta vid behov bort den befintliga plattan och välj en ny platta som är lämplig för broskmontering.
        1. Applicera en liten mängd cyanoakrylat på plätytan. Tryck försiktigt på broskpluggen på plattan.
          OBS: Ett sugverktyg kan applicera mjukt tryck på brosket utan att skada ytan som ska friktionstestas.
        2. Återställ lastplattan (med ansluten broskplugg) och stödstången till friktionstestaren. Justera den vertikala höjden på lastplattan så att broskpluggen svävar över det nedre motytan och är nedsänkt i testbadet. Lägg till mer testbadlösning om det behövs.
    3. Om så önskas, välj synoviumprovet som ska testas.
      OBS: Synovium kan testas som det nedre eller övre motfacet.
      1. Om synovium används som botten motyta, ta bort den avtagbara magnetiska basen och lim en 60 mm diameter petriskål på den övre ytan av den avtagbara basen.
        1. Limma en specialbearbetad cirkulär akryl-silikonstolpe med önskad diameter till mitten av skålen.
        2. Använd pincett och placera synovium ovanpå stolpen. För att säkra synoviumet, sprid en O-ring (se materialtabell) över dess omkrets.
        3. Använd pincett och dra försiktigt i synovium för att sträcka vävnad och platt under O-ringen. Trimma överflödig vävnad med kirurgisk sax.
        4. Återställ den avtagbara magnetiska basen (med synovium fäst) till dess parade magnetiska fasta bas i friktionstestaren. Fyll petriskålen med önskad testbadlösning. Testbadlösningen måste helt täcka synoviumet.
      2. Om synovium används som det övre motfacet, ta bort lastplattan och stödstången från friktionstestaren. Ta vid behov bort den befintliga plattan och välj en ny cirkulär platta som är lämplig för synoviummontering.
        1. Använd pincett och placera synovium ovanpå den cirkulära plattan. För att säkra synoviumet, sprida en O-ring över dess omkrets.
        2. Använd pincett och dra försiktigt i synovium för att sträcka vävnad och platt under O-ringen. Trimma överflödig vävnad med kirurgisk sax.
        3. Återställ lastplattan (med bifogat synovium) och stödstången till friktionstestaren. Justera den vertikala höjden på lastplattan så att synoviumet svävar över det nedre motytan och är nedsänkt i testbadet. Lägg till mer testbadlösning om det behövs.

3. Friktionstestning

Ett anpassat LabVIEW-program och tillhörande maskinvara (se Kompletterande kodningsfiler) används för dessa tester. Observera att den anpassade koden byggdes på LabVIEW 2010 och har behållits på samma äldre version. Som ett resultat kanske koden inte är framåtkompatibel med den senaste versionen av programvaran. Följande knappslag och användargränssnittsreferenser är endast relevanta för den anpassade koden. Om du arbetar med en annan programvaruversion kan ett liknande anpassat program skrivas genom att ändra koden.

