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  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

El presente protocolo describe un dispositivo de prueba de fricción que aplica deslizamiento recíproco simultáneo y carga normal a dos contrafaces biológicas en contacto.

Resumen

En la osteoartritis primaria (OA), el "desgaste" normal asociado con el envejecimiento inhibe la capacidad del cartílago para mantener sus funciones de carga y lubricación, fomentando un entorno físico perjudicial. Las interacciones friccionales del cartílago articular y la sinovial pueden influir en la homeostasis articular a través del desgaste a nivel tisular y la mecanotransducción celular. Para estudiar estos procesos mecánicos y mecanobiológicos, se describe un dispositivo capaz de replicar el movimiento de la articulación. El dispositivo de prueba de fricción controla la entrega de movimiento de traducción recíproca y carga normal a dos contrafaces biológicas en contacto. Este estudio adopta una configuración de sinovial sobre cartílago, y las mediciones del coeficiente de fricción se presentan para las pruebas realizadas en un baño de solución salina tamponada con fosfato (PBS) o líquido sinovial (SF). Las pruebas se realizaron para una variedad de tensiones de contacto, destacando las propiedades lubricantes de SF bajo altas cargas. Este dispositivo de prueba de fricción se puede utilizar como un biorreactor biomimético para estudiar la regulación física de los tejidos articulares vivos en respuesta a la carga fisiológica aplicada asociada con la articulación articular diartrodial.

Introducción

La osteoartritis (OA) es una enfermedad articular debilitante y degenerativa que afecta a más de 32 millones de adultos estadounidenses, con un costo de atención médica y socioeconómico de más de $ 16.5 mil millones1. La enfermedad se ha caracterizado clásicamente por la degradación del cartílago articular y el hueso subcondral; sin embargo, los cambios en la membrana sinovial han obtenido recientemente aprecio ya que la sinovitis se ha relacionado con los síntomas de la OA y la progresión 2,3,4. En la OA primaria (idiopática), el "desgaste" normal asociado con el envejecimiento inhibe la capacidad del cartílago para mantener sus funciones de carga y lubricación. Se ha demostrado que las tensiones generadas por el contacto deslizante prolongado de las capas de cartílago articular o el contacto deslizante del cartílago contra los materiales del implante facilitan el desgaste de la delaminación a través de la falla de fatiga subsuperficial 5,6. Como existe un entorno mecánico dinámico dentro de la articulación 7,8, las interacciones de fricción del cartílago articular y la membrana sinovial pueden influir en la homeostasis articular a través del desgaste a nivel tisular y la mecanotransducción celular. Para estudiar estos procesos mecánicos y mecanobiológicos, se ha diseñado un dispositivo para replicar el movimiento de la articulación con un estricto control sobre la carga compresiva y friccional 5,6,9,10,11,12,13.

El presente protocolo describe un dispositivo de prueba de fricción que ofrece reciprocidad, traduciendo el movimiento y la carga compresiva a las superficies en contacto de los explantes de tejido vivo. El dispositivo controlado por computadora permite al usuario controlar la duración de cada prueba, la carga aplicada, el rango de movimiento de la etapa de traducción y la velocidad de traducción. El dispositivo es modular, lo que permite probar varias contrafaces, como tejido sobre tejido (cartílago sobre cartílago y sinovial sobre cartílago) y tejido sobre vidrio. Además de las mediciones funcionales obtenidas por el probador, los componentes de los tejidos y del baño lubricante se pueden evaluar antes y después de la prueba para evaluar los cambios biológicos impartidos por un régimen experimental determinado.

