Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Um dispositivo de teste de atrito-bioreator para estudo de biomecânica articular sinovial, mecanobiologia e regulação física

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

O presente protocolo descreve um dispositivo de teste de atrito que aplica deslizamento recíproco simultâneo e carga normal a dois contrafacetos biológicos de contato.

Abstract

Na osteoartrite primária (OA), o "desgaste" normal associado ao envelhecimento inibe a capacidade da cartilagem de sustentar suas funções de carga e lubrificação, promovendo um ambiente físico deletério. As interações de atrito da cartilagem articular e do sinodio podem influenciar a homeostase articular através do desgaste do nível do tecido e da mecanotransdução celular. Para estudar esses processos mecânicos e mecanobiológicos, descreve-se um dispositivo capaz de replicar o movimento da articulação. O dispositivo de teste de atrito controla a entrega de movimento de tradução recíproca e carga normal para dois contrafaceto biológicos de contato. Este estudo adota uma configuração sinovial-sobre-cartilagem, e as medidas do coeficiente de atrito são apresentadas para testes realizados em um banho de soro fisiológico tamponado (PBS) ou fluido sinovial (SF). O teste foi realizado para uma série de tensões de contato, destacando as propriedades lubrificantes de SF sob altas cargas. Este dispositivo de teste de atrito pode ser usado como um biorreator biomimético para estudar a regulação física dos tecidos articulares vivos em resposta ao carregamento fisiológico aplicado associado à articulação articular diarthrodial.

Introduction

A osteoartrite (OA) é uma doença articular degenerativa debilitante que afeta mais de 32 milhões de adultos americanos, com um custo de saúde e socioeconômico de mais de US$ 16,5 bilhões1. A doença tem sido classicamente caracterizada pela degradação da cartilagem articular e do osso subcondral; no entanto, as mudanças no sinovium recentemente ganharam apreciação, pois a sinovite tem sido associada aos sintomas de OA e progressão 2,3,4. Em OA primário (idiopático), o "desgaste" normal associado ao envelhecimento inibe a capacidade da cartilagem de sustentar suas funções de carga e lubrificação. As tensões geradas pelo contato deslizante prolongado das camadas de cartilagem articular ou pelo contato deslizante da cartilagem contra materiais de implante têm sido demonstradas para facilitar o desgaste da delaminação através da falha de fadiga subsuperficial 5,6. Como existe um ambiente mecânico dinâmico dentro da articulação 7,8, as interações de atrito da cartilagem articular e do sinodio podem influenciar a homeostase articular através do desgaste do nível do tecido e da mecanotransdução celular. Para estudar esses processos mecânicos e mecanobiológicos, um dispositivo foi projetado para replicar o movimento da articulação com controle rigoroso sobre carga compressiva e friccional 5,6,9,10,11,12,13.

O presente protocolo descreve um dispositivo de teste de atrito que fornece movimento recíproco, traduzindo movimento e carga compressiva para o contato com superfícies de explantas de tecido vivo. O dispositivo controlado pelo computador permite o controle do usuário da duração de cada teste, carga aplicada, amplitude de movimento do estágio de tradução e velocidade de tradução. O dispositivo é modular, permitindo testes de várias contrafaces, como tecido-sobre-tecido (cartilagem-sobre-cartilagem e sinovial-na-cartilagem) e tecido-sobre-vidro. Além das medidas funcionais obtidas pelo testador, podem ser avaliados componentes do tubo, tecido e lúbrica de banho antes e depois dos testes para avaliar as alterações biológicas transmitidas por um determinado regime experimental.

Estudos de tribologia da cartilagem são realizados há décadas, e diversas técnicas foram desenvolvidas para medir coeficientes de atrito entre cartilagem e vidro e cartilagem na cartilagem14,15. As diferentes abordagens são motivadas pela articulação e/ou pelo mecanismo de lubrificação de interesse. Muitas vezes há uma troca entre o controle de variáveis experimentais e a recapitulação dos parâmetros fisiológicos. Dispositivos no estilo pêndulo utilizam juntas intactas como o fulcro de um pêndulo simples onde uma superfície articular se traduz livremente sobre a segunda superfície 14,16,17,18. Em vez de utilizar articulações intactas, as medidas de atrito podem ser obtidas por explantes de cartilagem deslizantes sobre superfícies desejadas 14,19,20,21,22,23,24,25. Os coeficientes de atrito relatados da cartilagem articular variaram em uma ampla faixa (de 0,002 a 0,5) dependendo das condições de funcionamento14,26. Dispositivos foram criados para replicar o movimento rotativo 23,27,28. Gleghorn et al.26 desenvolveram um tribometro multi-bem personalizado para observar perfis de lubrificação da cartilagem usando a análise da curva Stribeck, e um movimento de deslizamento oscilatório linear foi aplicado entre cartilagem contra uma contraface de vidro plano.

Este dispositivo visa isolar as respostas de atrito e explorar a mecanobiologia dos tecidos vivos sob várias condições de carregamento. O dispositivo emprega uma configuração simplificada de teste simulando a articulação articular através do deslizamento compressivo, que pode aproximar tanto o movimento de rolagem quanto o deslizamento com o entendimento de que a resistência em movimento de rolamento puro é insignificante em relação ao coeficiente de atrito medido da cartilagemarticular 29. Originalmente construído para estudar os efeitos da pressurização do fluido intersticial na resposta de atrito da cartilagemarticular 9, o testador tem sido usado desde então para explorar tópicos como efeitos de atrito da remoção da zona superficial da cartilagem10, efeitos lubrificantes do fluido sinovial11, hipóteses de desgaste da cartilagem 5,6,30 e medidas de atrito sinovium-on-tissue13 . O bioreator de teste de atrito pode realizar experimentos de atrito em condições estéreis, fornecendo um novo mecanismo para explorar como as forças de atrito afetam as respostas mecanobiológicas da cartilagem viva e do sinovial. Este desenho pode ser usado como um bioreator biomimético para estudar a regulação física dos tecidos articulares vivos em resposta ao carregamento fisiológico aplicado associado à articulação articular diarthrodial.