  1. Sätt i de monterade proverna (steg 2.4) i friktionstestanordningen.
    OBS: Proverna måste vara nedsänkta i testbadlösningen men får inte vara i kontakt med varandra.
  2. Öppna programvaran och föreskriva testparametrar: steghastighet, stegacceleration, körväg (avstånd) och testvaraktighet (figur 5).
    1. Öppna de tre fönstren i programmet: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID och Trigger Dynamic Caller.
    2. Kör fönstret Analog Data Build MFDAQ genom att trycka på knappen Kör (vit pil).
    3. Kör fönstret Initialize Load PID genom att trycka på knappen Kör (vit pil).
    4. Navigera till fliken Stepper i fönstret Trigger Dynamic Caller. Ange acceleration, hastighet och avstånd för översättningssteget i användarinmatningsrutorna.
      OBS: Avståndsvärdet ställer in slitbanans halvlängd. Med andra ord kommer scenen att röra sig från den angivna nollplatsen (steg 3.5) till det inställda avståndsvärdet i både positiva och negativa x-riktningar.
    5. På fliken Stepper anger du testets varaktighet genom att välja sökvägen till Stepper Time Index-filen . Klicka på knappen Öppna mapp längst ned till höger i tidstillståndstabellen och välj filen.
    6. Ange testets varaktighet även på fliken Röstspole. Navigera till fliken Röstspole i fönstret Trigger Dynamic Caller. I likhet med steg 3.2.5 väljer du filsökvägen Voice Coil Index genom att klicka på knappen Öppna mapp längst ned till höger i tidstillståndstabellen och välj filen. Varaktigheten måste matcha den på fliken Stepper .
  3. Prescribe normal belastning. Om du använder dödvikter, placera önskade vikter på de linjära lagren ovanför lastplattan. Se till att den applicerade belastningen plus vikten på lastplattan och stödstången inte överstiger lastcellens nominella kapacitet.
  4. Välj sökväg och filnamn för datalagring med knappen öppna mapp till höger om rutan Skriv till fil? Spara filen med tillägget ".txt".
  5. Centrera det nedre motfacetet under det övre motfacetet. Ställ in detta som noll x-position.
    1. Kör fönstret Trigger Dynamic Caller genom att trycka på knappen Kör (vit pil). På fliken Stepper klickar du på hemknappen för att flytta scenen till den senast sparade noll x-positionen.
    2. Om motytorna inte är justerade flyttar du scenen genom att klicka på de gröna vänster- och högerpilknapparna . När önskad plats har uppnåtts klickar du på knappen Noll för att spara den aktuella scenplatsen som den nya noll x-positionen. Stoppa fönstret Trigger Dynamic Caller genom att klicka på Stopp-knappen .
      Scenens plats kan bara sparas medan fönstret Trigger Dynamic Caller körs, men scenen rör sig ännu inte enligt programmets angivna schema. Om du trycker på knappen Kör (vit pil) i steg 3.5.1 initieras en tidsram på 15 sekunder innan scenen börjar röra sig. Använd den här tidsramen på 15 s för att flytta scenen och spara önskad nollplats.
    3. Om önskad noll x-position inte erhålls vid första försöket, upprepa steg 3.5.1.
      OBS: Det kan hjälpa att trycka på nollknappen ibland för att spara scenpositionen när användaren flyttar det nedre motfacet under det övre motytan. Kom ihåg att klicka på hemknappen flyttar scenen till den sista positionen som sparats av nollknappen .
  6. När de övre och nedre motytorna är centrerade, initiera friktionstestning av proverna genom att starta scenens cykliska rörelse. För att göra detta, kör fönstret Trigger Dynamic Caller genom att trycka på knappen Kör (vit pil).
  7. När scenen rör sig, ta långsamt det övre motfacet i kontakt med botten.
    OBS: Det tillämpade belastningsvärdet kan bekräftas genom att visa Fz realtidsdiagram i programvarufönstret (figur 5A).
  8. Låt testet köras och samla in friktionstestdata.
    OBS: Alla data som registrerats under steg 3.5 kommer att skrivas över. Realtidshysteresen kan visas i fönstret Trigger Dynamic Caller (bild 5C).
  9. Efter önskad testtid, stoppa testet genom att trycka på Stopp-knappen och lossa proverna genom att höja det övre motytan och flytta det ur kontakt med det nedre motfacet.

4. Behandling av uppgifter

OBS: Ett anpassat MATLAB-program används för databehandling (se Kompletterande kodningsfiler). Koden anropar de utdatafiler som anges av den anpassade LabVIEW-koden.

  1. Använd den anpassade koden för att beräkna friktionskoefficienten och krypförskjutningen (tidsberoende vävnadsdeformation) per cykel.
    1. Se till att alla relevanta koder sparas i samma mapp: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" och "frictioncycle_run.m".
      OBS: Dessa MATLAB-koder skrevs för att användas med de specifika utgångarna från ovannämnda LabVIEW-kod. Om användaren har skapat sin egen kod eller har gjort ändringar i den som beskrivs här kan MATLAB-skripten behöva redigeras för att rymma dessa ändringar.
    2. Öppna filen frictioncycle_run.m. Klicka på knappen Kör (grön pil) i skriptet. Välj rådatafilen som ska analyseras och önskad MATLAB-utdatasparplats.
      PROGRAMVARAN kan ta några minuter att bearbeta data beroende på testets varaktighet.
  2. Om så önskas, utför standardvävnadsbedömningar och medieanalyser på de testade explantaterna och alikvoterna i testbadlösningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En synovium-på-brosk-konfiguration användes för att friktionstesta juvenila bovina explantat. Synoviumet monterades på en akrylbelastningsplatta med en diameter på 10 mm så att det intimala skiktet skulle vara i kontakt med det underliggande brosket. En tibialremsa användes som broskmotface (figur 6A). Tibialremsor skars med ett djup av ca 1,4 mm och en storlek på 10 mm x 30 mm. Proverna testades i 1 timme vid 37 °C i ett fosfatbuffrat saltlösningsbad (PBS) eller ett bovint ledvätskabad (SF). SF-badet bestod av en 50/50 blandning av PBS och bovin SF. Stegaccelerationen var 100 mm/s2, etapphastigheten var 1 mm/s och etappbanans avstånd var 2,5 mm 6,9,42. Dödvikter användes för att applicera olika normala belastningar vilket resulterade i kontaktspänningar på 180, 230 och 300 kPa11,43.