Los estudios de tribología del cartílago se han realizado durante décadas, y se han desarrollado varias técnicas para medir los coeficientes de fricción entre el cartílago y el vidrio y el cartílago sobre el cartílago14,15. Los diferentes enfoques están motivados por la articulación y/o el mecanismo de lubricación de interés. A menudo hay una compensación entre el control de variables experimentales y la recapitulación de parámetros fisiológicos. Los dispositivos de estilo péndulo utilizan articulaciones intactas como el punto de apoyo de un péndulo simple donde una superficie de articulación se traduce libremente sobre la segunda superficie 14,16,17,18. En lugar de utilizar articulaciones intactas, las mediciones de fricción se pueden obtener deslizando explantes de cartílago sobre las superficies deseadas 14,19,20,21,22,23,24,25. Los coeficientes de fricción reportados del cartílago articular han variado en un amplio rango (de 0,002 a 0,5) dependiendo de las condiciones de funcionamiento 14,26. Se han creado dispositivos para replicar el movimiento rotatorio 23,27,28. Gleghorn et al.26 desarrollaron un tribómetro personalizado de múltiples pocillos para observar los perfiles de lubricación del cartílago utilizando el análisis de la curva de Stribeck, y se aplicó un movimiento de deslizamiento oscilatorio lineal entre el cartílago contra una contracara de vidrio plano.

Este dispositivo tiene como objetivo aislar las respuestas de fricción y explorar la mecanobiología de los tejidos vivos bajo diversas condiciones de carga. El dispositivo emplea una configuración de prueba simplificada que simula la articulación de la articulación a través del deslizamiento compresivo, que puede aproximarse tanto al movimiento de rodadura como al movimiento de deslizamiento con el entendimiento de que la resistencia en el movimiento de rodadura puro es insignificante en relación con el coeficiente de fricción medido del cartílago articular29. Originalmente construido para estudiar los efectos de la presurización del líquido intersticial en la respuesta de fricción del cartílago articular9, el probador se ha utilizado desde entonces para explorar temas como los efectos de fricción de la eliminación de la zona superficial del cartílago10, los efectos lubricantes del líquido sinovial11, las hipótesis de desgaste del cartílago 5,6,30 y las mediciones de fricción de la membrana sinovial sobre el tejido13 . El biorreactor de prueba de fricción puede realizar experimentos de fricción en condiciones estériles, proporcionando un mecanismo novedoso para explorar cómo las fuerzas de fricción afectan las respuestas mecanobiológicas del cartílago vivo y la membrana sinovial. Este diseño se puede utilizar como un biorreactor biomimético para estudiar la regulación física de los tejidos articulares vivos en respuesta a la carga fisiológica aplicada asociada con la articulación articular diartródica.

Este estudio presenta una configuración para las pruebas de fricción de sinovial sobre cartílago en una variedad de tensiones de contacto y en diferentes baños lubricantes. El área de superficie articulada de la mayoría de las articulaciones es, en gran medida, el tejido sinovial31. Si bien el deslizamiento de la membrana sinovial sobre el cartílago no ocurre en las superficies primarias de carga, las interacciones de fricción entre los dos tejidos aún pueden tener implicaciones importantes para la reparación a nivel de tejido y la mecanotransducción celular. Anteriormente se ha demostrado que los sinoviocitos similares a los fibroblastos (FLS) que residen en la capa íntima de la membrana sinovial son mecanosensibles, respondiendo al estrés cortante inducido porlíquidos 32. También se ha demostrado que el estiramiento33,34 y la tensión de cizallamiento inducida por fluidos35 modulan la producción de lubricante FLS. Como tal, el contacto deslizante directo entre la membrana sinovial y el cartílago puede proporcionar otro estímulo mecánico a las células residentes en la membrana sinovial.

