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 friksjonstesting-bioreaktorenhet for studie av synovial leddbiomekanikk, mekanobiologi og fysisk regulering

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

Den nåværende protokollen beskriver en friksjonstestingsenhet som bruker samtidig gjensidig glidende og normal belastning på to kontaktende biologiske motsnitt.

Abstract

I primær slitasjegikt (OA) hemmer normal slitasje forbundet med aldring brusk evnen til å opprettholde sine bærende og smørefunksjoner, og fremmer et skadelig fysisk miljø. Friksjonssamhandlinger av leddbrusk og synovium kan påvirke ledd homeostase gjennom vevsnivå slitasje og cellulær mekanaltransduksjon. For å studere disse mekaniske og mekanobiologiske prosessene, beskrives en enhet som er i stand til å gjenskape leddets bevegelse. Friksjonstestingsenheten styrer leveringen av gjensidig oversettelsesbevegelse og normal belastning til to kontaktende biologiske motsnitt. Denne studien vedtar en synovium-på-bruskkonfigurasjon, og friksjonskoeffisientmålinger presenteres for tester utført i et fosfatbufret saltvann (PBS) eller synovialvæske (SF) bad. Testingen ble utført for en rekke kontaktspenninger, og fremhevet smøreegenskapene til SF under høye belastninger. Denne friksjonstestingsenheten kan brukes som biomimetisk bioreaktor for å studere fysisk regulering av levende leddvev som svar på anvendt fysiolog belastning forbundet med diartropiell leddartikulasjon.

Introduction

Slitasjegikt (OA) er en svekkende, degenerativ leddsykdom som rammer mer enn 32 millioner amerikanske voksne, med en helse- og sosioøkonomisk kostnad på over $ 16,5 milliarder1. Sykdommen har klassisk vært preget av nedbrytning av leddbrusk og subkondralben; Imidlertid har endringer i synovium nylig fått takknemlighet da synovitt har vært knyttet til OA-symptomer og progresjon 2,3,4. I primær (idiopatisk) OA hemmer normal slitasje forbundet med aldring brusk evnen til å opprettholde sine bærende og smørefunksjoner. Påkjenningene som genereres ved langvarig skyvekontakt av leddbrusklag eller glidende kontakt av brusk mot implantatmaterialer, har vist seg å lette delamineringsslitasje gjennom tretthetssvikti undergrunnen 5,6. Som et dynamisk mekanisk miljø eksisterer innenfor ledd 7,8, friksjonsinteraksjoner av leddbrusk og synovium kan påvirke felles homeostase gjennom vevsnivå slitasje og cellulær mekanotransduksjon. For å studere disse mekaniske og mekanobiologiske prosessene er en enhet designet for å gjenskape leddets bevegelse med tett kontroll over kompresjons- og friksjonsbelastning 5,6,9,10,11,12,13.

Den nåværende protokollen beskriver en friksjonstestingsenhet som leverer gjensidig, oversettende bevegelse og kompresjonsbelastning til kontaktflater av levende vevsutvidere. Den datastyrte enheten tillater brukerkontroll av varigheten til hver test, anvendt belastning, bevegelsesområde for oversettelsesstadiet og oversettelseshastigheten. Enheten er modulær, noe som muliggjør testing av ulike motsnitt, for eksempel vev-på-vev (brusk-på-brusk og synovium-på-brusk) og vev-på-glass. I tillegg til de funksjonelle målingene oppnådd av testeren, kan vev og smørebadkomponenter vurderes før og etter testing for å evaluere de biologiske endringene som er gitt av et gitt eksperimentelt regime.

Studier av brusktribologi har blitt utført i flere tiår, og flere teknikker er utviklet for å måle friksjonskoeffisienter mellom brusk og glass og brusk på brusk14,15. De ulike tilnærmingene er motivert av leddet og/eller smøremekanismen av interesse. Det er ofte en avveining mellom kontroll av eksperimentelle variabler og recapitulation av fysiologiske parametere. Pendel-stil enheter bruker intakte ledd som fulcrum av en enkel pendel der en felles overflate oversettes fritt over den andre overflaten 14,16,17,18. I stedet for å bruke intakte ledd, kan friksjonsmålinger oppnås ved å skyve bruskplanter over ønskede overflater 14,19,20,21,22,23,24,25. Rapporterte friksjonskoeffisienter av leddbrusk har variert over et bredt spekter (fra 0,002 til 0,5) avhengig av driftsforholdene14,26. Enheter er opprettet for å gjenskape roterende bevegelse 23,27,28. Gleghorn et al.26 utviklet et multi-brønn tilpasset tribometer for å observere brusksmøringsprofiler ved hjelp av Stribeck-kurveanalyse, og en lineær oscillatorisk glidebevegelse ble påført mellom brusk mot et flatt glasstellersnitt.

Denne enheten tar sikte på å isolere friksjonsresponser og utforske mekanobiologien til levende vev under ulike belastningsforhold. Enheten benytter et forenklet testoppsett som simulerer leddartikulasjon gjennom kompressiv glidning, noe som kan tilnærme både rullende og glidende bevegelse med forståelsen av at motstanden i ren rullende bevegelse er ubetydelig i forhold til den målte friksjonskoeffisienten til leddbrusk29. Opprinnelig bygget for å studere effekten av interstitiell væsketrykk på friksjonsresponsen til leddbrusk9, har testeren siden blitt brukt til å utforske emner som friksjonseffekter av å fjerne den overfladiske sonen brusk10, smøreeffekter av synovialvæske11, brusk slitasje hypoteser 5,6,30, og synovium-on-tissue friksjonsmålinger13 . Den friksjonstestende bioreaktoren kan utføre friksjonseksperimenter under sterile forhold, og gir en ny mekanisme for å utforske hvordan friksjonskrefter påvirker de mekanobiologiske responsene til levende brusk og synovium. Denne utformingen kan brukes som biomimetisk bioreaktor for å studere fysisk regulering av levende leddvev som svar på anvendt fysiolog belastning forbundet med diartropiell leddartikulasjon.

