Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Sinovyal Eklem Biyomekaniği, Mekanobiyoloji ve Fiziksel Regülasyon Çalışmaları için Bir Sürtünme Testi-Biyoreaktör Cihazı

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

Mevcut protokol, iki temas eden biyolojik karşı yüze eşzamanlı karşılıklı kayma ve normal yük uygulayan bir sürtünme test cihazını tanımlamaktadır.

Abstract

Primer osteoartritte (OA), yaşlanma ile ilişkili normal 'aşınma ve yıpranma', kıkırdağın yük taşıma ve yağlama fonksiyonlarını sürdürme yeteneğini inhibe ederek zararlı bir fiziksel ortamı teşvik eder. Eklem kıkırdağı ve sinovyumun sürtünmesel etkileşimleri, doku seviyesi aşınması ve hücresel mekanotransdüksiyon yoluyla eklem homeostazını etkileyebilir. Bu mekanik ve mekanobiyolojik süreçleri incelemek için, eklemin hareketini kopyalayabilen bir cihaz tanımlanmıştır. Sürtünme test cihazı, karşılıklı çeviri hareketinin ve normal yükün iki temas eden biyolojik karşı yüze iletilmesini kontrol eder. Bu çalışmada kıkırdak üzerinde sinovyum konfigürasyonu benimsenmiştir ve fosfat tamponlu salin (PBS) veya sinovyal sıvı (SF) banyosunda yapılan testler için sürtünme katsayısı ölçümleri sunulmuştur. Test, SF'nin yüksek yükler altında yağlama özelliklerini vurgulayan bir dizi temas gerilimi için gerçekleştirildi. Bu sürtünme test cihazı, diartrodial eklem artikülasyonu ile ilişkili uygulanan fizyolojik yüke yanıt olarak canlı eklem dokularının fiziksel regülasyonunu incelemek için biyomimetik bir biyoreaktör olarak kullanılabilir.

Introduction

Osteoartrit (OA), 32 milyondan fazla Amerikalı yetişkini etkileyen, sağlık ve sosyo-ekonomik maliyeti 16,5 milyar doların üzerinde olan zayıflatıcı, dejeneratif bir eklem hastalığıdır1. Hastalık klasik olarak eklem kıkırdağının ve subkondral kemiğin bozulması ile karakterizedir; Bununla birlikte, sinovyumdaki değişiklikler, sinovitin OA semptomları ve progresyonu 2,3,4 ile bağlantılı olması nedeniyle son zamanlarda takdir kazanmıştır. Primer (idiyopatik) OA'da, yaşlanma ile ilişkili normal 'aşınma ve yıpranma', kıkırdağın yük taşıma ve yağlama fonksiyonlarını sürdürme yeteneğini inhibe eder. Eklem kıkırdak tabakalarının uzun süreli kayma temasının veya kıkırdağın implant materyallerine karşı kayan temasının yarattığı gerilmelerin, yüzey altı yorulma yetmezliği nedeniyle delaminasyon aşınmasını kolaylaştırdığı gösterilmiştir 5,6. Eklem7,8 içinde dinamik bir mekanik ortam bulunduğundan, eklem kıkırdağı ve sinovyumun sürtünmesel etkileşimleri, doku seviyesi aşınması ve hücresel mekanotransdüksiyon yoluyla eklem homeostazını etkileyebilir. Bu mekanik ve mekanobiyolojik süreçleri incelemek için, 5,6,9,10,11,12,13 basınç vesürtünme yükü üzerinde sıkı kontrol ile eklemin hareketini çoğaltmak için bir cihaz tasarlanmıştır.

Mevcut protokol, canlı doku eksplantlarının temas eden yüzeylerine karşılıklı, çevirici hareket ve basınç yükü sağlayan bir sürtünme test cihazını tanımlamaktadır. Bilgisayar kontrollü cihaz, kullanıcının her testin süresini, uygulanan yükü, çeviri aşamasının hareket aralığını ve çeviri hızını kontrol etmesini sağlar. Cihaz modülerdir ve doku üzerinde doku (kıkırdak üzerinde kıkırdak ve kıkırdak üzerinde sinovyum) ve cam üzerinde doku gibi çeşitli karşı yüzlerin test edilmesine izin verir. Test cihazı tarafından elde edilen fonksiyonel ölçümlere ek olarak, doku ve yağlama banyosu bileşenleri, belirli bir deneysel rejimin sağladığı biyolojik değişiklikleri değerlendirmek için testten önce ve sonra değerlendirilebilir.

Kıkırdak tribolojisi çalışmaları on yıllardır yapılmakta ve kıkırdak ile cam arasındaki sürtünme katsayılarını ölçmek için çeşitli teknikler geliştirilmiştir ve kıkırdak üzerindeki kıkırdak14,15. Farklı yaklaşımlar, eklem ve / veya ilgili yağlama mekanizması tarafından motive edilir. Genellikle deneysel değişkenlerin kontrolü ile fizyolojik parametrelerin özetlenmesi arasında bir denge vardır. Sarkaç tarzı cihazlar, sağlam eklemleri, bir eklem yüzeyinin ikinci yüzey14,16,17,18 üzerinde serbestçe döndüğü basit bir sarkacın dayanak noktası olarak kullanır. Sağlam derzler kullanmak yerine kıkırdak eksplantları istenilen yüzeyler üzerinden kaydırılarak sürtünme ölçümleri elde edilebilir 14,19,20,21,22,23,24,25. Eklem kıkırdağının bildirilen sürtünme katsayıları, çalışma koşullarına bağlı olarak geniş bir aralıkta (0,002 ila 0,5) değişmiştir 14,26. Döner hareketi23,27,28 çoğaltmak için cihazlar oluşturulmuştur. Gleghorn ve ark.26, Stribeck eğrisi analizini kullanarak kıkırdak yağlama profillerini gözlemlemek için çok kuyulu özel bir tribometre geliştirdi ve kıkırdak ile düz cam karşı yüz arasında doğrusal bir salınımlı kayma hareketi uygulandı.