Efter en timme lossades vävnaderna och friktionskoefficienterna bedömdes. En effektiv friktionskoefficient μ beräknades utifrån medelvärdet av Ft/Fn under varje fram- och återgående cykel och plottades sedan mot provningstiden för att ge en friktionskoefficient jämfört med. tidsdiagram (figur 6B). För varje test var värdena på μ i genomsnitt under hela testet (alla cykler) för att producera μgenomsnittligt värde. I ett PBS-testbad ökade μmedelvärden när kontaktspänningen ökade. Den μgenomsnittliga, PBS ökade från 0,015 ± 0,005 vid 180 kPa, till 0,019 ± 0,005 vid 230 kPa, till 0,022 ± 0,010 vid 300 kPa. Omvänt förblev μgenomsnittliga värden liknande när kontaktspänningen ökade i ett SF-bad (figur 6C). Den μgenomsnittliga SF var 0,013 ± 0,002 vid 180 kPa, 0,011 ± 0,001 vid 230 kPa och 0,011 ± 0,001 vid 300 kPa.

Sammantaget visar resultaten förmågan hos friktionstestanordningen att samtidigt applicera ömsesidig glidning och normal belastning på två biologiska motytor. I denna studie visade synovium-på-broskprover som testades i ett SF-bad inte en ökning av friktionskoefficienten när kontaktspänningen ökades, vilket stöder uppfattningen att SF bidrar till ledens låga slitage och låga friktionsegenskaper genom en gränssmörjningsmekanism.

Figure 1
Figur 1: Schematisk över tvåaxlig anpassad friktionstestanordning (vänster) och tvärsnitt av laddat prov i petriskål (höger). Steget är fäst vid en motor som inducerar glidande rörelse och får den nedre kontaktytan att leda mot den övre kontaktytan. Lastcellen samlar in belastningsmätningar i realtid, medan laststegets linjära kodare samlar in krypförskjutningsmätningar i realtid. Figuren har ändrats med tillstånd från referens10. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Bovin synoviumskörd (A) Patellarsenan är avskuren med ett horisontellt snitt som är överlägset skenbenet. (B,C) Patella avlägsnas genom att göra två främre till bakre snitt i form av ett V (prickade linjer). (D) Synoviumets kontur spåras med ett skalpellblad. (E) Synoviumet sträcks sedan distalt till det underliggande benet och avlägsnas. Skalstreck = 5 cm. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Skörd av bovin lårbensbroskplugg .(A) En biopsistans med en diameter på 15,9 mm sätts in normalt på lårbenets kondylledbroskyta tills benet har uppnåtts. (B) Stansen och kontakten tas bort. Skalstreck = 16 mm. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Bovin brosk tibial strip harvest. (B) Platåkanterna skärs för att göra raka sidor (infällda). (C) Insidan av platån poängsätts för att skapa en remsa. (D) Ett snitt görs vid gränssnittet mellan brosk och ben. (E) En skruvmejsel sätts in under snittet. (F) Remsan tas bort. Skalstreck = 10 mm. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Bild 5: LabVIEW-användargränssnittet. Det anpassade programmet gör det möjligt att styra olika testparametrar som stegacceleration, steghastighet, körväg och testvaraktighet. (A) Realtidstillämpat belastningsdiagram (Fz jämfört med t där Fz är normalbelastningen Fn), (B) stegläge (ux vs. t) och (C) hysteresdiagram (Fx vs. ux, där Fxär den tangentiella kraften Ft) visas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Friktionsmätningar av synovium-på-brosk.(A) Friktionstestanordningen konfigurerad för juvenilt bovint synovium (infällt) på en tibial broskremsa. B) Representativ friktionskoefficient (μ) som en funktion av tidsdiagrammet. (C) Friktionskoefficienten för olika kontaktspänningar (180 kPa, blå; 230 kPa, röd; 300 kPa, grön) i ett fosfatbuffrat saltlösningsbad (PBS, sluten cirkel) eller bovint synovialvätska (SF, öppen cirkel). Felstaplar är medelvärden med standardavvikelse. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
(A) Schematisk över friktionsbioreaktor med stationära övre motytor och rörliga nedre motytor. (B) En sidovy och (C) bottenvy av bioreaktorn som applicerar fysiologisk skjuvning i en synovium-på-brosk-konfiguration. (D) Bioreaktorn är inrymd i en vävnadsodlingsinkubator. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande kodningsfiler. Klicka här för att ladda ner den här filen. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En dynamisk mekanisk miljö finns i leden eftersom brosk utsätts för tryck-, drag- och skjuvkrafter och hydrostatiska och osmotiska tryck44,45. Även om brosk är den huvudsakliga bärande vävnaden i leden, genomgår synoviumet också friktionsinteraktioner med broskytan och med sig själv i regioner där vävnaden viks. De fysiska interaktionerna mellan brosk och synovium är sannolikt ansvariga för att överföra celler och frigöra mesenkymala stamceller i den gemensamma miljön, vilket erbjuder en potentiell cellkälla för att bidra till (begränsade) ledbroskreparationsmekanismer 37,38,39,40. Friktionsegenskaperna hos både brosk och synovium har viktiga konsekvenser för ledunderhåll och degenerering genom vävnadsslitage13. En anordning som kan leverera ömsesidig översättningsrörelse och tryckbelastning presenteras för att studera de mekaniska och mekanobiologiska processerna som är ansvariga för gemensam homeostas och sjukdomsprogression.