Denne studien presenterer en konfigurasjon for synovium-på-brusk friksjon testing over en rekke kontaktspenninger og i ulike smørebad. Det artikulerende overflatearealet i de fleste ledd er i stor grad synovialvev31. Selv om synovium-on-brusk glidende ikke forekommer på primære bærende overflater, kan friksjonsinteraksjonene mellom de to vevene fortsatt ha viktige implikasjoner for reparasjon av vevsnivå og cellemekanotransduksjon. Det har tidligere vist seg at fibroblasterlignende synoviocytter (FLS) som ligger på det skremmende laget av synoviumet, er mekanosensitive, og reagerer på væskeindusert skjærspenning32. Det har også blitt demonstrert at strekk33,34 og væskeindusert skjærspenning35 modulerer FLS smøremiddelproduksjon. Som sådan kan direkte glidekontakt mellom synovium og brusk gi en annen mekanisk stimulans til beboerceller i synoviumet.

Bare noen få rapporter om synoviumfriksjonskoeffisienter har blitt publisert31,36. Estell et al.13 forsøkte å utvide den forrige karakteriseringen ved å bruke biologisk relevante motsnitt. Med friksjonstestingsenhetens evne til å teste levende vev, er det mulig å etterligne fysiologiske vevsinteraksjoner under leddartikulasjon for å belyse rollen som kontaktskjærspenning på synoviocyttfunksjon og dets bidrag til krysstale mellom synovium og brusk. Sistnevnte har vært involvert i å formidle synovial leddbetennelse i leddgikt og post-skade. På grunn av den fysiske nærheten til brusk til synovium og synovialvæske, som inneholder synoviocytter som viser multipotent kapasitet, inkludert kondrogenese, er det postulert at synoviocytter spiller en rolle i brusk homeostase og reparasjon ved å engrafere til leddoverflaten. I denne sammenhengen kan fysisk kontakt og gjensidig skjæring av brusksynovium og synoviumsynovium øke tilgjengeligheten av synoviocytter til områder med bruskskade 37,38,39,40. Studier som bruker synovium-on-bruskkonfigurasjoner vil ikke bare gi innsikt i felles grovvevsmekanikk og tribologi, men de kan også føre til nye strategier for å opprettholde felles helse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Juvenile bovine kneledd, hentet fra en lokal abattoir, ble brukt til den nåværende studien. Studier med slike bovine prøveprøver er unntatt fra Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

1. Designe friksjonstestingsenheten

MERK: En skjematisk representasjon av friksjonstestingsenheten er vist i figur 1. Enheten er bygget på en stiv bunnplate (ikke vist), som fungerer som en plattform for strukturell støtte.

  1. Fest en steppermotor til det horisontale oversettelsesstadiet (se Materialfortegnelse), og opprett en toakset friksjonstestingsenhet som leverer gjensidig oversettelsesbevegelse til kontaktflater.
  2. Monter en fleraksial lastcelle på oversettelsesstadiet (se Materialfortegnelser). Den monterte veiecellen vil bli brukt til å måle normal belastning i z-retning (Fn), og tangentiell belastning i x-retning (Ft).
  3. Utstyr oversettelsesfasen med en lineær koder (se Materialfortegnelse) for å registrere den horisontale forskyvningen (ux) på scenen. Videre utstyr lastetrinnet med en lineær koder (se Materialtabell) for å registrere den vertikale forskyvningen (uz) på platen.
    MERK: Koderen for oversettelsesstadiet registrerer den relative tangentielle forskyvningen av kontaktflatene, og denne informasjonen brukes til å oppdage begynnelsen på hver nye syklus med gjengjeldende glidning.
  4. Konfigurer lasteplaten (øvre kontaktflate) som et glass-, brusk- eller synoviumtellersnitt. Koble platen til lastetrinnet via en gjenget støttestang.
  5. Fest en todelt magnetisk base til toppen av veiecellen (se Materialtabell): (1) en fast base som er permanent festet til veiecellen og (2) en flyttbar base som magnetisk kobles til den faste basen. Kontroller at de to delene danner en tett tilkobling.
    MERK: Den avtakbare basen holder det oversettende motsnittet (nedre kontaktflate).
  6. Foreskrive en normal belastning. Bruk dødvekt montert på lineære lagre over lasteplaten og støttestangen. Alternativt kan du angi en last ved hjelp av talespoleaktuatoren (se Materialtabell), som dynamisk kan laste inn den nederste kontaktflaten41.
  7. Hus enheten i et aluminiumsrammet akrylkabinett (se Materialfortegnelse) for å beskytte miljøet mot forurensning.
    MERK: Et tilpasset LabVIEW-program kontrollerer enheten (se Tilleggskodingsfiler) med brukerkontroll over varigheten til hver test, samt trinnreisebane, akselerasjon (retningsendring) og hastighet. Normal kraft, tangentiell kraft, sceneforskyvning og krypforskyvning overvåkes gjennom hele testen med maskinvare og programvare for datainnsamling (se Materialfortegnelse).