Bu cihaz, sürtünme tepkilerini izole etmeyi ve çeşitli yükleme koşulları altında canlı dokuların mekanobiyolojisini araştırmayı amaçlamaktadır. Cihaz, eklem kıkırdağı29'un ölçülen sürtünme katsayısına göre saf yuvarlanma hareketindeki direncin ihmal edilebilir olduğu anlayışıyla hem yuvarlanma hem de kayma hareketine yaklaşabilen sıkıştırma kayması yoluyla eklem artikülasyonunu simüle eden basitleştirilmiş bir test kurulumu kullanır. Aslen interstisyel sıvı basınçlandırmasının eklem kıkırdağı9'un sürtünme tepkisi üzerindeki etkilerini incelemek için inşa edilen test cihazı, o zamandan beri kıkırdağın yüzeysel bölgesini çıkarmanın sürtünmesel etkileri 10, sinovyal sıvının yağlama etkileri11, kıkırdak aşınma hipotezleri 5,6,30 ve doku üzerinde sinovyum sürtünme ölçümleri13 gibi konuları araştırmak için kullanılmıştır. . Sürtünme testi biyoreaktörü, steril koşullar altında sürtünme deneyleri yapabilir ve sürtünme kuvvetlerinin canlı kıkırdak ve sinovyumun mekanobiyolojik tepkilerini nasıl etkilediğini keşfetmek için yeni bir mekanizma sağlar. Bu tasarım, diartrodial eklem artikülasyonu ile ilişkili uygulanan fizyolojik yüklemeye yanıt olarak canlı eklem dokularının fiziksel regülasyonunu incelemek için biyomimetik bir biyoreaktör olarak kullanılabilir.

Bu çalışma, bir dizi temas gerilmesi üzerinde ve farklı yağlama banyolarında sinovyum-on-kıkırdak sürtünme testi için bir konfigürasyon sunmaktadır. Çoğu eklemin eklemli yüzey alanı, büyük ölçüde, sinovyal dokudur31. Sinovyum kıkırdak kayması, birincil yük taşıyan yüzeylerde meydana gelmese de, iki doku arasındaki sürtünme etkileşimlerinin doku seviyesi onarımı ve hücre mekanotransdüksiyonu için hala önemli etkileri olabilir. Daha önce, sinovyumun intimal tabakasında bulunan fibroblast benzeri sinovyositlerin (FLS) mekanosensitif olduğu ve sıvı kaynaklı kesme stresine yanıt verdiği gösterilmiştir32. Ayrıca streç 33,34 ve sıvı kaynaklı kesme gerilmesi35'in FLS yağlayıcı üretimini modüle ettiği gösterilmiştir. Bu nedenle, sinovyum ve kıkırdak arasındaki doğrudan kayma teması, sinovyumdaki yerleşik hücrelere başka bir mekanik uyaran sağlayabilir.

Sinovyum sürtünme katsayıları hakkında sadece birkaç rapor yayınlanmıştır31,36. Estell ve ark.13, biyolojik olarak ilgili karşı yüzleri kullanarak önceki karakterizasyonu genişletmeye çalışmışlardır. Sürtünme test cihazının canlı dokuları test etme kabiliyeti ile, temas kesme stresinin sinovyosit fonksiyonu üzerindeki rolünü ve sinovyum ile kıkırdak arasındaki çapraz konuşmaya katkısını aydınlatmak için eklem artikülasyonu sırasında fizyolojik doku etkileşimlerini taklit etmek mümkündür. İkincisi, artrit ve yaralanma sonrası sinovyal eklem iltihabına aracılık etmede rol oynamıştır. Kıkırdağın kondrogenez de dahil olmak üzere multipotent kapasite gösteren sinovyositler içeren sinovyum ve sinovyal sıvıya fiziksel yakınlığı nedeniyle, sinovyositlerin kıkırdak homeostazında rol oynadığı ve eklem yüzeyine kazınarak onarıldığı varsayılmaktadır. Bu bağlamda, kıkırdak-sinovyum ve sinovyum-sinovyumun fiziksel teması ve karşılıklı kesilmesi, sinovyositlerin kıkırdak hasarı olan bölgelere erişilebilirliğini artırabilir37,38,39,40. Sinovyum-on-kıkırdak konfigürasyonlarını kullanan çalışmalar sadece eklem brüt doku mekaniği ve tribolojisi hakkında fikir vermekle kalmayacak, aynı zamanda eklem sağlığını korumak için yeni stratejilere de yol açabilecektir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bu çalışmada lokal bir mezbahadan elde edilen yavru sığır diz eklemleri kullanılmıştır. Bu tür sığır örneği örnekleriyle yapılan çalışmalar, Columbia Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi'nden (IACUC) muaf tutulmaktadır.

1. Sürtünme test cihazının tasarlanması

NOT: Sürtünme test cihazının şematik bir temsili Şekil 1'de gösterilmiştir. Cihaz, yapısal destek için bir platform görevi gören sert bir taban plakası (gösterilmemiştir) üzerine inşa edilmiştir.

  1. Yatay çeviri aşamasına bir step motor takın (bkz. Malzeme Tablosu), temas eden yüzeylere karşılıklı çeviri hareketi sağlayan iki eksenli bir sürtünme test cihazı oluşturun.
  2. Çeviri aşamasına çok eksenli bir yük hücresi takın (bkz. Monte edilmiş yük hücresi, z yönündeki (F n) normal yükü ve x yönündeki (F t) teğetsel yükü ölçmek için kullanılacaktır.
  3. Aşamanın yatay yer değiştirmesini (ux) kaydetmek için çeviri aşamasını doğrusal bir kodlayıcıyla donatın (bkz. Ayrıca, plakanın dikey yer değiştirmesini (uz) kaydetmek için yükleme aşamasını doğrusal bir kodlayıcı ile donatın (bkz.
    NOT: Çeviri aşaması kodlayıcısı, temas yüzeylerinin göreceli teğetsel yer değiştirmesini kaydeder ve bu bilgi, her yeni pistonlu kayma döngüsünün başlangıcını algılamak için kullanılır.
  4. Yükleme plakasını (üstten temas eden yüzey) cam, kıkırdak veya sinovyum karşı yüz olarak yapılandırın. Plakayı dişli bir destek çubuğu aracılığıyla yükleme aşamasına bağlayın.
  5. Yük hücresinin tepesine iki parçalı bir manyetik taban takın (bkz. Malzeme Tablosu): (1) yük hücresine kalıcı olarak tutturulmuş sabit bir taban ve (2) sabit tabana manyetik olarak bağlanan çıkarılabilir bir taban. İki parçanın sıkı bir bağlantı oluşturduğundan emin olun.
    NOT: Çıkarılabilir taban, çeviri karşı yüzünü (alt temas yüzeyi) tutacaktır.
  6. Normal bir yük reçete edin. Yükleme plakasının ve destek çubuğunun üzerindeki lineer rulmanlara monte edilmiş ölü ağırlık kullanın. Alternatif olarak, alttan temas eden yüzey41'i dinamik olarak yükleyebilen ses bobini aktüatörünü kullanarak bir yük belirtin (bkz.
  7. Ortamını kirlenmeye karşı korumak için cihazı alüminyum çerçeveli bir akrilik muhafaza içine yerleştirin (bkz.
    NOT: Özel bir LabVIEW programı, her testin süresinin, sahne alanı seyahat yolunun, ivmenin (yön değişikliği) ve hızın kullanıcı kontrolüyle cihazı (Ek kodlama dosyalarına bakın) kontrol eder. Normal kuvvet, teğetsel kuvvet, kademe yer değiştirmesi ve sürünme yer değiştirmesi, veri toplama donanımı ve yazılımı ile test boyunca izlenir (bkz.