Este estudo apresenta uma configuração para testes de atrito sinovial-sobre-cartilagem em uma série de tensões de contato e em diferentes banhos lubrificantes. A área de superfície articulada da maioria das articulações é, em grande parte, tecido sinovial31. Embora o deslizamento sinovial-na-cartilagem não ocorra em superfícies primárias de suporte de carga, as interações de atrito entre os dois tecidos ainda podem ter implicações importantes para a reparação do nível do tecido e a mecanotransdução celular. Foi demonstrado anteriormente que os sinoviocitos semelhantes ao fibroblasto (FLS) residentes na camada intimal do sinodolio são mecanosensíveis, respondendo ao estresse de cisalhamento induzido porfluidos 32. Também foi demonstrado que o estiramento33,34 e o estresse de tesoura induzido porfluidos 35 modulam a produção de lubrificantes FLS. Como tal, o contato de deslizamento direto entre o sinodolio e a cartilagem pode fornecer outro estímulo mecânico às células residentes no sinolio.

Apenas alguns relatórios sobre coeficientes de atrito sinovial foram publicados31,36. Estell et al.13 buscaram expandir a caracterização anterior utilizando contraface biologicamente relevantes. Com a capacidade do dispositivo de teste de atrito de testar tecidos vivos, é possível imitar interações fisiológicas de tecido durante a articulação articular para elucidar o papel do estresse de cisalhamento de contato na função sintígio e sua contribuição para o crosstalk entre o sinolium e a cartilagem. Este último foi implicado na mediação da inflamação articular sinovial na artrite e pós-lesão. Devido à proximidade física da cartilagem ao synovium e fluido sinovial, que contêm sintécias que apresentam capacidade multipotente, incluindo condrogênese, é postulado que os sinoviocytes desempenham um papel na homeostase da cartilagem e reparam ao engrafar para a superfície articular. Nesse contexto, o contato físico e a tesoura recíproca de cartilagem-sinovial e sinovial-sinovial podem aumentar a acessibilidade dos sinoviocitos a regiões de cartilagem danosde 37,38,39,40. Estudos que utilizam configurações de sinoviaio-sobre-cartilagem não só fornecerão insights sobre mecânica de tecido bruto articular e tribologia, mas também podem levar a novas estratégias para manter a saúde articular.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

As articulações do joelho bovino juvenil, obtidas a partir de um matadouro local, foram utilizadas para o presente estudo. Estudos com amostras de amostras de bovinos são isentos do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC).

1. Projetando o dispositivo de teste de atrito

NOTA: Uma representação esquemática do dispositivo de teste de atrito é mostrada na Figura 1. O dispositivo é construído sobre uma placa base rígida (não mostrada), que serve como uma plataforma para suporte estrutural.

  1. Conecte um motor de estepe ao estágio de tradução horizontal (ver Tabela de Materiais), criando um dispositivo de teste de atrito de dois eixos que fornece movimento de tradução recíproca para superfícies de contato.
  2. Monte uma célula de carga multiaxial no estágio de tradução (ver Tabela de Materiais). A célula de carga montada será usada para medir a carga normal na direção z (Fn), e a carga tangencial na direção x (Ft).
  3. Equipar o estágio de tradução com um codificador linear (ver Tabela de Materiais) para registrar o deslocamento horizontal (ux) do palco. Além disso, equipar o estágio de carregamento com um codificador linear (ver Tabela de Materiais) para registrar o deslocamento vertical (uz) da chapa.
    NOTA: O codificador do estágio de tradução registra o deslocamento tangencial relativo das superfícies de contato, e essas informações são usadas para detectar o início de cada novo ciclo de deslizamento recíproco.
  4. Configure a placa de carregamento (superfície de contato superior) como uma contraface de vidro, cartilagem ou sinovial. Conecte a placa ao estágio de carregamento através de uma haste de suporte roscada.
  5. Anexar uma base magnética de duas partes ao topo da célula de carga (ver Tabela de Materiais): (1) uma base fixa que está permanentemente presa à célula de carga e (2) uma base removível que se conecta magneticamente à base fixa. Certifique-se de que as duas partes formam uma conexão apertada.
    NOTA: A base removível manterá a contraface de tradução (superfície de contato inferior).
  6. Prescreva uma carga normal. Use peso morto montado em rolamentos lineares acima da placa de carregamento e da haste de suporte. Alternativamente, especifique uma carga usando o atuador de bobina de voz (ver Tabela de Materiais), que pode carregar dinamicamente a superfície de contato inferior41.
  7. Abriga o dispositivo dentro de um gabinete de acrílico emoldurado em alumínio (ver Tabela de Materiais) para proteger seu ambiente contra contaminação.
    NOTA: Um programa personalizado do LabVIEW controla o dispositivo (ver arquivos de codificação suplementar) com o controle do usuário da duração de cada teste, bem como o caminho de viagem de palco, aceleração (mudança de direção) e velocidade. A força normal, a força tangencial, o deslocamento do estágio e o deslocamento de trepidação são monitorados durante todo o teste com hardware e software de aquisição de dados (ver Tabela de Materiais).