2. Prøvepreparering og montering

  1. Forbered deg på en steril vevshøst ved å følge trinnene nedenfor.
    MERK: Hvis en steril innhøsting ikke er ønskelig, går du videre til trinn 2.2.
    1. Steriliser metallverktøy i en autoklav. Spray skjøteholdere med 70% etanol og legg dem i det biologiske sikkerhetsskapet (BSC). Lukk skapet for en ultrafiolett (UV) syklus.
    2. Hent verktøyene fra autoklaven. Plasser verktøy, betadin, sterile skalpellblader og beger som inneholder 70% etanol i BSC.
    3. Inne i BSC åpner du verktøyene og plasserer dem i 70% etanolbeger. Fest skalpellbladene til skalpellhåndtakene.
    4. Forbered leddet til høsting. Spray utsiden av leddet med 70% etanol og pakk inn aluminiumsfolie i 30 min. Pass på at du ikke bryter leddkapselen.
      MERK: Juvenile bovin kneledd ble mottatt med lårbenet og tibia kuttet ca 15 cm overlegen og dårligere enn leddet for å sikre en intakt kapsel.
    5. Etter 30 min plasserer du den innpakkede skjøten inne i BSC. Åpne folien og fest skjøten til holderen. Dekk leddet i betadin ved å tørke av betadinet forsiktig over leddoverflaten.
      MERK: Se henholdsvis trinn 2.2 og trinn 2.3 for synoviumspesifikke instruksjoner og bruskspesifikke instruksjoner.
  2. Høst det juvenile bovinsynoviumet ved å følge trinnene nedenfor.
    1. Fest tibiofemoralleddkapselen ved hjelp av et ringstativ (se Materialbord) med den fremre siden vendt mot disektoren. Bruk tang og et skalpellblad, kutt patellar-senen ved hjelp av et horisontalt snitt på 5-10 cm (avhengig av skjøtestørrelse) som er overlegen tibia (figur 2A).
    2. Hold den frittliggende patella senen med tang. Lag to fremre til bakre kutt i form av en V (figur 2B, C). Disse kuttene skal frigjøre patellaen.
      MERK: Når leddet begynner å åpne seg, må du passe på å ikke kutte det fremre korsbåndet (ACL), bakre korsbånd (PCL), medial collateral ligament (MCL), lateral collateral ligament (LCL) og menisk.
    3. Roter patellaen bak leddet eller fjern den helt fra leddet. Fjern forsiktig vevet overfladisk til synovialmembranen på medial- og laterale sider av leddet for å eksponere synoviumet.
    4. Bruk et skalpellblad, spor omrisset av synoviumområdet av interesse. Bruk tang, ta tak i den ene enden av synoviumet og løft forsiktig for å strekke synoviumet distalt til det underliggende beinet. Bruk et skalpellblad for å fjerne synoviumet fra beinet (figur 2D,E).
    5. Plasser vevet i passende kulturmedier eller testbadløsning. Synoviumutløpet kan dyrkes for et ønsket eksperiment eller monteres og brukes til testing.
      MERK: Løsninger for kulturmedier/testbad kan variere avhengig av en forskningsgruppes preferanser. For de skreddersydde som brukes til den nåværende studien, kan du se Materialfortegnelser.
  3. Høst juvenil bovin brusk (lårplugger og tibial strimler).
    1. Skill lårbenet fra tibia ved å kutte ACL, PCL, MCL og LCL. Pass på at du ikke skjærer lårkondylebrusk eller skjærer gjennom menisken til det tibiale platået. Plasser de separerte vevene i sine respektive holdere for disseksjon (trinn 2.3.2 for lårben og trinn 2.3.3 for tibia).
    2. Fest lårbenet ved hjelp av et ringstativ. Bruk en biopsistans av ønsket form og størrelse, kjør instrumentet normalt til lårkondylens leddbruskoverflate til den når benet (figur 3A).
      1. Løsne pluggens tilkobling til benet ved å flytte stansen fra venstre mot høyre og fremover til bakover. Gjør dette uten å fjerne stansen.
        MERK: Knitrende lyder kan høres når beinet skiller seg fra brusk.
      2. Fjern stansen, og derfor pluggen, fra det underliggende benet (figur 3B). Gjenta om nødvendig trinn 2.3.2, 2.3.2.1 og 2.3.2.2 for de gjenværende urørte stedene på kondylen.
        MERK: For å montere lårpluggen på en testbase, kan det hende at den dype siden av pluggen må barberes flatt. Dette kan gjøres med en bokskutter eller skalpell.
      3. Plasser vev i passende kulturmedier eller testbadløsning. Lårpluggen kan dyrkes for et ønsket eksperiment eller monteres og brukes til testing.
    3. Fest tibia i en justerbar holder (se Materialliste). Fjern menisken forsiktig samtidig som du unngår kontakt med bruskoverflaten (figur 4A).
      1. På de ytre kantene på det tibiale platået, bruk en bokskutter for å kutte vinkelrett på brusk mot beinet. Skjær helt gjennom brusk for å lage rette kanter/sider (figur 4B). Begynn kuttet ca. 2 mm fra hver tibial platåkant og fjern overflødig vev. Skår de indre kantene på brusk (figur 4C).
        MERK: På dette tidspunktet må beinet være synlig under brusk på ytterkantene av det tibiale platået.
      2. På ytterkantene bruker du bokskutteren til å lage et rent kutt i grensesnittet mellom benet og brusk (figur 4D).
        MERK: Kuttet må være parallelt med bruskoverflaten og ca. 5 mm innover, dypt nok til å begynne å skille brusk og bein.
      3. For å fjerne den tibiale stripen fra platåoverflaten, sett forsiktig inn en flat skrutrekker under kuttet i trinn 2.3.3.2. Roter skrutrekkeren forsiktig for å løsne leddbrusk fra subkondralbenet (figur 4E).
        MERK: Knitrende lyder kan høres når beinet skiller seg fra brusk.