2. Numune hazırlama ve montaj

  1. Aşağıdaki adımları izleyerek steril bir doku hasadı için hazırlanın.
    NOT: Steril bir hasat istenmiyorsa, adım 2.2'ye geçin.
    1. Metal aletleri bir otoklavda sterilize edin. Derz tutucularını %70 etanol ile püskürtün ve biyolojik güvenlik kabinine (BSC) yerleştirin. Bir ultraviyole (UV) döngüsü için kabini kapatın.
    2. Araçları otoklavdan alın. Aletleri, betadini, steril neşter bıçaklarını ve %70 etanol içeren beherleri BSC'ye yerleştirin.
    3. BSC'nin içinde, aletleri açın ve% 70 etanol beherlerine yerleştirin. Neşter bıçaklarını neşter saplarına takın.
    4. Eklemi hasat için hazırlayın. Eklemin dışını% 70 etanol ile püskürtün ve 30 dakika boyunca alüminyum folyoya sarın. Eklem kapsülünü kırmamaya dikkat edin.
      NOT: Juvenil sığır diz eklemleri, sağlam bir kapsül sağlamak için eklemden yaklaşık 15 cm yukarıda ve aşağıda kesilmiş femur ve tibia ile alındı.
    5. 30 dakika sonra, sarılmış eklemi BSC'nin içine yerleştirin. Folyoyu açın ve eklemi tutucusuna sabitleyin. Betadini eklem yüzeyi boyunca hafifçe silerek eklemi betadin içinde örtün.
      NOT: Sinovyuma özgü talimatlar ve kıkırdağa özgü talimatlar için sırasıyla adım 2.2 ve adım 2.3'e bakın.
  2. Aşağıdaki adımları izleyerek yavru sığır sinovyumunu hasat edin.
    1. Tibiofemoral eklem kapsülünü, ön tarafı dissektöre bakacak şekilde bir halka standı kullanarak sabitleyin (bkz. Forseps ve neşter bıçağı kullanarak, tibiadan daha üstün 5-10 cm'lik (eklem boyutuna bağlı olarak) yatay bir kesi kullanarak patellar tendonu kesin (Şekil 2A).
    2. Ayrılmış patella tendonunu forseps ile tutun. V şeklinde iki önden arkaya kesim yapın (Şekil 2B, C). Bu kesimler patellayı serbest bırakmalıdır.
      NOT: Eklem açılmaya başladığında, ön çapraz bağ (ACL), arka çapraz bağ (PCL), medial kollateral ligament (MCL), lateral kollateral ligament (LCL) ve menisküsün kopmamasına dikkat edin.
    3. Patellayı eklemin arkasında döndürün veya eklemden tamamen çıkarın. Sinovyumu açığa çıkarmak için eklemin medial ve lateral taraflarındaki sinovyal zara yüzeysel dokuyu dikkatlice çıkarın.
    4. Bir neşter bıçağı kullanarak, ilgilenilen sinovyum bölgesinin ana hatlarını izleyin. Forseps kullanarak, sinovyumun bir ucunu kavrayın ve sinovyum distalini altta yatan kemiğe germek için yavaşça kaldırın. Sinovyumu kemikten çıkarmak için bir neşter bıçağı kullanın (Şekil 2D, E).
    5. Dokuyu uygun kültür ortamına veya test banyosu çözeltisine yerleştirin. Synovium eksplant, istenen bir deney için kültürlenebilir veya test için monte edilebilir ve kullanılabilir.
      NOT: Kültür ortamı/test banyosu çözümleri, bir araştırma grubunun tercihine bağlı olarak değişebilir. Bu çalışmada kullanılan ısmarlama olanlar için lütfen Malzeme Tablosu'na bakınız.
  3. Genç sığır kıkırdağını (femoral tıkaçlar ve tibial şeritler) hasat edin.
    1. ACL, PCL, MCL ve LCL'yi keserek femuru tibiadan ayırın. Femoral kondil kıkırdağını dilimlememeye veya menisküsten tibial platoya dilimlememeye dikkat edin. Ayrılan dokuları diseksiyon için kendi tutucularına yerleştirin (femur için adım 2.3.2 ve tibia için adım 2.3.3).
    2. Femuru bir halka standı kullanarak sabitleyin. İstenilen şekil ve büyüklükte bir biyopsi punch kullanarak, aleti kemiğe ulaşana kadar femoral kondil eklem kıkırdak yüzeyine normal şekilde sürün (Şekil 3A).
      1. Zımbayı soldan sağa ve ileri arkaya doğru hareket ettirerek fişin kemikle bağlantısını gevşetin. Bunu zımbayı çıkarmadan yapın.
        NOT: Kemik kıkırdaktan ayrılırken çatırtı sesleri duyulabilir.
      2. Zımbayı ve dolayısıyla fişi altta yatan kemikten çıkarın (Şekil 3B). Gerekirse, kondil üzerinde kalan dokunulmamış konumlar için 2.3.2, 2.3.2.1 ve 2.3.2.2 adımlarını yineleyin.
        NOT: Femoral fişin bir test tabanına monte edilmesine hazırlık olarak, fişin derin tarafının düz tıraş edilmesi gerekebilir. Bu bir kutu kesici veya neşter ile yapılabilir.
      3. Dokuyu uygun kültür ortamına veya test banyosu çözeltisine yerleştirin. Femoral tıkaç, istenen bir deney için kültürlenebilir veya test için monte edilebilir ve kullanılabilir.
    3. Tibiayı ayarlanabilir bir tutucuya sabitleyin (bkz. Kıkırdak yüzeyiyle temastan kaçınırken menisküsü dikkatlice çıkarın (Şekil 4A).
      1. Tibial platonun dış kenarlarında, kemiğe doğru kıkırdağa dik kesmek için bir kutu kesici kullanın. Düz kenarlar / yanlar yapmak için kıkırdak boyunca tamamen kesin (Şekil 4B). Her tibial plato kenarından yaklaşık 2 mm uzakta kesime başlayın ve fazla dokuyu çıkarın. Kıkırdağın iç kenarlarını puanlayın (Şekil 4C).
        NOT: Bu noktada, tibial platonun dış kenarlarındaki kıkırdağın altında kemiğin görünür olması gerekir.
      2. Dış kenarlarda, kemik ve kıkırdak arasındaki arayüzde temiz bir kesim yapmak için kutu kesiciyi kullanın (Şekil 4D).
        NOT: Kesim, kıkırdak yüzeyine paralel ve yaklaşık 5 mm içeriye, kıkırdak ve kemiği ayırmaya başlayacak kadar derin olmalıdır.
      3. Tibial şeridi plato yüzeyinden çıkarmak için, adım 2.3.3.2'de yapılan kesimin altına yavaşça düz başlı bir tornavida yerleştirin. Eklem kıkırdağını subkondral kemikten gevşetmek için tornavidayı yavaşça döndürün (Şekil 4E).
        NOT: Kemik kıkırdaktan ayrılırken çatırtı sesleri duyulabilir.