2. Preparação e montagem de espécimes

  1. Prepare-se para uma colheita estéril de tecido seguindo os passos abaixo.
    NOTA: Se não for desejada uma colheita estéril, proceda à etapa 2.2.
    1. Esterilizar ferramentas metálicas em uma autoclave. Pulverizar os detentores de articulação com 70% de etanol e colocá-los no gabinete de segurança biológica (BSC). Feche o gabinete para um ciclo ultravioleta (UV).
    2. Recupere as ferramentas da autoclave. Coloque as ferramentas, betadina, lâminas estéreis de bisturi e béquer contendo 70% de etanol no BSC.
    3. Dentro do BSC, abra as ferramentas e coloque-as em 70% de béquers de etanol. Fixar as lâminas do bisturi nas alças do bisturi.
    4. Prepare a junta para a colheita. Pulverize a parte externa da articulação com 70% de etanol e enrole em papel alumínio por 30 min. Tome cuidado para não quebrar a cápsula articular.
      NOTA: As articulações do joelho bovino juvenil foram recebidas com o fêmur e a tíbia cortados aproximadamente 15 cm superior e inferior à articulação para garantir uma cápsula intacta.
    5. Depois de 30 min, coloque a junta embrulhada dentro do BSC. Abra a folha e segure a junta ao seu suporte. Cubra a junta em betadina limpando suavemente a betadina através da superfície articular.
      NOTA: Consulte a etapa 2.2 e a etapa 2.3 para instruções específicas do sinodio e instruções específicas da cartilagem, respectivamente.
  2. Colher o sinovia bovino juvenil seguindo os passos abaixo.
    1. Fixar a cápsula articular tibiofemoral usando um suporte de anel (ver Tabela de Materiais) com o lado anterior voltado para o dissetor. Utilizando fórceps e uma lâmina de bisturi, corte o tendão patelar usando uma incisão horizontal de 5-10 cm (dependendo do tamanho da articulação) superior à tíbia (Figura 2A).
    2. Segure o tendão da patela com fórceps. Faça dois cortes anteriores a posteriores na forma de um V (Figura 2B,C). Esses cortes devem liberar a patela.
      NOTA: À medida que a articulação começa a se abrir, tenha cuidado para não romper o ligamento cruzado anterior (LCA), o ligamento cruzado posterior (LC), o ligamento colateral medial (LMC), o ligamento colateral lateral (LCL) e o menisco.
    3. Gire a patela atrás da articulação ou remova-a completamente da articulação. Remova cuidadosamente o tecido superficial para a membrana sinovial nos lados medial e lateral da articulação para expor o sinolio.
    4. Usando uma lâmina de bisturi, rastreie o contorno da região do sinolio de interesse. Usando fórceps, segure uma extremidade do sinolário e levante suavemente para esticar o distal do sinolio até o osso subjacente. Use uma lâmina de bisturi para remover o sinodolio do osso (Figura 2D,E).
    5. Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. A explanta do sinovial pode ser cultivada para um experimento desejado ou montada e usada para testes.
      NOTA: As soluções de banho de mídia/teste de cultura podem variar de acordo com a preferência de um grupo de pesquisa. Para os feitos sob medida utilizados para o presente estudo, consulte Tabela de Materiais.
  3. Colher a cartilagem bovina juvenil (tampões femorais e tiras tibiais).
    1. Separe o fêmur da tíbia cortando a LCL, PCL, MCL e LCL. Tome cuidado para não cortar a cartilagem do condílo femoral ou cortar o menisco ao platô tibial. Coloque os tecidos separados em seus respectivos titulares para dissecção (etapa 2.3.2 para fêmur e etapa 2.3.3 para tíbia).
    2. Segure o fêmur usando um suporte de anel. Utilizando um soco de biópsia de forma e tamanho desejados, dirija o instrumento normal à superfície da cartilagem articular do condíle femoral até atingir o osso (Figura 3A).
      1. Solte a conexão do plugue ao osso movendo o soco da esquerda para a direita e para trás. Faça isso sem remover o soco.
        NOTA: Sons crepitantes podem ser ouvidos à medida que o osso se separa da cartilagem.
      2. Remova o soco e, portanto, o plugue, do osso subjacente (Figura 3B). Se necessário, repita as etapas 2.3.2, 2.3.2.1 e 2.3.2.2 para os locais não intocados restantes no condyle.
        NOTA: Em preparação para a montagem do plugue femoral em uma base de teste, o lado profundo do plugue pode precisar ser raspado plano. Isso pode ser feito com um cortador de caixa ou bisturi.
      3. Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. O plugue femoral pode ser cultivado para um experimento desejado ou montado e usado para testes.
    3. Fixar a tíbia em um suporte ajustável (ver Tabela de Materiais). Remova o menisco cuidadosamente, evitando contato com a superfície da cartilagem (Figura 4A).
      1. Nas bordas externas do platô tibial, use um cortador de caixa para cortar perpendicularmente à cartilagem em direção ao osso. Corte completamente através da cartilagem para fazer bordas/laterais retas (Figura 4B). Inicie o corte aproximadamente 2 mm de distância de cada borda do planalto tibial e remova o excesso de tecido. Marque as bordas internas da cartilagem (Figura 4C).
        NOTA: Neste ponto, o osso precisa ser visível sob a cartilagem nas bordas externas do platô tibial.
      2. Nas bordas externas, use o cortador de caixa para fazer um corte limpo na interface entre o osso e a cartilagem (Figura 4D).
        NOTA: O corte deve ser paralelo à superfície da cartilagem e aproximadamente 5 mm para dentro, profundo o suficiente para começar a separar a cartilagem e o osso.
      3. Para remover a tira tibial da superfície do platô, insira suavemente uma chave de fenda de cabeça plana abaixo do corte feito na etapa 2.3.3.2. Gire suavemente a chave de fenda para soltar a cartilagem articular do osso subcondral (Figura 4E).
        NOTA: Sons crepitantes podem ser ouvidos à medida que o osso se separa da cartilagem.