      4. Når prøven løsner, skyver du skrutrekkeren langsomt fremover til bruskstripen løsner fra beinet. Skyv skrutrekkeren mot bein, ikke mot brusk. Gjenta denne prosessen flere steder til det tibiale platåets leddbrusk er helt fjernet fra det underliggende benet (figur 4F).
      5. Bruk en bokskutter til å kutte den tibiale platåoverflaten for å produsere rektangulære prøver av ønsket størrelse og tykkelse.
        MERK: For den nåværende studien ble 10 mm x 30 mm strimler kuttet, men denne dimensjonen kan varieres basert på ønsket eksperiment og testoppsett.
      6. Plasser vev i passende kulturmedier eller testbadløsning. Den tibiale stripen kan dyrkes for et ønsket eksperiment eller monteres og brukes til testing.
      7. Gjenta om nødvendig trinn 2.3.3.1-2.3.3.6 for det andre tibialplatået.
  4. Monter synoviumet og brusk ved å følge trinnene nedenfor.
    1. Velg eventuelt en tibial stripeprøve som skal testes.
      MERK: Stripen kan testes som det nederste motsnittet.
      1. Fjern den avtakbare magnetiske basen (se Materialbord) og lim en Petri-tallerken med 60 mm diameter til den øverste overflaten av den avtakbare basen.
      2. Når Petri-parabolen er limt på plass, fester du den avtakbare basen til den faste basen og merker Petri-parabolen for å indikere en glideretning.
      3. Påfør en liten mengde cyanoacrylat (se Materialbord) på midten av parabolen. Juster tibialstripen etter scenens glideretning (som angitt av merket på Petri-parabolen fra 2.4.1.2). Trykk forsiktig bruskstripen på parabolen. Pass på at du ikke riper på bruskoverflaten.
        MERK: Et sugeverktøy (se Materialbord) kan påføre brusk forsiktig trykk uten å skade overflaten som skal friksjonstestes.
      4. Gjenopprett den flyttbare magnetiske basen (med festet bruskstripe) til den parrede magnetiske faste basen i friksjonstesteren. Fyll Petri-retten med ønsket testbadløsning. Testbadløsningen må dekke brusk helt.
    2. Velg eventuelt en femoral bruskplugg som skal testes.
      MERK: Pluggen kan testes som nedre eller øvre motsnitt.
      1. Hvis femoralkondylen brukes som nedre motsnitt, fjern den avtakbare magnetiske basen og lim en Petri-tallerken med 60 mm diameter til den øverste overflaten av den avtakbare basen.
        1. Påfør en liten mengde cyanoacrylat til midten av parabolen. Trykk forsiktig bruskpluggen på parabolen.
          MERK: Et sugeverktøy kan påføre brusk forsiktig trykk uten å skade overflaten som skal friksjonstestes.
        2. Gjenopprett den flyttbare magnetiske basen (med tilkoblet bruskplugg) til den parkoblede magnetiske faste basen i friksjonstesteren. Fyll Petri-retten med ønsket testbadløsning. Testbadløsningen må dekke brusk helt.
      2. Hvis lårbruskbrusk brukes som øvre motsnitt, fjerner du lasteplaten og støttestangen fra friksjonstesteren. Fjern om nødvendig den eksisterende platen og velg en ny plate som er egnet for bruskmontering.
        1. Påfør en liten mengde cyanoacrylat på plateoverflaten. Trykk bruskpluggen forsiktig på platen.
          MERK: Et sugeverktøy kan påføre brusk forsiktig trykk uten å skade overflaten som skal friksjonstestes.
        2. Gjenopprett lasteplaten (med vedlagt bruskplugg) og støttestangen til friksjonstesteren. Juster den vertikale høyden på lasteplaten slik at bruskpluggen svever over det nederste motsnittet og er nedsenket i testbadet. Tilsett mer testbadløsning om nødvendig.
    3. Velg eventuelt synoviumprøven som skal testes.
      MERK: Synoviumet kan testes som det nederste eller øverste motsnittet.
      1. Hvis synoviumet brukes som nedre motsnitt, fjern den avtakbare magnetiske basen og lim en Petri-tallerken med 60 mm diameter til den øverste overflaten av den avtagbare basen.
        1. Lim en spesialbelagt sirkulær akryl-silikonstolpe med ønsket diameter til midten av parabolen.
        2. Bruk tang, plasser synoviumet på toppen av stolpen. For å sikre synoviumet, spred en O-ring (se Materialtabell) over omkretsen.
        3. Bruk tang, trekk forsiktig i synoviumet for å strekke vevet som undervises og flat under O-ringen. Trim overflødig vev med kirurgisk saks.
        4. Gjenopprett den flyttbare magnetiske basen (med synovium festet) til den parrede magnetiske faste basen i friksjonstesteren. Fyll Petri-retten med ønsket testbadløsning. Testbadløsningen må helt dekke synoviumet.
      2. Hvis synoviumet brukes som det øverste motsnittet, fjerner du lasteplaten og støttestangen fra friksjonstesteren. Fjern om nødvendig den eksisterende platen og velg en ny sirkulær plate egnet for synoviummontering.
        1. Bruk tang, plasser synoviumet på toppen av den sirkulære platen. For å sikre synoviumet, spred en O-ring over omkretsen.
        2. Bruk tang, trekk forsiktig i synoviumet for å strekke vevet som undervises og flat under O-ringen. Trim overflødig vev med kirurgisk saks.
        3. Gjenopprett lasteplaten (med festet synovium) og støttestangen til friksjonstesteren. Juster den vertikale høyden på lasteplaten slik at synoviumet svever over det nederste motsnittet og er nedsenket i testbadet. Tilsett mer testbadløsning om nødvendig.