      4. Numune gevşedikçe, kıkırdak şeridi kemikten ayrılana kadar tornavidayı yavaşça ileri doğru itin. Tornavidayı kemiğe doğru itin, kıkırdağa doğru değil. Tibial plato eklem kıkırdağı altta yatan kemikten tamamen çıkarılana kadar bu işlemi birden fazla yerde tekrarlayın (Şekil 4F).
      5. Bir kutu kesici kullanarak, istenen boyut ve kalınlıkta dikdörtgen örnekler üretmek için tibial plato yüzeyini kesin.
        NOT: Bu çalışma için 10 mm x 30 mm şeritler kesilmiştir, ancak bu boyut istenen deney ve test kurulumuna göre değiştirilebilir.
      6. Dokuyu uygun kültür ortamına veya test banyosu çözeltisine yerleştirin. Tibial şerit, istenen bir deney için kültürlenebilir veya test için monte edilebilir ve kullanılabilir.
      7. Gerekirse, ikinci tibial plato için 2.3.3.1-2.3.3.6 adımlarını tekrarlayın.
  4. Aşağıdaki adımları izleyerek sinovyum ve kıkırdak monte edin.
    1. İsterseniz, test etmek için bir tibial şerit örneği seçin.
      NOT: Şerit, alt karşı yüz olarak test edilebilir.
      1. Çıkarılabilir manyetik tabanı çıkarın (bkz. Malzeme Tablosu) ve çıkarılabilir tabanın üst yüzeyine 60 mm çapında bir Petri kabı yapıştırın.
      2. Petri kabı yerine yapıştırılmışken, çıkarılabilir tabanı sabit tabana takın ve kayan bir yönü belirtmek için Petri kabını işaretleyin.
      3. Yemeğin ortasına az miktarda siyanoakrilat uygulayın (bkz. Tibial şeridi sahnenin kayan yönüyle hizalayın (Petri kabı üzerindeki 2.4.1.2'deki işaretle gösterildiği gibi). Kıkırdak şeridini yavaşça kabağın üzerine bastırın. Kıkırdak yüzeyini çizmemeye dikkat edin.
        NOT: Bir emme aleti (bkz. Malzeme Tablosu), sürtünme testi yapılacak yüzeye zarar vermeden kıkırdağa hafif basınç uygulayabilir.
      4. Çıkarılabilir manyetik tabanı (bağlı kıkırdak şeridi ile) sürtünme test cihazındaki eşleştirilmiş manyetik sabit tabanına geri yükleyin. Petri kabını istenen test banyosu çözeltisiyle doldurun. Test banyosu çözeltisi kıkırdağı tamamen örtmelidir.
    2. İstenirse, test etmek için bir femoral kıkırdak tıkacı seçin.
      NOT: Fiş, alt veya üst karşı yüz olarak test edilebilir.
      1. Femoral kondil alt karşı yüz olarak kullanılıyorsa, çıkarılabilir manyetik tabanı çıkarın ve çıkarılabilir tabanın üst yüzeyine 60 mm çapında bir Petri kabı yapıştırın.
        1. Yemeğin merkezine az miktarda siyanoakrilat uygulayın. Kıkırdak tapasını yavaşça kabağın üzerine bastırın.
          NOT: Bir emme aleti, sürtünme testi yapılacak yüzeye zarar vermeden kıkırdağa hafif basınç uygulayabilir.
        2. Çıkarılabilir manyetik tabanı (bağlı kıkırdak tapalı) sürtünme test cihazındaki eşleştirilmiş manyetik sabit tabanına geri yükleyin. Petri kabını istenen test banyosu çözeltisiyle doldurun. Test banyosu çözeltisi kıkırdağı tamamen örtmelidir.
      2. Femoral kıkırdak üst karşı yüz olarak kullanılıyorsa, yükleme plakasını ve destek çubuğunu sürtünme test cihazından çıkarın. Gerekirse, mevcut plakayı çıkarın ve kıkırdak montajı için uygun yeni bir plaka seçin.
        1. Plaka yüzeyine az miktarda siyanoakrilat uygulayın. Kıkırdak tapasını plakanın üzerine yavaşça bastırın.
          NOT: Bir emme aleti, sürtünme testi yapılacak yüzeye zarar vermeden kıkırdağa hafif basınç uygulayabilir.
        2. Yükleme plakasını (bağlı kıkırdak tapası ile) ve destek çubuğunu sürtünme test cihazına geri yükleyin. Yükleme plakasının dikey yüksekliğini, kıkırdak tapası alt karşı yüzeyin üzerinde duracak ve test banyosuna batırılacak şekilde ayarlayın. Gerekirse daha fazla test banyosu çözeltisi ekleyin.
    3. İsterseniz, test edilecek sinovyum örneğini seçin.
      NOT: Sinovyum, alt veya üst karşı yüz olarak test edilebilir.
      1. Sinovyum alt karşı yüz olarak kullanılıyorsa, çıkarılabilir manyetik tabanı çıkarın ve çıkarılabilir tabanın üst yüzeyine 60 mm çapında bir Petri kabı yapıştırın.
        1. İstenilen çapta, özel olarak işlenmiş dairesel bir akrilik-silikon direği kabın merkezine yapıştırın.
        2. Forseps kullanarak, sinovyumu direğin üstüne yerleştirin. Sinovyumu güvence altına almak için, çevresine bir O-ring (bakınız Malzeme Tablosu) yayın.
        3. Forseps kullanarak, öğretilen dokuyu germek ve O-ringin altında düz tutmak için sinovyumu yavaşça çekin. Fazla dokuyu cerrahi makasla kesin.
        4. Çıkarılabilir manyetik tabanı (synovium takılıyken) sürtünme test cihazındaki eşleştirilmiş manyetik sabit tabanına geri yükleyin. Petri kabını istenen test banyosu çözeltisiyle doldurun. Test banyosu çözeltisi sinovyumu tamamen örtmelidir.
      2. Sinovyum üst karşı yüz olarak kullanılıyorsa, yükleme plakasını ve destek çubuğunu sürtünme test cihazından çıkarın. Gerekirse, mevcut plakayı çıkarın ve sinovyum montajı için uygun yeni bir dairesel plaka seçin.
        1. Forseps kullanarak, sinovyumu dairesel plakanın üzerine yerleştirin. Sinovyumu güvence altına almak için, çevresine bir O-ring yayın.
        2. Forseps kullanarak, öğretilen dokuyu germek ve O-ringin altında düz tutmak için sinovyumu yavaşça çekin. Fazla dokuyu cerrahi makasla kesin.
        3. Yükleme plakasını (bağlı sinovyum ile) ve destek çubuğunu sürtünme test cihazına geri yükleyin. Yükleme plakasının dikey yüksekliğini, sinovyum alt karşı yüzeyin üzerinde duracak ve test banyosuna batırılacak şekilde ayarlayın. Gerekirse daha fazla test banyosu çözeltisi ekleyin.