      4. À medida que a amostra se solta, empurre lentamente a chave de fenda para a frente até que a tira da cartilagem se desprende do osso. Empurre a chave de fenda em direção ao osso, não em direção à cartilagem. Repita este processo em vários locais até que a cartilagem articular do planalto tibial seja completamente removida do osso subjacente (Figura 4F).
      5. Usando um cortador de caixa, corte a superfície do platô tibial para produzir amostras retangulares de tamanho e espessura desejados.
        NOTA: Para o presente estudo, foram cortadas tiras de 10 mm x 30 mm, mas essa dimensão pode ser variada com base no experimento desejado e na configuração do teste.
      6. Coloque o tecido em meios de cultura apropriados ou testando a solução de banho. A tira tibial pode ser cultivada para um experimento desejado ou montada e usada para testes.
      7. Se necessário, repita as etapas 2.3.3.1-2.3.3.6 para o segundo patamar tibial.
  4. Monte o sinovia e a cartilagem seguindo os passos abaixo.
    1. Se desejar, selecione uma amostra de tira tibial para testar.
      NOTA: A tira pode ser testada como o contraface inferior.
      1. Remova a base magnética removível (ver Tabela de Materiais) e cole uma placa de Petri de 60 mm de diâmetro à superfície superior da base removível.
      2. Com a placa de Petri colada no lugar, conecte a base removível à base fixa e marque a placa de Petri para indicar uma direção deslizante.
      3. Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato (ver Tabela de Materiais) no centro do prato. Alinhe a tira tibial com a direção deslizante do palco (conforme indicado pela marca na placa de Petri a partir de 2.4.1.2). Pressione suavemente a tira da cartilagem sobre o prato. Tome cuidado para não arranhar a superfície da cartilagem.
        NOTA: Uma ferramenta de sucção (ver Tabela de Materiais) pode aplicar pressão suave na cartilagem sem danificar a superfície a ser testada por atrito.
      4. Restaure a base magnética removível (com tira de cartilagem anexada) à sua base magnética fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. A solução de banho de teste deve cobrir completamente a cartilagem.
    2. Se desejar, selecione um plugue de cartilagem femoral para testar.
      NOTA: O plugue pode ser testado como contraface inferior ou superior.
      1. Se o condíle femoral for usado como contraface inferior, remova a base magnética removível e cole uma placa de Petri de 60 mm de diâmetro à superfície superior da base removível.
        1. Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato no centro do prato. Pressione suavemente o plugue de cartilagem sobre o prato.
          NOTA: Uma ferramenta de sucção pode aplicar pressão suave na cartilagem sem danificar a superfície a ser testada por atrito.
        2. Restaure a base magnética removível (com plugue de cartilagem anexado) à sua base magnética fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. A solução de banho de teste deve cobrir completamente a cartilagem.
      2. Se a cartilagem femoral for usada como contraface superior, remova a placa de carregamento e a haste de suporte do testador de atrito. Se necessário, remova a placa existente e selecione uma nova placa adequada para a montagem da cartilagem.
        1. Aplique uma pequena quantidade de cianoacrilato na superfície do plaqueriano. Pressione suavemente o plugue de cartilagem sobre a placa.
          NOTA: Uma ferramenta de sucção pode aplicar pressão suave na cartilagem sem danificar a superfície a ser testada por atrito.
        2. Restaure a placa de carregamento (com plugue de cartilagem ligado) e a haste de suporte ao testador de atrito. Ajuste a altura vertical da placa de carregamento de tal forma que o plugue de cartilagem paire sobre a contraface inferior e esteja submerso no banho de teste. Adicione mais solução de banho de teste, se necessário.
    3. Se desejar, selecione a amostra de sinovia para testar.
      NOTA: O sinovia pode ser testado como o contraface inferior ou superior.
      1. Se o sinovia for usado como contraface inferior, remova a base magnética removível e cole uma placa de Petri de 60 mm de diâmetro à superfície superior da base removível.
        1. Cole um poste de acrílico-silicone circular personalizado do diâmetro desejado para o centro do prato.
        2. Usando fórceps, coloque o sinolio em cima do poste. Para fixar o sinovia, espalhe um o-ring (ver Tabela de Materiais) sobre sua circunferência.
        3. Usando fórceps, puxe suavemente o sinolário para esticar o tecido ensinado e plano sob o anel O. Corte o excesso de tecido com uma tesoura cirúrgica.
        4. Restaurar a base magnética removível (com o sinodolio ligado) à sua base magnética fixa emparelhada no testador de atrito. Encha a placa de Petri com a solução desejada de banho de teste. A solução de banho de teste deve cobrir completamente o sinolio.
      2. Se o sinovia for usado como contraface superior, remova a placa de carregamento e a haste de suporte do testador de atrito. Se necessário, remova a placa existente e selecione uma nova placa circular adequada para a montagem do sinovial.
        1. Usando fórceps, coloque o sinovia em cima da placa circular. Para proteger o sinovia, espalhe um o-ring sobre sua circunferência.
        2. Usando fórceps, puxe suavemente o sinolário para esticar o tecido ensinado e plano sob o anel O. Corte o excesso de tecido com uma tesoura cirúrgica.
        3. Restaure a placa de carregamento (com sinodio anexado) e a haste de suporte ao testador de atrito. Ajuste a altura vertical da placa de carregamento de tal forma que o sinolio paire sobre a contraface inferior e esteja submerso no banho de teste. Adicione mais solução de banho de teste, se necessário.