Sólo se han publicado unos pocos informes sobre los coeficientes de fricciónsinovial 31,36. Estell et al.13 buscaron ampliar la caracterización anterior utilizando contrafaces biológicamente relevantes. Con la capacidad del dispositivo de prueba de fricción para probar tejidos vivos, es posible imitar las interacciones fisiológicas del tejido durante la articulación articular para dilucidar el papel del estrés cortante de contacto en la función de los sinoviocitos y su contribución a la diafonía entre la membrana sinovial y el cartílago. Este último se ha implicado en la mediación de la inflamación de la articulación sinovial en la artritis y la post-lesión. Debido a la proximidad física del cartílago a la sinovial y al líquido sinovial, que contienen sinoviocitos que exhiben capacidad multipotente, incluida la condrogénesis, se postula que los sinoviocitos desempeñan un papel en la homeostasis y reparación del cartílago mediante el injerto en la superficie articular. En este contexto, el contacto físico y el cizallamiento recíproco del cartílago-sinovial y sinovial-sinovial pueden aumentar la accesibilidad de los sinoviocitos a las regiones de daño del cartílago 37,38,39,40. Los estudios que utilizan configuraciones de sinovial sobre cartílago no solo proporcionarán información sobre la mecánica del tejido grueso articular y la tribología, sino que también pueden conducir a nuevas estrategias para mantener la salud de las articulaciones.

Protocolo

Para el presente estudio se utilizaron articulaciones de rodilla bovinas juveniles, obtenidas de un matadero local. Los estudios con tales muestras de especímenes bovinos están exentos del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de Columbia (IACUC).

1. Diseño del dispositivo de prueba de fricción

NOTA: En la Figura 1 se muestra una representación esquemática del dispositivo de prueba de fricción. El dispositivo está construido sobre una placa base rígida (no se muestra), que sirve como plataforma para el soporte estructural.

  1. Conecte un motor paso a paso a la etapa de traslación horizontal (consulte la Tabla de materiales), creando un dispositivo de prueba de fricción de dos ejes que ofrece movimiento de traducción recíproco a las superficies de contacto.
  2. Monte una célula de carga multiaxial en la etapa de traslación (consulte la Tabla de materiales). La célula de carga montada se utilizará para medir la carga normal en la dirección z (Fn) y la carga tangencial en la dirección x (Ft).
  3. Equipar la etapa de traslación con un codificador lineal (ver Tabla de Materiales) para registrar el desplazamiento horizontal (ux) de la etapa. Además, equipe la etapa de carga con un codificador lineal (consulte la Tabla de materiales) para registrar el desplazamiento vertical (uz) de la placa.
    NOTA: El codificador de etapa de traslación registra el desplazamiento tangencial relativo de las superficies de contacto, y esta información se utiliza para detectar el comienzo de cada nuevo ciclo de deslizamiento alternativo.
  4. Configure la placa de carga (superficie de contacto superior) como una contracara de vidrio, cartílago o sinovial. Conecte la placa a la etapa de carga a través de una varilla de soporte roscada.
  5. Conecte una base magnética de dos partes a la parte superior de la célula de carga (consulte la Tabla de materiales): (1) una base fija que esté permanentemente unida a la célula de carga y (2) una base extraíble que se conecte magnéticamente a la base fija. Asegúrese de que las dos partes formen una conexión estrecha.
    NOTA: La base extraíble sostendrá la contracara de traducción (superficie de contacto inferior).
  6. Prescribir una carga normal. Utilice peso muerto montado en rodamientos lineales por encima de la placa de carga y la varilla de soporte. Alternativamente, especifique una carga utilizando el actuador de bobina de voz (consulte la Tabla de materiales), que puede cargar dinámicamente la superficie de contacto inferior41.
  7. Coloque el dispositivo dentro de una carcasa acrílica con marco de aluminio (consulte la Tabla de materiales) para proteger su entorno de la contaminación.
    NOTA: Un programa LabVIEW personalizado controla el dispositivo (consulte Archivos de codificación suplementarios) con control de usuario de la duración de cada prueba, así como la ruta de recorrido de la etapa, la aceleración (cambio de dirección) y la velocidad. La fuerza normal, la fuerza tangencial, el desplazamiento de etapa y el desplazamiento de fluencia se monitorean durante toda la prueba con hardware y software de adquisición de datos (consulte la Tabla de materiales).