3. Sürtünme testi

NOT: Bu testler için özel bir LabVIEW programı ve ilgili donanım (bkz: Ek kodlama dosyaları) kullanılır. Özel kodun LabVIEW 2010 üzerinde oluşturulduğunu ve aynı eski sürümde korunduğunu lütfen unutmayın. Sonuç olarak, kod yazılımın en son sürümüyle ileriye dönük olarak uyumlu olmayabilir. Aşağıdaki düğme ihtarları ve kullanıcı arabirimi başvuruları yalnızca özel kodla ilgili olacaktır. Farklı bir yazılım sürümüyle çalışıyorsanız, kod değiştirilerek benzer bir özel program yazılabilir.

  1. Monte edilmiş numuneleri (adım 2.4) sürtünme test cihazına yerleştirin.
    NOT: Numunelerin test banyosu çözeltisine batırılması gerekir, ancak birbirleriyle temas halinde olmamalıdır.
  2. Yazılım programını açın ve test parametrelerini belirtin: aşama hızı, aşama ivmesi, hareket yolu (mesafe) ve test süresi (Şekil 5).
    1. Programdaki üç pencereyi açın: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID ve Trigger Dynamic Caller.
    2. Analog Data Build MFDAQ penceresini Çalıştır (beyaz ok) düğmesine basarak çalıştırın.
    3. Yükle PID'yi Başlat penceresini Çalıştır (beyaz ok) düğmesine basarak çalıştırın.
    4. Dinamik Arayanı Tetikle penceresindeki Adım sekmesine gidin. Kullanıcı giriş kutularında çeviri aşamasının ivmesini, hızını ve mesafesini belirtin.
      NOT: Mesafe değeri, aşınma izini yarı uzunlukta ayarlar. Başka bir deyişle, sahne alanı belirtilen sıfır konumundan (adım 3.5) hem pozitif hem de negatif x yönlerinde ayarlanan mesafe değerine geçecektir.
    5. Step sekmesinde, Step Time Index dosya yolunu seçerek test süresini belirtin. Time-State tablosunun sağ alt köşesindeki Klasörü aç düğmesine tıklayın ve dosyayı seçin.
    6. Test süresini Ses Bobini sekmesinde de belirtin. Dinamik Arayanı Tetikle penceresindeki Ses Bobini sekmesine gidin. Adım 3.2.5'e benzer şekilde, Zaman Durumu tablosunun sağ alt köşesindeki Klasörü aç düğmesine tıklayarak Ses Bobini Dizini dosya yolunu seçin ve dosyayı seçin. Süre, Step sekmesininkiyle eşleşmelidir.
  3. Normal yükü reçete edin. Ölü ağırlıklar kullanıyorsanız, yükleme plakasının üzerindeki lineer yataklara istediğiniz ağırlıkları yerleştirin. Uygulanan yükün artı yükleme plakasının ve destek çubuğunun ağırlığının, yük hücresi nominal kapasitesini aşmadığından emin olun.
  4. Dosyaya Yaz? kutusunun sağındaki klasörü aç düğmesini kullanarak veri depolama yolunu ve dosya adını seçin. Dosyayı ".txt" uzantısıyla kaydedin.
  5. Alt tezgah yüzeyini üst karşı yüzün altına ortalayın. Bunu sıfır x konumu olarak ayarlayın.
    1. Dinamik Arayanı Tetikle penceresini Çalıştır (beyaz ok) düğmesine basarak çalıştırın. Step sekmesinde, sahne alanını son kaydedilen sıfır x konumuna taşımak için Ana Sayfa düğmesine tıklayın.
    2. Karşı yüzler hizalanmazsa, yeşil sol ve sağ ok düğmelerine tıklayarak sahne alanını hareket ettirin. İstenilen konuma ulaşıldığında, geçerli sahne alanı konumunu yeni sıfır x konumu olarak kaydetmek için Sıfır düğmesine tıklayın. Dinamik Arayanı Tetikle penceresini Durdur düğmesine tıklayarak durdurun .
      NOT: Sahne alanı konumu yalnızca Dinamik Arayanı Tetikle penceresi çalışırken kaydedilebilir, ancak sahne alanı henüz program tarafından belirtildiği gibi hareket etmemektedir. 3.5.1 adımında Çalıştır (beyaz ok) düğmesine basmak, sahne alanı hareket etmeye başlamadan önce 15 saniyelik bir zaman dilimi başlatır. Sahne alanını taşımak ve istenen sıfır konumunu kaydetmek için bu 15 saniyelik zaman dilimini kullanın.
    3. İlk denemede istenen sıfır x konumu elde edilmezse, adım 3.5.1'i tekrarlayın.
      NOT: Kullanıcı alt karşı yüzü üst karşı yüzün altına doğru hareket ettirirken sahne alanı konumunu kaydetmek için aralıklı olarak Sıfır düğmesine basmak yardımcı olabilir. Ana Sayfa düğmesine tıklamanın sahne alanını Sıfır düğmesiyle kaydedilen son konuma taşıyacağını unutmayın.
  6. Üst ve alt sayaçlar ortalandıktan sonra, sahnenin döngüsel hareketini başlatarak numunelerin sürtünme testini başlatın. Bunu yapmak için, Çalıştır (beyaz ok) düğmesine basarak Dinamik Arayanı Tetikle penceresini çalıştırın.
  7. Sahne alanı hareket ettikten sonra, üst tezgahı yavaşça alt yüzle temas ettirin.
    NOT: Uygulanan yük değeri, yazılım penceresinde Fz gerçek zamanlı grafiği görüntülenerek doğrulanabilir (Şekil 5A).
  8. Sürtünme testi verilerini toplayarak testin çalışmasına izin verin.
    NOT: Adım 3.5 sırasında kaydedilen tüm verilerin üzerine yazılır. Gerçek zamanlı histerezis Tetikleyici Dinamik Arayan penceresinde görüntülenebilir (Şekil 5C).
  9. İstenilen test süresinden sonra, Durdur düğmesine basarak testi durdurun ve üst karşı yüzü kaldırıp alt karşı yüzle temas etmeyecek şekilde hareket ettirerek numuneleri boşaltın.