3. Teste de atrito

NOTA: Um programa labview personalizado e hardware associado (ver arquivos de codificação suplementar) são usados para esses testes. Observe que o código personalizado foi construído no LabVIEW 2010 e foi mantido nesta mesma versão legado. Como resultado, o código pode não ser compatível com o forward-compatible com a versão mais recente do software. As a seguir, as referências de botão e interface do usuário, só serão relevantes para o código personalizado. Se trabalhar com uma versão de software diferente, um programa personalizado semelhante pode ser escrito modificando o código.

  1. Insira as amostras montadas (etapa 2.4) no dispositivo de teste de atrito.
    NOTA: As amostras precisam ser submersas na solução de banho de teste, mas não devem estar em contato entre si.
  2. Abra o programa de software e prescreva parâmetros de teste: velocidade do estágio, aceleração do estágio, trajeto de viagem (distância) e duração do teste (Figura 5).
    1. Abra as três janelas do programa: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID e Trigger Dynamic Caller.
    2. Execute a janela MFDAQ de compilação de dados analógicos pressionando o botão Executar (seta branca).
    3. Execute a janela INICIALIze Load PID pressionando o botão Executar (seta branca).
    4. Navegue até a guia Stepper na janela 'Chamada dinâmica do gatilho'. Especifique a aceleração, a velocidade e a distância do estágio de tradução nas caixas de entrada do usuário.
      NOTA: O valor da distância define o comprimento médio da pista de desgaste. Em outras palavras, o estágio passará do local zero especificado (etapa 3.5) para o valor de distância definido nas direções x positivas e negativas.
    5. Na guia Stepper, especifique a duração do teste selecionando o caminho do arquivo Stepper Time Index . Clique no botão Abrir pasta no canto inferior direito da tabela Time-State e selecione o arquivo.
    6. Especifique a duração do teste também na guia Bobina de voz. Navegue até a guia Bobina de voz na janela 'Chamada dinâmica do gatilho'. Semelhante ao passo 3.2.5, selecione o caminho do arquivo Do Índice de Bobina de Voz clicando no botão de pasta Abrir no canto inferior direito da tabela Time-State e selecione o arquivo. A duração deve coincidir com a da guia Stepper .
  3. Prescreva a carga normal. Se usar pesos mortos, coloque pesos desejados nos rolamentos lineares acima da placa de carregamento. Certifique-se de que a carga aplicada mais o peso da placa de carregamento e da haste de suporte não ultrapassem a capacidade nominal da célula de carga.
  4. Selecione o caminho e o nome do arquivo para armazenamento de dados usando o botão de pasta aberta à direita da caixa Write to File. Salve o arquivo com uma extensão ".txt".
  5. Centralizar o contra-rosto inferior por baixo do contra-rosto superior. Defina isso como a posição x zero.
    1. Execute a janela Trigger Dynamic Caller pressionando o botão Executar (seta branca). Na guia Stepper, clique no botão Home para mover o palco para a última posição x zero salva.
    2. Se as contraface não estiverem alinhadas, mova o palco clicando nos botões verde esquerda e direita da seta . Quando o local desejado for alcançado, clique no botão Zero para salvar a localização do estágio atual como a nova posição zero x. Pare a janela 'Chamada dinâmica do gatilho', clicando no botão Parar .
      NOTA: O local do palco só pode ser salvo enquanto a janela Trigger Dynamic Caller estiver em execução, mas o estágio ainda não está se movendo conforme especificado pelo programa. Pressionar o botão Executar (seta branca) na etapa 3.5.1 iniciará um prazo de 15 s antes que o estágio comece a se mover. Use este prazo de 15 s para mover o palco e salvar o local zero desejado.
    3. Se a posição x zero desejada não for obtida na primeira tentativa, repita o passo 3.5.1.
      NOTA: Pode ajudar a apertar o botão Zero intermitentemente para salvar a posição do palco à medida que o usuário move a contraface inferior sob o contraface superior. Lembre-se que clicar no botão Home moverá o palco para a última posição salva pelo botão Zero .
  6. Uma vez centradas as contrafaces superior e inferior, inicie o teste de atrito das amostras iniciando o movimento cíclico do estágio. Para fazer isso, execute a janela Trigger Dynamic Caller pressionando o botão Executar (seta branca).
  7. Uma vez que o palco se move, lentamente coloque o contra-rosto superior em contato com a parte inferior.
    NOTA: O valor de carga aplicado pode ser confirmado visualizando o gráfico Fz em tempo real na janela do software (Figura 5A).
  8. Deixe o teste funcionar, coletando os dados de teste de atrito.
    NOTA: Quaisquer dados registrados durante a etapa 3.5 serão substituídos. A histerese em tempo real pode ser visualizada na janela Trigger Dynamic Caller (Figura 5C).
  9. Após a duração desejada do teste, pare o teste pressionando o botão Stop e descarregando as amostras levantando o contraface superior e movendo-o para fora do contato com o contraface inferior.