2. Preparación y montaje de la muestra

  1. Prepárese para una cosecha de tejido estéril siguiendo los pasos a continuación.
    NOTA: Si no se desea una cosecha estéril, continúe con el paso 2.2.
    1. Esterilizar herramientas metálicas en autoclave. Rocíe los portaartros con etanol al 70% y colóquelos en el gabinete de seguridad biológica (BSC). Cierre el gabinete durante un ciclo ultravioleta (UV).
    2. Recupere las herramientas del autoclave. Coloque las herramientas, la betadina, las cuchillas de bisturí estériles y los vasos de precipitados que contengan 70% de etanol en el BSC.
    3. Dentro del BSC, abra las herramientas y colóquelas en vasos de precipitados de etanol al 70%. Fije las cuchillas del bisturí a los mangos del bisturí.
    4. Prepare la articulación para la cosecha. Rocíe el exterior de la junta con etanol al 70% y envuélvalo en papel de aluminio durante 30 min. Tenga cuidado de no romper la cápsula articular.
      NOTA: Las articulaciones juveniles de la rodilla bovina se recibieron con el fémur y la tibia cortados aproximadamente 15 cm superiores e inferiores a la articulación para asegurar una cápsula intacta.
    5. Después de 30 minutos, coloque la junta envuelta dentro del BSC. Abra la lámina y asegure la junta a su soporte. Cubra la articulación con betadina limpiando suavemente la betadina a través de la superficie de la articulación.
      NOTA: Consulte los pasos 2.2 y 2.3 para obtener instrucciones específicas de la membrana sinovial e instrucciones específicas del cartílago, respectivamente.
  2. Cosechar la sinovial bovina juvenil siguiendo los pasos a continuación.
    1. Asegure la cápsula de la articulación tibiofemoral con un soporte de anillo (consulte la Tabla de materiales) con el lado anterior orientado hacia el disector. Usando fórceps y una cuchilla de bisturí, corte el tendón rotuliano usando una incisión horizontal de 5-10 cm (dependiendo del tamaño de la articulación) superior a la tibia (Figura 2A).
    2. Sostenga el tendón de la rótula desprendido con fórceps. Realice dos cortes anteriores a posteriores en forma de V (Figura 2B, C). Estos cortes deben liberar la rótula.
      NOTA: A medida que la articulación comienza a abrirse, tenga cuidado de no cortar el ligamento cruzado anterior (LCA), el ligamento cruzado posterior (LCP), el ligamento colateral medial (LCM), el ligamento colateral lateral (LCL) y el menisco.
    3. Gire la rótula detrás de la articulación o retírela completamente de la articulación. Retire cuidadosamente el tejido superficial a la membrana sinovial en los lados medial y lateral de la articulación para exponer la membrana sinovial.
    4. Usando una cuchilla de bisturí, trace el contorno de la región sinovial de interés. Usando fórceps, agarre un extremo de la membrana sinovial y levante suavemente para estirar la sinovial distal al hueso subyacente. Use una cuchilla de bisturí para extraer la membrana sinovial del hueso (Figura 2D, E).
    5. Coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. El explante sinovial puede ser cultivado para un experimento deseado o montado y utilizado para pruebas.
      NOTA: Los medios de cultivo / soluciones de baño de prueba pueden variar según la preferencia de un grupo de investigación. Para los hechos a medida utilizados para el presente estudio, consulte la Tabla de materiales.
  3. Cosechar el cartílago bovino juvenil (tapones femorales y tiras tibiales).
    1. Separe el fémur de la tibia cortando el LCA, EL LCP, el LCM y el LCL. Tenga cuidado de no cortar el cartílago del cóndilo femoral o cortar a través del menisco hasta la meseta tibial. Coloque los tejidos separados en sus respectivos soportes para la disección (paso 2.3.2 para el fémur y paso 2.3.3 para la tibia).
    2. Asegure el fémur con un soporte de anillo. Usando una punción de biopsia de la forma y el tamaño deseados, conduzca el instrumento normal a la superficie del cartílago articular del cóndilo femoral hasta llegar al hueso (Figura 3A).
      1. Afloje la conexión del tapón al hueso moviendo el punzón de izquierda a derecha y de adelante hacia atrás. Haga esto sin quitar el golpe.