4. Veri işleme

NOT: veri işleme için özel bir MATLAB programı kullanılır (bkz: Ek kodlama dosyaları). Kod, özel LabVIEW kodu tarafından belirtilen çıktı dosyalarını çağırır.

  1. Döngü başına sürtünme katsayısını ve sürünme yer değiştirmesini (zamana bağlı doku deformasyonu) hesaplamak için özel kodu kullanın.
    1. İlgili tüm kodların aynı klasöre kaydedildiğinden emin olun: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" ve "frictioncycle_run.m".
      NOT: Bu MATLAB kodları, yukarıda belirtilen LabVIEW kodundan belirli çıktılarla kullanılmak üzere yazılmıştır. Kullanıcı kendi kodunu oluşturduysa veya burada açıklanan kodda değişiklikler yaptıysa, MATLAB komut dosyalarının bu değişikliklere uyum sağlayacak şekilde düzenlenmesi gerekebilir.
    2. frictioncycle_run.m dosyasını açın. Koddaki Çalıştır (yeşil ok) düğmesine tıklayın. Analiz edilecek ham veri dosyasını ve istediğiniz MATLAB çıktı kaydetme konumunu seçin.
      NOT: Yazılım, test süresine bağlı olarak verileri işlemek için birkaç dakika sürebilir.
  2. İstenirse, test banyosu çözeltisinin test edilen eksplantları ve alikotları üzerinde standart doku değerlendirmeleri ve medya analizleri yapın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Genç sığır eksplantlarını sürtünme testi için kıkırdak üzerinde bir sinovyum konfigürasyonu kullanıldı. Sinovyum, 10 mm çapında bir akrilik yükleme plakası üzerine monte edildi, böylece intimal tabaka altta yatan kıkırdakla temas halinde olacaktı. Kıkırdak karşı yüzü olarak tibial şerit kullanıldı (Şekil 6A). Tibial şeritler yaklaşık 1,4 mm derinlikte ve 10 mm x 30 mm boyutlarında kesildi. Numuneler, fosfat tamponlu salin (PBS) banyosunda veya sığır sinovyal sıvısı (SF) banyosunda 37 ° C'de 1 saat boyunca test edildi. SF banyosu 50/50 PBS ve sığır SF karışımından oluşuyordu. Sahne ivmesi 100 mm/s 2, sahne hızı 1 mm/s ve sahne yolu mesafesi2.5 mm 6,9,42 idi. Ölü ağırlıklar, 180, 230 ve 300 kPa 11,43'lük temas gerilimlerine neden olan çeşitli normal yükleri uygulamak için kullanıldı.

Bir saat sonra dokular boşaltıldı ve sürtünme katsayıları değerlendirildi. μ etkili bir sürtünme katsayısı, her bir pistonlu döngü boyunca Ft / Fn ortalamasından hesaplandı ve daha sonra sürtünme katsayısı vs elde etmek için test süresine göre çizildi. zaman grafiği (Şekil 6B). Her test için, μ değerlerinin ortalaması tüm test boyunca (tüm döngüler) ortalama μelde edildi. PBS test banyosunda, temas gerilimi arttıkça μortalama değerleri de artmıştır. μ ortalaması, PBS 180 kPa'da 0,015'ten 0,005'±, 230 kPa'da 0,005'± 0,019'a, 300 kPa'da 0,022'± 0,010'a yükseldi. Tersine, μortalama değerleri, SF banyosunda temas gerilimi arttıkça benzer kalmıştır (Şekil 6C). μ ortalaması, SF 180 kPa'da 0,013 ± 0,002, 230 kPa'da 0,011 ± 0,001 ve 300 kPa'da 0,011 ± 0,001 idi.

Genel olarak, sonuçlar sürtünme test cihazının karşılıklı kayma ve normal yükü iki biyolojik karşı yüze eşzamanlı olarak uygulama yeteneğini göstermektedir. Bu çalışmada, bir SF banyosunda test edilen kıkırdak üstü sinovyum numuneleri, temas stresi arttığında sürtünme katsayısında bir artış göstermemiş, böylece SF'nin bir sınır yağlama mekanizması aracılığıyla eklemin düşük aşınma ve düşük sürtünme özelliklerine katkıda bulunduğu fikrini desteklemiştir.

Figure 1
Şekil 1: İki eksenli özel sürtünme test cihazının şeması (solda) ve Petri kabında yüklü numunenin enine kesiti (sağda). Aşama, kayma hareketini indükleyen ve alt temas yüzeyinin üstten temas eden yüzeye karşı eklemlenmesine neden olan bir motora bağlanır. Yük hücresi gerçek zamanlı yük ölçümlerini toplarken, yükleme aşaması lineer kodlayıcı gerçek zamanlı sürünme yer değiştirme ölçümlerini toplar. Şekil, Referans10'un izniyle değiştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Sığır sinovyum hasadı . (A) Patellar tendon, tibiadan daha üstün yatay bir kesi kullanılarak kesilir. (B,C) Patella, V şeklinde iki önden arkaya kesim (noktalı çizgiler) yapılarak çıkarılır. (D) Sinovyumun ana hatları bir neşter bıçağı ile izlenir. (E) Sinovyum daha sonra altta yatan kemiğe distal olarak gerilir ve çıkarılır. Ölçek çubuğu = 5 cm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Sığır femur kıkırdak tıkacı hasadı . (A) Keme ulaşana kadar femoral kondil eklem kıkırdak yüzeyine normal olarak 15.9 mm çapında biyopsi punchı yerleştirilir. (B) Zımba ve fiş çıkarılır. Ölçek çubuğu = 16 mm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Sığır kıkırdak tibial şerit hasadı . (A) Menisküs tibial platodan çıkarılır. (B) Plato kenarları düz kenarlar (giriş) oluşturacak şekilde kesilir. (C) Platonun içi bir şerit oluşturmak için puanlanır. (D) Kıkırdak-kemik arayüzünde bir kesim yapılır. (E) Kesimin altına bir tornavida yerleştirilir. (F) Şerit çıkarılır. Ölçek çubuğu = 10 mm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: LabVIEW kullanıcı arabirimi. Özel program, sahne ivmesi, aşama hızı, seyahat yolu ve test süresi gibi çeşitli test parametrelerini kontrol etmeyi sağlar. (A) Gerçek zamanlı uygulanan yük grafiği (Fzvs. Fz'nin normal yük Fn olduğu yerde t), (B) step pozisyonu (uxvs. t) ve (C) histerezis grafiği (Fx vs. u x, burada F xteğetsel kuvvet Ft) gösterilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.  