4. Processamento de dados

NOTA: Um programa MATLAB personalizado é usado para processamento de dados (consulte arquivos de codificação suplementar). O código chama os arquivos de saída especificados pelo código LabVIEW personalizado.

  1. Use o código personalizado para calcular o coeficiente de atrito e o deslocamento de creep (deformação de tecido dependente do tempo) por ciclo.
    1. Certifique-se de que todos os códigos relevantes sejam salvos na mesma pasta: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" e "frictioncycle_run.m.
      NOTA: Estes códigos MATLAB foram escritos para serem usados com as saídas específicas do código LabVIEW acima mencionado. Se o usuário criou seu próprio código ou fez modificações na descrita aqui, os scripts MATLAB podem precisar ser editados para acomodar essas alterações.
    2. Abra o arquivo frictioncycle_run.m. Clique no botão Executar (arqueiro verde) no script. Selecione o arquivo de dados bruto a ser analisado e o local de salvamento de saída MATLAB desejado.
      NOTA: O software pode exigir alguns minutos para processar dados, dependendo da duração do teste.
  2. Se desejar, realize avaliações de tecidos padrão e análises de mídia sobre as explantas testadas e alíquotas da solução de banho de teste.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Uma configuração de sinoviaio-na-cartilagem foi usada para testar explantas bovinas juvenis. O sinovia foi montado em uma placa de carregamento acrílico de 10 mm de diâmetro, de tal forma que a camada intimal estaria em contato com a cartilagem subjacente. Uma tira tibial foi usada como contraface de cartilagem (Figura 6A). As tiras tibiais foram cortadas com uma profundidade de aproximadamente 1,4 mm e um tamanho de 10 mm x 30 mm. As amostras foram testadas por 1 h a 37 °C em um banho de soro fisiológico tamponado de fosfato (PBS) ou um banho de fluido sinovial bovino (SF). O banho SF consistia em uma mistura 50/50 de PBS e SF bovino. A aceleração do estágio foi de 100 mm/s2, a velocidade do estágio foi de 1 mm/s, e a distância do trajeto do palco foi de 2,5 mm 6,9,42. Foram utilizados pesos mortos para aplicar várias cargas normais, resultando em tensões de contato de 180, 230 e 300 kPa 11,43.

Após uma hora, os tecidos foram descarregados, e os coeficientes de atrito foram avaliados. Um coeficiente de atrito eficaz μ foi calculado a partir da média de Ft/Fn em cada ciclo recíproco e, em seguida, plotado contra a duração do teste para produzir um coeficiente de atrito vs. enredo do tempo (Figura 6B). Para cada teste, os valores de μ foram mediados ao longo de todo o teste (todos os ciclos) para produzir μavg. Em um banho de teste pbs, o μ valores avg aumentou à medida que o estresse de contato aumentava. O μavg,PBS passou de 0,015 ± 0,005 a 180 kPa, para 0,019 ± 0,005 a 230 kPa, para 0,022 ± 0,010 a 300 kPa. Por outro lado, os valores deμ avg permaneceram semelhantes à medida que o estresse de contato aumentava em um banho de SF (Figura 6C). O μavg,SF foi de 0,013 ± 0,002 a 180 kPa, 0,011 ± 0,001 a 230 kPa e 0,011 ± 0,001 a 300 kPa.

No geral, os resultados demonstram a capacidade do dispositivo testador de atrito de aplicar concomitantemente a carga recíproca e normal a duas contraface biológicas. Neste estudo, amostras de sinovial-sobre-cartilagem testadas em um banho de SF não apresentaram aumento do coeficiente de atrito quando o estresse de contato foi aumentado, apoiando assim a noção de que a SF contribui para o baixo desgaste e baixas propriedades de atrito da articulação através de um mecanismo de lubrificação de fronteira.

Figure 1
Figura 1: Esquema de dispositivo de teste de atrito personalizado de dois eixos (esquerda) e seção transversal da amostra carregada na placa de Petri (à direita). O palco é anexado a um motor que induz o movimento deslizante e faz com que a superfície de contato inferior se articule contra a superfície superior de contato. A célula de carga coleta medições de carga em tempo real, enquanto o codificador linear do estágio de carregamento coleta medições de deslocamento de trepidação em tempo real. A figura foi modificada com permissão do Reference10. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Colheita de sinovial bovino. (A) O tendão patelar é cortado usando uma incisão horizontal superior à tíbia. (B,C) A patela é removida fazendo dois cortes anteriores a posteriores na forma de um V (linhas pontilhadas). (D) O contorno do sinolário é traçado com uma lâmina de bisturi. (E) O sinolio é então esticado distal ao osso subjacente e removido. Barra de escala = 5 cm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Colheita do plugue de cartilagem femoral bovina. (A) Um soco de biópsia de 15,9 mm de diâmetro é inserido normalmente na superfície da cartilagem articular do condílo femoral até que o osso seja atingido. (B) O soco e o plugue são removidos. Barra de escala = 16 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Colheita da tira tibial da cartilagem bovina. (A) O menisco é removido do planalto tibial. (B) As bordas do platô são cortadas para fazer lados retos (inset). (C) O interior do planalto é pontuado para criar uma tira. (D) Um corte é feito na interface cartilagem-osso. (E) Uma chave de fenda é inserida abaixo do corte. (F) A tira é removida. Barra de escala = 10 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Interface de usuário LabVIEW. O programa personalizado permite controlar vários parâmetros de teste, como aceleração de estágio, velocidade de estágio, trajeto de viagem e duração do teste. (A) Parcela de carga aplicada em tempo real (Fz vs. t onde Fz é a carga normal Fn), (B) posição do estepe (uxvs. t) e (C) trama de histerese (Fx vs. ux, onde Fxé a força tangencial Ft) são mostrados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.  