3. Friksjonstesting

MERK: Et tilpasset LabVIEW-program og tilhørende maskinvare (se Tilleggskodingsfiler) brukes til disse testene. Vær oppmerksom på at den egendefinerte koden ble bygget på LabVIEW 2010 og har blitt opprettholdt på samme eldre versjon. Det kan derfor hende at koden ikke er fremoverkompatibel med den nyeste versjonen av programvaren. Følgende knappestreiker og referanser til brukergrensesnitt vil bare være relevante for den egendefinerte koden. Hvis du arbeider med en annen programvareversjon, kan et lignende tilpasset program skrives ved å endre koden.

  1. Sett de monterte prøvene (trinn 2.4) inn i friksjonstesterenheten.
    MERK: Prøvene må nedsenkes i testbadløsningen, men må ikke være i kontakt med hverandre.
  2. Åpne programmet og foreskrive testparametere: scenehastighet, trinnakselerasjon, reisebane (avstand) og testvarighet (figur 5).
    1. Åpne de tre vinduene i programmet: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID og Trigger Dynamic Caller.
    2. Kjør vinduet Analog Data Build MFDAQ ved å trykke på Kjør -knappen (hvit pil).
    3. Kjør vinduet Initialiser innlasting av PID ved å trykke på Kjør -knappen (hvit pil).
    4. Gå til Stepper-fanen i vinduet Trigger Dynamic Caller. Angi akselerasjon, hastighet og avstand for oversettelsesstadiet i brukerinndataboksene.
      MERK: Avstandsverdien stiller inn halvlengden på slitebanen. Fasen flyttes med andre ord fra den angitte nullplasseringen (trinn 3.5) til den angitte avstandsverdien i både positive og negative x-retninger.
    5. I kategorien Stepper angir du testvarigheten ved å velge filbanen For Stepper-tidsindeks . Klikk på Åpne mappe-knappen nederst til høyre i Time-State-tabellen og velg filen.
    6. Angi testvarigheten også i kategorien Talespole. Gå til stemmespolefanen i vinduet Trigger Dynamic Caller. I likhet med trinn 3.2.5, velger du filbanen for stemmespoleindeks ved å klikke på Åpne mappe-knappen nederst til høyre i Tidstilstand-tabellen og velge filen. Varigheten må samsvare med varigheten i kategorien Stepper .
  3. Foreskrive normal belastning. Hvis du bruker dødvekter, plasserer du ønskede vekter på de lineære lagrene over lasteplaten. Pass på at lasten som påføres pluss vekten på lasteplaten og støttestangen ikke overstiger lastcellens nominelle kapasitet.
  4. Velg banen og filnavnet for datalagring ved hjelp av knappen for åpning av mappe til høyre for boksen Skriv til fil? . Lagre filen med filtypen ".txt".
  5. Midtstill det nederste motsnittet under det øverste motsnittet. Angi dette som null x-posisjon.
    1. Kjør vinduet Trigger Dynamic Caller ved å trykke på Kjør -knappen (hvit pil). I Stepper-fanen klikker du på Hjem-knappen for å flytte scenen til den sist lagrede null x-posisjonen.
    2. Hvis tellersnitt ikke er justert, flytter du scenen ved å klikke på de grønne venstre og høyre pilknappene . Når ønsket plassering er nådd, klikker du på Null-knappen for å lagre gjeldende faseplassering som den nye null x-posisjonen. Stopp vinduet Trigger Dynamic Caller ved å klikke på Stopp-knappen .
      MERK: Sceneplasseringen kan bare lagres mens vinduet Trigger Dynamic Caller kjører, men fasen beveger seg ennå ikke som angitt av programmet. Hvis du trykker på Kjør-knappen (hvit pil) i trinn 3.5.1, startes en tidsramme på 15 sekunder før fasen begynner å bevege seg. Bruk denne tidsrammen på 15 s til å flytte fasen og lagre ønsket nullplassering.
    3. Hvis ønsket null x-posisjon ikke oppnås ved første forsøk, gjentar du trinn 3.5.1.
      MERK: Det kan hjelpe å trykke på Zero-knappen periodisk for å lagre sceneposisjonen når brukeren beveger det nederste motsnittet under det øverste motsnittet. Husk at hvis du klikker Hjem-knappen, flyttes fasen til den siste posisjonen som lagres av Null-knappen .
  6. Når topp- og bunntellersnittene er sentrert, start friksjonstesting av prøvene ved å starte den sykliske bevegelsen av scenen. Dette gjør du ved å kjøre vinduet Trigger Dynamic Caller ved å trykke på Kjør -knappen (hvit pil).
  7. Når scenen beveger seg, bringer du sakte det øverste motsnittet i kontakt med bunnen.
    MERK: Den påførte lastverdien kan bekreftes ved å vise F z-sanntidsplottet i programvarevinduet (figur 5A).
  8. La testen kjøre, og samle inn friksjonstestdataene.
    MERK: Alle data som registreres i trinn 3.5, blir overskrevet. Hysteresen i sanntid kan vises i vinduet Trigger Dynamic Caller (figur 5C).
  9. Etter ønsket testvarighet, stopp testen ved å trykke på Stopp-knappen og losse prøvene ved å heve det øverste motsnittet og flytte det ut av kontakt med det nederste motsnittet.