Figure 6
Şekil 6: Sinovyum-kıkırdak sürtünme ölçümleri . (A) Tibial kıkırdak şeridi üzerinde yavru sığır sinovyumu (inset) için yapılandırılmış sürtünme test cihazı. (B) Zaman grafiğinin bir fonksiyonu olarak temsili sürtünme katsayısı (μ). (C) Fosfat tamponlu bir salin (PBS, kapalı daire) veya sığır sinovyal sıvısı (SF, açık daire) banyosunda çeşitli temas gerilmeleri (180 kPa, mavi; 230 kPa, kırmızı; 300 kPa, yeşil) için sürtünme katsayısı. Hata çubukları standart sapma ile ortalamadır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 7
Şekil 7: Sürtünme biyoreaktörü. (A) Sabit üst karşı yüzleri ve hareketli alt karşı yüzleri olan sürtünme biyoreaktörünün şeması. (B) Bir yan görünüm ve (C) kıkırdak üzerinde sinovyum konfigürasyonunda fizyolojik kayma uygulayan biyoreaktörün alt görünümü. (D) Biyoreaktör, bir doku kültürü inkübatörünün içine yerleştirilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Kodlama Dosyaları. Bu dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kıkırdak basınç, çekme ve kesme kuvvetlerine ve hidrostatik ve ozmotik basınçlara maruz kaldığı için eklem içinde dinamik bir mekanik ortam bulunur44,45. Kıkırdak, eklemin ana yük taşıyan dokusu olmasına rağmen, sinovyum ayrıca kıkırdak yüzeyi ve dokunun katlandığı bölgelerde kendisiyle sürtünmeli etkileşimlere uğrar. Kıkırdak ve sinovyum arasındaki fiziksel etkileşimler muhtemelen hücrelerin aktarılmasından ve mezenkimal kök hücrelerin eklem ortamına salınmasından sorumludur ve (sınırlı) eklem kıkırdak onarım mekanizmalarına katkıda bulunmak için potansiyel bir hücre kaynağı sunar37,38,39,40. Hem kıkırdak hem de sinovyumun sürtünme özellikleri, doku aşınması yoluyla eklem bakımı ve dejenerasyonu için önemli etkilere sahiptir13. Karşılıklı çeviri hareketi ve basınçlı yükleme sağlayabilen bir cihaz, eklem homeostazı ve hastalık progresyonundan sorumlu mekanik ve mekanobiyolojik süreçleri incelemek için sunulmaktadır.

Test parametrelerinin seçimi ve numune montajı, protokolün iki kritik adımıdır. Cihaz, ölü ağırlıklar veya bir ses bobini aktüatörü ile bir basınç yükü uygular. Özel yazılım programı, test süresi, aşama hızı ve seyahat yolu gibi çeşitli parametreler üzerinde kontrol sağlar. Test süresi çok kısaysa bir sorun ortaya çıkabilir; bu durumda, kısa süre sürtünme katsayısının μ dengeye ulaşmasına izin vermez (μeq). μeq çıkışı isteniyorsa, kullanıcı doku davranışını sabit hale gelene kadar yakalayabilecek uygun bir test süresi seçmelidir. Numuneler, doku üzerindeki temas alanının büyüklüğüne bağlı olarak testten sonraki birkaç saat içinde dengeye ulaşabilir46. Test türü de dikkate alınmalıdır. Cihaz, kıkırdak sürtünme özellikleriniincelemek için sabit temas alanında ve hareketli temas alanı konfigürasyonlarında kullanılmıştır 5,6,9,11,12,47. Hareket yolu, aşama hızı ve iki karşı yüzün uyumu, istenen test modunu üretmek için manipüle edilebilir. Bir testin izlenmesine yardımcı olması için LabVIEW programı kullanıcı arabiriminde gerçek zamanlı grafikler oluşturulması önerilir. Yararlı grafikler yatay sahne alanı konumu ve karşılaştırmasını içerir. zaman, normal kuvvet vs zaman ve teğetsel kuvvete karşı. yatay sahne konumu (histerezis, Şekil 5C). Örneğin, öngörülen yükün tamamının uygulandığından emin olmak için üst karşı yüz yalnızca alt karşı yüzeyde durmalıdır. Uygulanan yük değeri, normal yük gerçek zamanlı grafiği görüntülenerek doğrulanabilir (Şekil 5A). Hatalı ölçümler sağlayacak doku kaymasını veya yırtılmasını önlemek için numunelerin montajı güvenli olmalıdır. Yanlış montaj nedeniyle sinovyum yırtılması, yanlış sürtünme katsayısına neden olacaktır, çünkü sinovyumun altındaki montaj yüzeyi açığa çıkacaktır. Bu hata, gerçek zamanlı histerezis eğrilerinin izlenmesiyle tespit edilebilir. Cihazın fonksiyonel özelliklerin gerçek zamanlı değerlendirmesi, diğer sürtünme test sistemlerinden farklıdır.

Tüm ham verilerin, istenen veri işleme yazılımı tarafından içe aktarılabilen ve işlenebilen bir dosyaya yazılması gerekir. En az 10 veri noktası/saniye frekansında veri toplanması ve ham verilerin .csv veya .txt bir dosyaya kaydedilmesi önerilir. Sürtünme katsayısı, her döngüdeki her bir konum için, t ve n'nin sırasıyla teğetsel ve normal kuvvetlere atıfta bulunduğu denklem Equation 1 kullanılarak ve burada + ve -sırasıyla 5. döngü başına ileri ve geri vuruşları ifade ederek hesaplanabilir. Bu formül, F-t işaretinin F+t'ninkinin tam tersi olduğunu kabul eder. Normal kuvvet (F n), uygulanan yüke paralel kuvvet olarak tanımlanırken (z-yönü, Şekil 1), teğetsel kuvvet (Ft) kaymaya paralel kuvvettir (x-yönü, Şekil 1). Döngü-ortalama sürtünme katsayısı, belirli bir döngüdeki tüm pozisyonlar için μ ortalaması alınarak hesaplanabilir. Sürünme yer değiştirmesi, üst tezgahın dikey yer değiştirmesini, ilk yer değiştirmenin sıfır olması ve sonraki yer değiştirmelerin ilk yer değiştirmeye göre ayarlanmasıyla hesaplanır. İstenirse, test banyosu çözeltisinin test edilmiş eksplantları ve alikotları üzerinde standart doku değerlendirmeleri ve ortam analizleri yapılabilir. Analizden önce, veri işleme veya normalleştirmede kullanılacak test banyosu hacminin kaydedilmesi önerilir.