Figure 6
Figura 6: Medidas de atrito sinovial-sobre-cartilagem. (A) O dispositivo de teste de atrito configurado para o sinolio bovino juvenil (inset) em uma tira de cartilagem tibial. (B) Coeficiente de atrito representativo (μ) em função do plot temporal. (C) O coeficiente de atrito para várias tensões de contato (180 kPa, azul; 230 kPa, vermelho; 300 kPa, verde) em um banho de soro fisátil tamponado de fosfato (PBS, círculo fechado) ou fluido sinovial bovino (SF, círculo aberto). As barras de erro são médias com desvio padrão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Bioreator de atrito. (A) Esquema de bioreator de atrito com contrafaces superiores estacionárias e contrafaces inferiores móveis. (B) Uma visão lateral e (C) visão inferior do bioreator aplicando tesoura fisiológica em uma configuração sinovial-sobre-cartilagem. (D) O bioreator está alojado dentro de uma incubadora de cultura tecidual. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivos de codificação suplementar. Clique aqui para baixar este arquivo. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Existe um ambiente mecânico dinâmico dentro da articulação, pois a cartilagem é submetida a forças compressivas, de tração e cisalhamento, e pressões hidrostáticas e osmóticas44,45. Embora a cartilagem seja o principal tecido de suporte de carga da articulação, o sinolário também sofre interações de atrito com a superfície da cartilagem e consigo mesma em regiões onde o tecido se dobra. As interações físicas entre cartilagem e sinovia são provavelmente responsáveis pela transferência de células-tronco e liberação de células-tronco mesenquimais para o ambiente articular, oferecendo uma fonte celular potencial para contribuir para mecanismos (limitados) de reparação da cartilagem articular 37,38,39,40. As propriedades friccionais da cartilagem e do sinodolio têm implicações importantes para a manutenção e degeneração das articulações através do desgastetecidual 13. Um dispositivo capaz de fornecer movimento de tradução recíproca e carregamento compressivo é apresentado para estudar os processos mecânicos e mecanobiológicos responsáveis pela homeostase conjunta e progressão da doença.

A seleção dos parâmetros de teste e a montagem da amostra são duas etapas críticas do protocolo. O dispositivo aplica uma carga compressiva com pesos mortos ou um atuador de bobina de voz. O programa de software personalizado permite o controle sobre vários parâmetros, como duração do teste, velocidade do estágio e trajeto de viagem. Um problema pode surgir se a duração do teste for muito curta; quando este é o caso, a curta duração não permite que o coeficiente de atrito μ alcance o equilíbrio (μeq). Se a μ saída eq for desejada, o usuário deve selecionar uma duração de teste apropriada que será capaz de capturar o comportamento do tecido até que ele se torne constante. As amostras podem atingir o equilíbrio dentro de algumas horas após o teste, dependendo do tamanho da área de contato no tecido46. O tipo de teste também deve ser considerado. O dispositivo tem sido utilizado na área de contato estacionária e configurações de área de contato migratória para estudar propriedades de atrito de cartilagem 5,6,9,11,12,47. O caminho de viagem, a velocidade do estágio e a congruência das duas contrafaces podem ser manipulados para produzir o modo de teste desejado. Recomenda-se criar parcelas em tempo real na interface do usuário do programa LabVIEW para ajudar no monitoramento de um teste. Parcelas úteis incluem posição horizontal do palco vs. tempo, força normal vs. tempo, e força tangencial vs. posição do palco horizontal (histerese, Figura 5C). Por exemplo, o contador superior só deve descansar na contraface inferior para garantir que a carga total prescrita seja aplicada. O valor da carga aplicada pode ser confirmado visualizando o parcela de carga normal em tempo real (Figura 5A). A montagem de amostras deve ser segura para evitar deslizamentos ou rasgos teciduais que fornecerão medidas errôneas. O rasgo do sinovia devido à montagem inadequada resultará em um coeficiente de atrito incorreto, pois a superfície de montagem sob o sinolário será exposta. Esse erro pode ser detectado monitorando curvas de histerese em tempo real. A avaliação em tempo real das propriedades funcionais do dispositivo é distinta de outros sistemas de teste de atrito.

Todos os dados brutos precisam ser escritos em um arquivo que possa ser importado e processado pelo software de processamento de dados desejado. Recomenda-se coletar dados em uma frequência de pelo menos 10 pontos de dados/segundo e salvar dados brutos em um arquivo .csv ou .txt. O coeficiente de atrito pode ser calculado para cada posição em cada ciclo usando a equação Equation 1 onde t e n referem-se às forças tangenciais e normais, respectivamente, e onde + e - referem-se aos traços dianteiros e para trás, respectivamente, por ciclo5. Esta fórmula reconhece que o sinal de F-t é oposto ao de F+t. A força normal (Fn) é definida como a força em linha com a carga aplicada (sentido z, Figura 1), enquanto a força tangencial (Ft) é a força paralela com o deslizamento (x-direção, Figura 1). O coeficiente de atrito médio do ciclo pode ser calculado tomando a média de μ para todas as posições em um determinado ciclo. O deslocamento de arrepio é calculado pela normalização do deslocamento vertical da contraface superior de modo que o deslocamento inicial seja zero e os deslocamentos subsequentes sejam relativos ao deslocamento inicial. Se desejar, avaliações de tecido padrão e análises de mídia podem ser realizadas nas explantas testadas e alíquotas da solução de banho de teste. Antes da análise, recomenda-se registrar o volume de banho de teste a ser utilizado no processamento ou normalização dos dados.