4. Databehandling

MERK: Et tilpasset MATLAB-program brukes til databehandling (se Tilleggskodingsfiler). Koden kaller på utdatafilene som er angitt av den egendefinerte LabVIEW-koden.

  1. Bruk den egendefinerte koden til å beregne friksjonskoeffisienten og forskyvningsforskyvningen (tidsavhengig vevsdeformasjon) per syklus.
    1. Forsikre deg om at alle relevante koder er lagret i samme mappe: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" og "frictioncycle_run.m".
      MERK: Disse MATLAB-kodene ble skrevet for å brukes med de spesifikke utgangene fra den nevnte LabVIEW-koden. Hvis brukeren har opprettet sin egen kode eller har gjort endringer i koden som er beskrevet her, kan det hende at MATLAB-skriptene må redigeres for å få plass til disse endringene.
    2. Åpne filen frictioncycle_run.m. Klikk på Kjør (grønn pil) -knappen i skriptet. Velg rådatafilen som skal analyseres, og ønsket matlab-utgangslagringssted.
      MERK: Programvaren kan kreve noen minutter for å behandle data avhengig av testvarigheten.
  2. Utfør eventuelt standard vevsvurderinger og medieanalyser på de testede utprøvene og aliquots av testbadløsningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En synovium-på-bruskkonfigurasjon ble brukt til å friksjonsteste juvenile bovine explants. Synoviumet ble montert på en akryllasteplaten med en diameter på 10 mm slik at det intimale laget ville være i kontakt med den underliggende brusk. En tibial stripe ble brukt som brusk motsnitt (figur 6A). Tibialstrimler ble kuttet med en dybde på ca. 1,4 mm og en størrelse på 10 mm x 30 mm. Prøvene ble testet i 1 time ved 37 °C i et fosfatbufret saltvannsbad (PBS) eller et bovint synovialvæskebad (SF). SF-badet besto av en 50/50 blanding av PBS og storfe SF. Trinnakselerasjonen var 100 mm/s2, trinnhastigheten var 1 mm/s, og scenebaneavstanden var 2,5 mm 6,9,42. Dødvekter ble brukt til å påføre ulike normale belastninger, noe som resulterte i kontaktspenninger på 180, 230 og 300 kPa11,43.

Etter en time ble vevet losset, og friksjonskoeffisientene ble vurdert. En effektiv friksjonskoeffisient μ ble beregnet fra gjennomsnittet av Ft/Fn over hver stempelsyklus og deretter plottet mot testvarighet for å gi en friksjonskoeffisient vs. tidsplott (figur 6B). For hver test ble verdiene for μ gjennomsnittet over hele testen (alle sykluser) for å produsere μgj.snittlig. I et PBS-testbad økte μgjennomsnittsverdiene etter hvert som kontaktstresset økte. Den μgj.snittlige PBS økte fra 0,015 ± 0,005 ved 180 kPa, til 0,019 ± 0,005 ved 230 kPa, til 0,022 ± 0,010 ved 300 kPa. På den annen side forble μgj.snittlige verdier like da kontaktstresset økte i et SF-bad (figur 6C). Den μgj.snittlige SF var 0,013 ± 0,002 ved 180 kPa, 0,011 ± 0,001 ved 230 kPa og 0,011 ± 0,001 ved 300 kPa.