        NOTA: Se pueden escuchar sonidos crepitantes a medida que el hueso se separa del cartílago.
      2. Retire el punzón, y por lo tanto el tapón, del hueso subyacente (Figura 3B). Si es necesario, repita los pasos 2.3.2, 2.3.2.1 y 2.3.2.2 para las ubicaciones intactas restantes en el cóndilo.
        NOTA: En preparación para montar el tapón femoral en una base de prueba, es posible que sea necesario afeitar el lado profundo del tapón. Esto se puede hacer con un cortador de caja o bisturí.
      3. Coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. El tapón femoral puede ser cultivado para un experimento deseado o montado y utilizado para pruebas.
    3. Asegure la tibia en un soporte ajustable (consulte la Tabla de materiales). Retire el menisco con cuidado mientras evita el contacto con la superficie del cartílago (Figura 4A).
      1. En los bordes externos de la meseta tibial, use un cortador de caja para cortar perpendicularmente al cartílago hacia el hueso. Corte completamente a través del cartílago para hacer bordes / lados rectos (Figura 4B). Comience el corte aproximadamente a 2 mm de distancia de cada borde de la meseta tibial y elimine el exceso de tejido. Puntúe los bordes internos del cartílago (Figura 4C).
        NOTA: En este punto, el hueso debe ser visible debajo del cartílago en los bordes exteriores de la meseta tibial.
      2. En los bordes exteriores, use el cortador de caja para hacer un corte limpio en la interfaz entre el hueso y el cartílago (Figura 4D).
        NOTA: El corte debe ser paralelo a la superficie del cartílago y aproximadamente 5 mm hacia adentro, lo suficientemente profundo como para comenzar a separar el cartílago y el hueso.
      3. Para retirar la tira tibial de la superficie de la meseta, inserte suavemente un destornillador de cabeza plana debajo del corte realizado en el paso 2.3.3.2. Gire suavemente el destornillador para aflojar el cartílago articular del hueso subcondral (Figura 4E).
        NOTA: Se pueden escuchar sonidos crepitantes a medida que el hueso se separa del cartílago.
      4. A medida que la muestra se afloje, empuje lentamente el destornillador hacia adelante hasta que la tira de cartílago se desprenda del hueso. Empuje el destornillador hacia el hueso, no hacia el cartílago. Repita este proceso en múltiples ubicaciones hasta que el cartílago articular de la meseta tibial se elimine completamente del hueso subyacente (Figura 4F).
      5. Usando un cortador de caja, corte la superficie de la meseta tibial para producir muestras rectangulares del tamaño y grosor deseados.
        NOTA: Para el presente estudio, se cortaron tiras de 10 mm x 30 mm, pero esta dimensión se puede variar según el experimento deseado y la configuración de prueba.
      6. Coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. La tira tibial puede cultivarse para un experimento deseado o montarse y usarse para pruebas.
      7. Si es necesario, repita los pasos 2.3.3.1-2.3.3.6 para la segunda meseta tibial.
  4. Monte la membrana sinovial y el cartílago siguiendo los pasos a continuación.
    1. Si lo desea, seleccione una muestra de tira tibial para probar.
      NOTA: La tira se puede probar como la contracara inferior.
      1. Retire la base magnética extraíble (consulte la Tabla de materiales) y pegue una placa de Petri de 60 mm de diámetro a la superficie superior de la base extraíble.
      2. Con la placa de Petri pegada en su lugar, conecte la base extraíble a la base fija y marque la placa de Petri para indicar una dirección de deslizamiento.
      3. Aplique una pequeña cantidad de cianoacrilato (ver Tabla de materiales) en el centro del plato. Alinee la tira tibial con la dirección deslizante del escenario (como lo indica la marca en la placa de Petri de 2.4.1.2). Presione suavemente la tira de cartílago sobre el plato. Tenga cuidado de no rascarse la superficie del cartílago.
        NOTA: Una herramienta de succión (consulte la Tabla de materiales) puede aplicar una presión suave al cartílago sin dañar la superficie que se va a probar por fricción.