Valet av testparametrar och provmontering är två kritiska steg i protokollet. Enheten applicerar en tryckbelastning med antingen dödvikter eller ett röstspoleställdon. Det anpassade programmet möjliggör kontroll över olika parametrar som testlängd, steghastighet och körväg. Ett problem kan uppstå om testets varaktighet är för kort. När så är fallet tillåter den korta varaktigheten inte friktionskoefficienten μ att nå jämvikt (μeq). Om μeq-utgången önskas måste användaren välja en lämplig testvaraktighet som kommer att kunna fånga vävnadsbeteendet tills det blir konstant. Prover kan nå jämvikt inom några timmar efter testning, beroende på storleken på kontaktområdet på vävnaden46. Typen av test måste också beaktas. Enheten har använts i det stationära kontaktområdet och migrerande kontaktområdeskonfigurationer för att studera broskfriktionsegenskaper 5,6,9,11,12,47. Färdvägen, steghastigheten och kongruensen för de två motytorna kan manipuleras för att producera önskat testläge. Vi rekommenderar att du skapar realtidsdiagram i LabVIEW-programmets användargränssnitt för att hjälpa till att övervaka ett test. Användbara tomter inkluderar horisontell scenposition kontra. tid, normal kraft vs. tid och tangentiell kraft kontra. horisontellt scenläge (hysteres, figur 5C). Till exempel får det övre motfacetet bara vila på det nedre motfacetet för att säkerställa att hela den föreskrivna belastningen appliceras. Det tillämpade belastningsvärdet kan bekräftas genom att visa realtidsdiagrammet för normal belastning (figur 5A). Monteringen av prover måste vara säker för att förhindra att vävnad glider eller rivs som ger felaktiga mätningar. Synovium rivning på grund av felaktig montering kommer att resultera i en felaktig friktionskoefficient, eftersom monteringsytan under synovium kommer att exponeras. Detta fel kan upptäckas genom att övervaka hystereskurvor i realtid. Enhetens realtidsbedömning av funktionella egenskaper skiljer sig från andra friktionstestsystem.

Alla rådata måste skrivas till en fil som kan importeras och bearbetas av önskad databehandlingsprogramvara. Vi rekommenderar att du samlar in data med en frekvens på minst 10 datapunkter/sekund och sparar rådata i en .csv eller .txt fil. Friktionskoefficienten kan beräknas för varje position i varje cykel med hjälp av ekvationen Equation 1 där t och n hänvisar till de tangentiella respektive normala krafterna, och där + och - hänvisar till framåt- respektive bakåtslag per cykel5. Denna formel erkänner att tecknet på F-t är motsatt det för F + t. Normal kraft (Fn) definieras som kraften i linje med den applicerade belastningen (z-riktning, figur 1), medan tangentiell kraft (Ft) är kraften parallellt med glidning (x-riktning, figur 1). Den cykelgenomsnittliga friktionskoefficienten kan beräknas genom att ta medelvärdet av μ för alla positioner i en given cykel. Krypförskjutningen beräknas genom att normalisera den vertikala förskjutningen av det övre motytan så att den initiala förskjutningen är noll och de efterföljande förskjutningarna är relativa till den initiala förskjutningen. Om så önskas kan standardvävnadsbedömningar och medieanalyser utföras på de testade explantaterna och alikvoterna i testbadlösningen. Före analys rekommenderas att du registrerar testbadvolymen som ska användas vid databehandling eller normalisering.