Modüler karşı yüzler, çoklu test yapılandırmalarının uyarlanmasını sağlamıştır. Erken çalışmalar, kıkırdak tribolojisinde interstisyel sıvı yükü desteğinin rolünü aydınlatmak için kıkırdak üzerinde cam testi kullanmıştır 9,10. İnterstisyel sıvı basınçlandırmasının önemi, kıkırdak üzerinde kıkırdak ve kıkırdak için sabit ve göç eden temas alanı testlerinin cam11 ile karşılaştırılmasıyla daha da doğrulanmıştır. Oungoulian ve ark.6, eklem kıkırdağının hemiartroplastilerde kullanılan metal alaşımlarına karşı aşınma mekanizmasını değerlendirmiş ve 4 saat boyunca kayma temasının yarattığı gerilmelerin, yüzey altı yorulma yetmezliği nedeniyle delaminasyon aşınmasını kolaylaştırdığını göstermiştir. Bu çalışmayı, göç eden bir temas alanı konfigürasyonu altında sürtünme düşük kaldığında delaminasyon aşınmasının hala meydana gelebileceğini gösteren Durney ve ark.5 izledi. Son zamanlarda, Estell ve ark.13, sinovyumun sürtünme özelliklerini, altta yatan dokularla (kıkırdak ve sinovyum) doğal etkileşimleri taklit eden test koşullarında ve osteoartritik bir durumu taklit eden koşullarda (kıkırdak aşınma parçacıkları ile seyreltilmiş sinovyal sıvı banyosu) ilk kez bildirmiştir. Nihayetinde, sürtünme test cihazının tasarım esnekliği, kıkırdak ve sinovyum tribolojisinin daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunan çok çeşitli deneylerin yapılmasına izin vermiştir.

Mevcut sistemin bir sınırlaması, sadece birkaç saat boyunca aseptik test koşullarını koruyabilmesidir. Bu, akrilik muhafaza , otoklavla ortamla temas eden bileşenlerin sterilize edilmesi ve test cihazının% 70 etanol ile püskürtülmesi yoluyla elde edilir. Akrilik muhafaza ayrıca bir ısıtma elemanı ve sabit sıcaklık izleme yetenekleri içerir. Isıtma elemanı, kutu içindeki havayı ısıtır, iç ortamın sıcaklığını kontrol eder ve numunelerin dış ortama maruz kalmasını önlemek için harici olarak kontrol edilebilir. Aseptik koşullar, numunelerin steril bir biyolojik güvenlik kabininde (BSC) toplanması ve numunelerin BSC içinde destek çubuğu ve sabit taban ile arayüz oluşturabilen steril bir kap içinde birleştirilmesiyle daha da elde edilebilir. Uzun süreli çalışmalar için, akrilik muhafaza daha steril bir ortam sağlamak için gerekli malzemelerle donatılabilir (ultraviyole ışık, uygun hava akışı ve filtreleme ve kendi kendini düzenleyen sıcaklık kontrolü). Diğer bir sınırlama, mevcut sürtünme test cihazının tek bir üst ve alt karşı yüzeyi test edecek şekilde yapılandırılmış olmasıdır. Çok örnekli bir karşı yüz yaklaşımı, yükleme plakası ve çıkarılabilir taban tasarımını değiştirerek, mevcut sürtünme test cihazını, kıkırdak üzerine kıkırdak ve kıkırdak üzerine sinovyum fizyolojik yüklemesini uygulamak için çok kuyulu kapasiteye sahip bir biyoreaktöre dönüştürerek elde edilebilir. 6 delikli bir plaka kullanılarak çalışan bir prototip oluşturulmuştur (Şekil 7). Tasarım, üst ve alt karşı yüzleri istenildiği gibi modüle etme yeteneğini saklı tutar. Plakanın üst kısmı sabittir ve bir doku kültürü inkübatör rafına sabitlenirken, plakanın alt kısmı bir çeviri aşamasına tutturulur. Mevcut sürtünme test cihazına benzer şekilde, normal bir yük reçete etmek için ölü ağırlık eklenebilir. Biyoreaktör steril bir ortamda, yükleme rejimlerine biyolojik tepkileri değerlendirmek için zaman içinde ortam örneklenebilir. Bir sonraki tasarım yinelemesi, bilgisayar kontrollü çeviri içeren bağımsız bir biyoreaktör oluşturmaya çalışacaktır. Sürtünme test cihazının karmaşıklığı biyoreaktörde korunacak olsaydı, doku mekanik ve mekanobiyolojik özelliklerindeki değişiklikler uzunlamasına ölçülebilirdi.

Karşılıklı çeviri hareketinin ve normal yükün iki temas eden biyolojik karşı yüze iletilmesi üzerinde kontrol sağlayan bir sürtünme test cihazı tanımlanmıştır. Bu çalışmada, cihazın modülerliğini ve canlı dokuların sürtünme tepkilerini inceleme yeteneğini göstermek için kıkırdak üzerinde bir sinovyum konfigürasyonu kullanılmıştır. Temsili sonuçlar, diartrodial eklemin aşınmasını ve sürtünmesini azaltmak için sınır yağlaması sağlamada sinovyal sıvının rolünü yeniden doğrulamıştır. Cihaz, toplu sürtünmeden mekanotransdüksiyona kadar çok ölçekli deneylerin yürütülmesine izin verir. Tasarım birkaç saat steril koşullar altında çalışabilir ve eklemin sıkıştırıcı kaymasını özetlemek için uzun süreli bir biyoreaktöre dönüştürülebilir, böylece biyomekanik, mekanobiyoloji ve canlı eklem dokularının fiziksel düzenlemesinin incelenmesini kolaylaştırır. Gelecekteki çalışmalar, sağlıklı ve hastalıklı fiziksel ortamların eklem bakımını nasıl etkilediğini anlamaya katkıda bulunacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Acknowledgments

Bu çalışma Ortopedik Bilimsel Araştırma Vakfı, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 ve NIGMS R01 692 GM083925 (Fon Sağlayıcı Kimliği: 10.13039/100000057) tarafından desteklenmiştir.

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

Biyomühendislik Sayı 184
Sinovyal Eklem Biyomekaniği, Mekanobiyoloji ve Fiziksel Regülasyon Çalışmaları için Bir Sürtünme Testi-Biyoreaktör Cihazı
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