      4. Restaure la base magnética extraíble (con tira de cartílago adjunta) a su base fija magnética emparejada en el probador de fricción. Llene la placa de Petri con la solución de baño de prueba deseada. La solución de baño de prueba debe cubrir completamente el cartílago.
    2. Si lo desea, seleccione un tapón de cartílago femoral para probar.
      NOTA: El enchufe se puede probar como la contracara inferior o superior.
      1. Si se utiliza el cóndilo femoral como contracara inferior, retire la base magnética extraíble y pegue una placa de Petri de 60 mm de diámetro a la superficie superior de la base extraíble.
        1. Aplique una pequeña cantidad de cianoacrilato en el centro del plato. Presione suavemente el tapón de cartílago sobre el plato.
          NOTA: Una herramienta de succión puede aplicar una presión suave al cartílago sin dañar la superficie que se va a probar por fricción.
        2. Restaure la base magnética extraíble (con tapón de cartílago adjunto) a su base fija magnética emparejada en el probador de fricción. Llene la placa de Petri con la solución de baño de prueba deseada. La solución de baño de prueba debe cubrir completamente el cartílago.
      2. Si se utiliza el cartílago femoral como contracara superior, retire la placa de carga y la varilla de soporte del probador de fricción. Si es necesario, retire la placa existente y seleccione una nueva placa adecuada para el montaje del cartílago.
        1. Aplique una pequeña cantidad de cianoacrilato a la superficie de la placa. Presione suavemente el tapón de cartílago sobre la placa.
          NOTA: Una herramienta de succión puede aplicar una presión suave al cartílago sin dañar la superficie que se va a probar por fricción.
        2. Restaure la placa de carga (con tapón de cartílago adjunto) y la varilla de soporte al probador de fricción. Ajuste la altura vertical de la placa de carga de modo que el tapón de cartílago se desplace sobre la contracara inferior y se sumerja en el baño de prueba. Agregue más solución de baño de prueba si es necesario.
    3. Si lo desea, seleccione la muestra de sinovial que desea analizar.
      NOTA: La membrana sinovial se puede probar como la contracara inferior o superior.
      1. Si se utiliza la membrana sinovial como contracara inferior, retire la base magnética extraíble y pegue una placa de Petri de 60 mm de diámetro a la superficie superior de la base extraíble.
        1. Pegue un poste circular de acrílico-silicona mecanizado a medida del diámetro deseado en el centro del plato.
        2. Usando fórceps, coloque la membrana sinovial en la parte superior del poste. Para asegurar la membrana sinovial, extienda una junta tórica (ver Tabla de Materiales) sobre su circunferencia.
        3. Usando fórceps, tire suavemente de la membrana sinovial para estirar el tejido enseñado y plano debajo de la junta tórica. Recorte el exceso de tejido con tijeras quirúrgicas.
        4. Restaure la base magnética extraíble (con la membrana sinovial conectada) a su base fija magnética emparejada en el probador de fricción. Llene la placa de Petri con la solución de baño de prueba deseada. La solución de baño de prueba debe cubrir completamente la membrana sinovial.
      2. Si se utiliza la membrana sinovial como contracara superior, retire la placa de carga y la varilla de soporte del probador de fricción. Si es necesario, retire la placa existente y seleccione una nueva placa circular adecuada para el montaje de la membrana sinovial.
        1. Usando fórceps, coloque la membrana sinovial en la parte superior de la placa circular. Para asegurar la membrana sinovial, extienda una junta tórica sobre su circunferencia.
        2. Usando fórceps, tire suavemente de la membrana sinovial para estirar el tejido enseñado y plano debajo de la junta tórica. Recorte el exceso de tejido con tijeras quirúrgicas.
        3. Restaure la placa de carga (con sinovial conectada) y la varilla de soporte al probador de fricción. Ajuste la altura vertical de la placa de carga de modo que la membrana sinovial se desplace sobre la contracara inferior y se sumerja en el baño de prueba. Agregue más solución de baño de prueba si es necesario.