Samlet sett viser resultatene friksjonstesterens evne til samtidig å påføre gjensidig glidende og normal belastning på to biologiske motsnitt. I denne studien viste synovium-på-bruskprøver testet i et SF-bad ikke en økning i friksjonskoeffisienten når kontaktstresset ble økt, og støttet dermed forestillingen om at SF bidrar til leddets lave slitasje og lave friksjonsegenskaper gjennom en grensesmøringsmekanisme.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk for toakset tilpasset friksjonstestingsenhet (venstre) og tverrsnitt av lastet prøve i Petri-tallerken (høyre). Scenen er festet til en motor som induserer glidebevegelse og får den nederste kontaktflaten til å artikulere mot den øverste kontaktflaten. Veiecellen samler inn lastmålinger i sanntid, mens den lineære koderen for lastetrinn samler inn målinger av krypforskyvning i sanntid. Tallet er endret med tillatelse fra referanse10. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Bovin synoviumhøsting. (A) Patellar senen er kuttet ved hjelp av et horisontalt snitt som er overlegen tibia. (B,C) Patellaen fjernes ved å lage to fremre til bakre kutt i form av en V (stiplede linjer). (D) Omrisset av synoviumet spores med et skalpellblad. (E) Synoviumet strekkes deretter distalt til det underliggende benet og fjernes. Skalastang = 5 cm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Bovin femoral bruskplugghøsting. (A) En biopsistans med en diameter på 15,9 mm settes normalt inn i den femorale kondylartikulære bruskoverflaten til benet er nådd. (B) Stanse- og støpselet fjernes. Skalastang = 16 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Bovin brusk tibial stripehøsting. (A) Menisken fjernes fra tibialplatået. (B) Platåkantene er kuttet for å lage rette sider (innsettet). (C) Innsiden av platået er scoret for å lage en stripe. (D) Et kutt er laget ved bruskbengrensesnittet. (E) En skrutrekker settes inn under kuttet. (F) Stripen fjernes. Skalastang = 10 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: LabVIEW-brukergrensesnitt. Det tilpassede programmet gjør det mulig å kontrollere ulike testparametere som sceneakselerasjon, trinnhastighet, reisebane og testvarighet. (A) Lastplott i sanntid (Fz vs. t der Fz er normal belastning Fn), (B) stepper posisjon (ux vs. t) og (C) hystereseplott (Fx i forhold til ux, der Fxer tangentiell kraft Ft) vises. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Synovium-on-brusk friksjonsmålinger. (A) Friksjonstestingsenheten som er konfigurert for juvenil bovinsynovium (innsatt) på en tibial bruskstripe. (B) Representativ friksjonskoeffisient (μ) som en funksjon av tidsplott. (C) Friksjonskoeffisienten for ulike kontaktspenninger (180 kPa, blå; 230 kPa, rød; 300 kPa, grønn) i en fosfatbufret saltvann (PBS, lukket sirkel) eller bovin synovialvæske (SF, åpen sirkel) bad. Feilfelt er slemme med standardavvik. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Friksjonsbioreaktor. (A) Skjematisk friksjonsbioreaktor med stasjonære topptellersnitt og bevegelige nedre motsnitt. (B) En sidevisning og (C) bunnvisning av bioreaktoren som bruker fysiolog skjær i en synovium-på-bruskkonfigurasjon. (D) Bioreaktoren er plassert inne i en vevskulturinkubator. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Ekstra kodefiler. Klikk her for å laste ned denne filen. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Et dynamisk mekanisk miljø eksisterer i leddet da brusk blir utsatt for kompressive, strekk- og skjærkrefter, og hydrostatiske og osmotiske trykk44,45. Selv om brusk er det viktigste bærende vevet i leddet, gjennomgår synoviumet også friksjonsinteraksjoner med bruskoverflaten og med seg selv i regioner der vevet brettes. De fysiske interaksjonene mellom brusk og synovium er sannsynligvis ansvarlige for å overføre celler og frigjøre mesenchymale stamceller i fellesmiljøet, og tilbyr en potensiell cellekilde for å bidra til (begrensede) leddbruskreparasjonsmekanismer 37,38,39,40. Friksjonsegenskapene til både brusk og synovium har viktige implikasjoner for felles vedlikehold og degenerasjon gjennom vevsslitasje13. En enhet som er i stand til å levere gjensidig oversettelse av bevegelse og kompresjonslasting, presenteres for å studere de mekaniske og mekanobiologiske prosessene som er ansvarlige for felles homeostase og sykdomsprogresjon.

Valg av testparametere og prøvemontering er to kritiske trinn i protokollen. Enheten bruker en kompressiv belastning med enten dødvekter eller en talespoleaktuator. Det tilpassede programmet gir kontroll over ulike parametere som testvarighet, trinnhastighet og reisesti. Det kan oppstå et problem hvis testvarigheten er for kort. Når dette er tilfelle, tillater den korte varigheten ikke friksjonskoeffisienten μ å nå likevekt (μeq). Hvis μeq-utgang ønskes, må brukeren velge en passende testvarighet som vil kunne fange vevsadferden til den blir konstant. Prøver kan nå likevekt innen få timer etter testing, avhengig av størrelsen på kontaktområdet på vevet46. Testtypen må også vurderes. Enheten har blitt brukt i det stasjonære kontaktområdet og migrerende kontaktområdekonfigurasjoner for å studere bruskfriksjonsegenskaper 5,6,9,11,12,47. Reisestien, scenehastigheten og kongruensen til de to motsnittene kan manipuleres for å produsere ønsket testmodus. Det anbefales å lage sanntidsplott i LabVIEW-programmets brukergrensesnitt for å hjelpe til med å overvåke en test. Nyttige plott inkluderer vannrett sceneposisjon i forhold til normal kraft vs. og tangentiell kraft i forhold til horisontal sceneposisjon (hysterese, figur 5C). For eksempel må det øverste motsnittet bare hvile på det nederste motsnittet for å sikre at hele foreskrevet belastning påføres. Den påførte lastverdien kan bekreftes ved å se på den normale lasten i sanntid (figur 5A). Montering av prøver må være sikker for å forhindre at vev glir eller rives som vil gi feilaktige målinger. Synoviumrivning på grunn av feil montering vil resultere i feil friksjonskoeffisient, da monteringsoverflaten under synoviumet vil bli utsatt. Denne feilen kan oppdages ved å overvåke hysteresekurver i sanntid. Enhetens sanntidsvurdering av funksjonelle egenskaper er forskjellig fra andre friksjonstestingssystemer.

Alle rådata må skrives til en fil som kan importeres og behandles av ønsket databehandlingsprogramvare. Det anbefales å samle inn data med en frekvens på minst 10 datapunkter/sekund og lagre rådata i en .csv- eller .txt-fil. Friksjonskoeffisienten kan beregnes for hver posisjon i hver syklus ved hjelp av ligningen Equation 1 der t og n refererer til henholdsvis tangentielle og normale krefter, og hvor + og - refererer til henholdsvis for- og bakoverstrøkene per syklus5. Denne formelen gjenkjenner at tegnet på F-t er motsatt av F+T. Normal kraft (Fn) er definert som kraften i tråd med den påførte belastningen (z-retning, figur 1), mens tangentiell kraft (Ft) er kraften parallelt med glidning (x-retning, figur 1). Den syklus-gjennomsnittlige friksjonskoeffisienten kan beregnes ved å ta gjennomsnittet av μ for alle stillinger i en gitt syklus. Krypforskyvningen beregnes ved å normalisere den vertikale forskyvningen av topptellersnittet slik at den første forskyvningen er null og de etterfølgende forskyvningene er relative til den første forskyvningen. Om ønskelig kan standard vevsvurderinger og medieanalyser utføres på de testede utprøvene og aliquots av testbadløsningen. Før analyse anbefales det å registrere testbadvolumet som skal brukes i databehandling eller normalisering.