As contrafaces modulares permitiram a adaptação de múltiplas configurações de teste. Estudos iniciais utilizaram testes de vidro na cartilagem para elucidar o papel do suporte de carga de fluidos intersticiais na tribologiada cartilagem 9,10. A importância da pressurização do fluido intersticial foi validada ainda mais pela comparação de testes de área de contato estacionário e migratório para cartilagem-na-cartilagem e cartilagem contra vidro11. Oungoulian et al.6 avaliaram o mecanismo de desgaste da cartilagem articular contra ligas metálicas utilizadas em hemiartroplastias e mostraram que as tensões geradas pelo contato deslizante por 4h facilitaram o desgaste da delaminação através da falha de fadiga subsuperficial. Este trabalho foi seguido por Durney et al.5, que demonstraram que o desgaste da delaminação ainda pode ocorrer quando o atrito permanece baixo sob uma configuração de área de contato migratória. Mais recentemente, Estell et al.13 relataram pela primeira vez as propriedades de atrito do sinolio em condições de teste que imitavam interações nativas com tecidos subjacentes (cartilagem e sinodio) e em condições que imitavam um estado osteoartrático (banho de fluido sinovial diluído com partículas de desgaste da cartilagem). Em última análise, a flexibilidade de design do dispositivo de teste de atrito permitiu que uma ampla gama de experimentos fossem realizados, contribuindo para uma maior compreensão da cartilagem e da tribologia do sinodio.

Uma limitação do sistema atual é que ele só pode manter condições de teste asséptico por algumas horas. Isso é conseguido através do gabinete acrílico, esterilizando componentes de contato de mídia via autoclave, e pulverizando o dispositivo de teste com 70% de etanol. O gabinete acrílico também inclui um elemento de aquecimento e capacidades constantes de monitoramento de temperatura. O elemento de aquecimento aquece o ar dentro da caixa, controlando a temperatura do ambiente interno, e pode ser controlado externamente para evitar expor as amostras ao ambiente externo. As condições assépticas podem ser alcançadas ainda mais através da colheita dos espécimes em um gabinete de segurança biológica estéril (BSC) e montagem dos espécimes dentro do BSC dentro de um recipiente estéril que pode interagir com a haste de suporte e base fixa. Para estudos de longo prazo, o gabinete acrílico pode ser equipado com os materiais necessários para fornecer um ambiente mais estéril (luz ultravioleta, fluxo de ar adequado e filtração, e controle de temperatura auto-regulante). Outra limitação é que o dispositivo de teste de atrito atual está configurado para testar uma única contraface superior e inferior. Uma abordagem de contraface de vários espécimes pode ser alcançada alterando o design de base de carga e base removível, convertendo o dispositivo de teste de atrito atual em um bioreator com uma capacidade multi-bem de aplicar carregamento fisiológico de cartilagem-sobre-cartilagem e sinovial-na-cartilagem. Um protótipo de trabalho usando uma placa de 6 poços foi criado (Figura 7). O design reserva a capacidade de modular contrafaces superiores e inferiores conforme desejado. A parte superior da placa está estacionária e presa a um rack de incubadora de cultura tecidual, enquanto a parte inferior da placa é anexada a um estágio de tradução. Semelhante ao dispositivo de teste de atrito atual, o peso morto pode ser adicionado para prescrever uma carga normal. Com o bioreator em um ambiente estéril, a mídia pode ser amostrada ao longo do tempo para avaliar respostas biológicas a regimes de carregamento. A próxima iteração de design procurará criar um bioreator autônomo que incorpore a tradução controlada por computador. Se a complexidade do dispositivo de teste de atrito fosse mantida no bioreator, mudanças nas propriedades mecânicas e mecanobiológicas teciduais poderiam ser medidas longitudinalmente.

Um dispositivo de teste de atrito que permite o controle sobre a entrega de movimento de tradução recíproca e carga normal para dois contrafacetos biológicos de contato é descrito. Neste estudo, utilizou-se uma configuração sinovial-sobre-cartilagem para demonstrar a modularidade do dispositivo e a capacidade de estudar as respostas de atrito dos tecidos vivos. Os resultados representativos reafirmaram o papel do fluido sinovial no fornecimento de lubrificação de limites para reduzir o desgaste e o atrito da articulação diarthrodial. O dispositivo permite a execução de experimentos em várias escalas que vão desde atrito em massa até mecanotransdução. O projeto pode operar em condições estéreis por algumas horas e pode ser convertido em um bioreator de longo prazo para recapitular o deslizamento compressivo da articulação, facilitando assim o estudo da biomecânica, mecanobiologia e regulação física dos tecidos articulares vivos. Estudos futuros contribuirão para entender como ambientes físicos saudáveis e doentes influenciam a manutenção das articulações.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pela Ortopédica Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 e 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

Bioengenharia Edição 184
Um dispositivo de teste de atrito-bioreator para estudo de biomecânica articular sinovial, mecanobiologia e regulação física
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