De modulära motytorna har möjliggjort anpassning av flera testkonfigurationer. Tidiga studier använde glas-mot-brosk-testning för att belysa rollen av interstitiellt vätskebelastningsstöd i brosktribologi 9,10. Betydelsen av interstitiell vätsketryck validerades ytterligare genom att jämföra stationära och migrerande kontaktområdestester för brosk-på-brosk och brosk mot glas11. Oungoulian et al.6 utvärderade slitagemekanismen för ledbrosk mot metalllegeringar som används i hemiartroplastier och visade att spänningarna som genererades av glidkontakt i 4 timmar underlättade delamineringsslitage genom utmattningsfel under ytan. Detta arbete följdes av Durney et al.5, som visade att delamineringsslitage fortfarande kan uppstå när friktionen förblir låg under en migrerande kontaktområdeskonfiguration. Senast rapporterade Estell et al.13 för första gången synoviumets friktionsegenskaper under testförhållanden som efterliknade infödda interaktioner med underliggande vävnader (brosk och synovium) och under förhållanden som efterliknade ett osteoarthritiskt tillstånd (utspätt synovialvätskebad med broskslitagepartiklar). I slutändan har friktionstestanordningens designflexibilitet gjort det möjligt att genomföra ett brett spektrum av experiment, vilket bidrar till större förståelse för brosk- och synoviumtribologi.

En begränsning med det nuvarande systemet är att det bara kan upprätthålla aseptiska testförhållanden i några timmar. Detta uppnås genom akrylhöljet, sterilisering av mediekontaktande komponenter via autoklav och sprutning av testanordningen med 70% etanol. Akrylhöljet innehåller också ett värmeelement och konstant temperaturövervakningsfunktioner. Värmeelementet värmer upp luften i lådan, styr temperaturen i den inre miljön och kan styras externt för att undvika att utsätta proverna för den yttre miljön. Aseptiska förhållanden kan uppnås ytterligare genom att skörda proverna i ett sterilt biologiskt säkerhetsskåp (BSC) och montera proverna inuti BSC i en steril behållare som kan samverka med stödstången och den fasta basen. För långtidsstudier kan akrylhöljet utrustas med nödvändiga material för att ge en mer steril miljö (ultraviolett ljus, korrekt luftflöde och filtrering och självreglerande temperaturkontroll). En annan begränsning är att den aktuella friktionstestanordningen är konfigurerad för att testa ett enda övre och nedre motface. En motface-metod med flera prover kan uppnås genom att ändra lastplattan och avtagbar basdesign, konvertera den aktuella friktionstestanordningen till en bioreaktor med en multibrunnskapacitet för att applicera fysiologisk belastning av brosk-på-brosk och synovium-på-brosk. En fungerande prototyp med en 6-brunnsplatta har skapats (figur 7). Designen reserverar möjligheten att modulera övre och nedre motytor efter önskemål. Plattans ovansida är stationär och fäst vid ett vävnadsodlingsinkubatorställ, medan botten av plattan är fäst vid ett översättningssteg. I likhet med den nuvarande friktionstestanordningen kan dödvikt läggas till för att föreskriva en normal belastning. Med bioreaktorn i en steril miljö kan media samplas över tid för att utvärdera biologiska svar på belastningsregimer. Nästa design iteration kommer att se till att skapa en fristående bioreaktor som innehåller datorstyrd översättning. Om friktionstestanordningens komplexitet skulle bibehållas i bioreaktorn skulle förändringar i vävnadens mekaniska och mekanobiologiska egenskaper kunna mätas i längdriktningen.

En friktionstestanordning som tillåter kontroll över leveransen av ömsesidig översättningsrörelse och normal belastning till två kontaktande biologiska motytor beskrivs. I denna studie användes en synovium-på-brosk-konfiguration för att demonstrera enhetens modularitet och förmågan att studera friktionssvaren hos levande vävnader. De representativa resultaten bekräftade synovialvätskans roll för att tillhandahålla gränssmörjning för att minska slitage och friktion i diartrodialleden. Enheten möjliggör utförande av flerskaliga experiment som sträcker sig från bulkfriktion till mekanotransduktion. Designen kan fungera under sterila förhållanden i några timmar och kan omvandlas till en långsiktig bioreaktor för att rekapitulera den tryckande glidningen av leden, vilket underlättar studier av biomekanik, mekanobiologi och fysisk reglering av levande ledvävnader. Framtida studier kommer att bidra till att förstå hur friska och sjuka fysiska miljöer påverkar ledunderhållet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 och NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID: 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

Bioteknik utgåva 184
En friktionstest-bioreaktoranordning för studier av synovial gemensam biomekanik, mekanobiologi och fysisk reglering
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