De modulære tellersnittene har gjort det mulig å tilpasse flere testkonfigurasjoner. Tidlige studier brukte glass-på-brusk testing for å belyse rollen som interstitiell væskebelastning støtte i brusk tribologi 9,10. Betydningen av interstitiell væsketrykk ble ytterligere validert ved å sammenligne stasjonære og migrerende kontaktområdetester for brusk-på-brusk og brusk mot glass11. Oungoulian et al.6 evaluerte slitasjemekanismen for leddbrusk mot metalllegeringer som brukes i hemiarthroplasties og viste at belastningene generert ved glidekontakt i 4 timer forenklet delamineringsslitasje gjennom tretthetssvikt i undergrunnen. Dette arbeidet ble etterfulgt av Durney et al.5, som viste at delamineringsslitasje fortsatt kan oppstå når friksjonen forblir lav under en migrerende kontaktområdekonfigurasjon. Senest rapporterte Estell et al.13 for første gang friksjonsegenskapene til synoviumet under testforhold som etterlignet innfødte interaksjoner med underliggende vev (brusk og synovium) og under forhold som etterlignet en osteoarthritic tilstand (fortynnet synovialvæskebad med brusk slitasjepartikler). Til syvende og sist har designfleksibiliteten til friksjonstestingsenheten gjort det mulig å gjennomføres et bredt spekter av eksperimenter, noe som bidrar til større forståelse av brusk og synoviumtribologi.

En begrensning i det nåværende systemet er at det bare kan opprettholde aseptiske testforhold i noen timer. Dette oppnås gjennom akrylkabinettet, sterilisering av mediekontaktkomponenter via autoklav og sprøyting av testenheten med 70% etanol. Akrylkabinettet inkluderer også et varmeelement og konstante temperaturovervåkingsevner. Varmeelementet varmer opp luften i esken, kontrollerer temperaturen i innemiljøet, og kan styres eksternt for å unngå å utsette prøvene for utemiljøet. Aseptiske forhold kan oppnås ytterligere ved å høste prøvene i et sterilt biologisk sikkerhetsskap (BSC) og montere prøvene inne i BSC i en steril beholder som kan grensesnitt med støttestangen og fast base. For langsiktige studier kan akrylkabinettet utstyres med de nødvendige materialene for å gi et mer sterilt miljø (ultrafiolett lys, riktig luftstrøm og filtrering og selvregulerende temperaturkontroll). En annen begrensning er at den nåværende friksjonstestingsenheten er konfigurert til å teste et enkelt topp- og bunntellersnitt. En multi-prøve motsnitt tilnærming kan oppnås ved å endre lasting plate og avtakbar base design, konvertere den nåværende friksjon testing enheten til en bioreaktor med en multi-brønn kapasitet til å bruke fysiologiske lasting av brusk-på-brusk og synovium-på-brusk. Det er opprettet en fungerende prototype med en 6-brønnsplate (figur 7). Designet forbeholder seg muligheten til å modulere topp- og bunntellersnitt etter ønske. Toppen av platen er stasjonær og festet til et vevskulturinkubatorstativ, mens bunnen av platen er festet til et oversettelsesstadium. I likhet med den nåværende friksjonstestingsenheten, kan dødvekt legges til for å foreskrive en normal belastning. Med bioreaktoren i et sterilt miljø kan medier prøves over tid for å evaluere biologiske responser på lasteregimer. Den neste design iterasjonen vil se ut til å skape en frittstående bioreaktor som inkorporerer datastyrt oversettelse. Hvis kompleksiteten til friksjonstestanordningen skulle opprettholdes i bioreaktoren, kunne endringer i vevsmekaniske og mekanobiologiske egenskaper måles langsgående.

En friksjonstestingsenhet som tillater kontroll over levering av gjensidig oversettelse av bevegelse og normal belastning til to kontaktende biologiske motsnitt er beskrevet. I denne studien ble en synovium-på-bruskkonfigurasjon brukt til å demonstrere enhetens modularitet og evnen til å studere friksjonsresponsene til levende vev. De representative resultatene bekreftet rollen som synovialvæske i å gi grensesmøring for å redusere slitasje og friksjon av diarthrodialleddet. Enheten tillater utførelse av flerskala eksperimenter som spenner fra bulkfriksjon til mekanaltransduksjon. Designet kan operere under sterile forhold i noen timer og kan konverteres til en langsiktig bioreaktor for å rekapitulere den kompresjons glidende leddet, og dermed lette studiet av biomekanikk, mekanobiologi og fysisk regulering av levende leddvev. Fremtidige studier vil bidra til å forstå hvordan sunne og syke fysiske miljøer påvirker felles vedlikehold.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 og 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

Bioingeniør utgave 184
En friksjonstesting-bioreaktorenhet for studie av synovial leddbiomekanikk, mekanobiologi og fysisk regulering
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