3. Pruebas de fricción

NOTA: Para estas pruebas se utiliza un programa LabVIEW personalizado y el hardware asociado (consulte Archivos de codificación suplementarios). Tenga en cuenta que el código personalizado se creó en LabVIEW 2010 y se ha mantenido en esta misma versión heredada. Como resultado, es posible que el código no sea compatible con la versión más reciente del software. Los siguientes golpes de botón y referencias de interfaz de usuario solo serán relevantes para el código personalizado. Si se trabaja con una versión de software diferente, se puede escribir un programa personalizado similar modificando el código.

  1. Inserte las muestras montadas (paso 2.4) en el dispositivo de prueba de fricción.
    NOTA: Las muestras deben sumergirse en la solución de baño de prueba, pero no deben estar en contacto entre sí.
  2. Abra el programa de software y prescriba los parámetros de prueba: velocidad de la etapa, aceleración de la etapa, trayectoria de viaje (distancia) y duración de la prueba (Figura 5).
    1. Abra las tres ventanas del programa: Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID y Trigger Dynamic Caller.
    2. Ejecute la ventana MFDAQ de Analog Data Build presionando el botón Ejecutar (flecha blanca).
    3. Ejecute la ventana Inicializar carga PID presionando el botón Ejecutar (flecha blanca).
    4. Desplácese hasta la pestaña Stepper en la ventana Trigger Dynamic Caller. Especifique la aceleración, la velocidad y la distancia de la etapa de traducción en los cuadros de entrada del usuario.
      NOTA: El valor de distancia establece la longitud media de la pista de desgaste. En otras palabras, la etapa se moverá de la ubicación cero especificada (paso 3.5) al valor de distancia establecido en las direcciones x positiva y negativa.
    5. En la ficha Stepper, especifique la duración de la prueba seleccionando la ruta del archivo Stepper Time Index . Haga clic en el botón Abrir carpeta en la parte inferior derecha de la tabla Time-State y seleccione el archivo.
    6. Especifique la duración de la prueba también en la pestaña Bobina de voz. Desplácese hasta la pestaña Bobina de voz en la ventana Activar llamada dinámica. De manera similar al paso 3.2.5, seleccione la ruta del archivo de índice de bobina de voz haciendo clic en el botón Abrir carpeta en la parte inferior derecha de la tabla de estado de tiempo y seleccione el archivo. La duración debe coincidir con la de la pestaña Stepper .
  3. Prescribir la carga normal. Si utiliza pesos muertos, coloque los pesos deseados en los rodamientos lineales por encima de la placa de carga. Asegúrese de que la carga aplicada más el peso de la placa de carga y la varilla de soporte no superen la capacidad nominal de la célula de carga.
  4. Seleccione la ruta de acceso y el nombre de archivo para el almacenamiento de datos mediante el botón Abrir carpeta a la derecha del cuadro ¿Escribir en archivo?. Guarde el archivo con una extensión ".txt".
  5. Centra la contracara inferior debajo de la contracara superior. Establezca esto como la posición x cero.
    1. Ejecute la ventana Trigger Dynamic Caller presionando el botón Ejecutar (flecha blanca). En la pestaña Stepper, haga clic en el botón Inicio para mover el escenario a la última posición x cero guardada.
    2. Si las contracaras no están alineadas, mueva el escenario haciendo clic en los botones verdes de flecha izquierda y derecha . Cuando se alcance la ubicación deseada, haga clic en el botón Cero para guardar la ubicación actual de la etapa como la nueva posición x cero. Detenga la ventana Trigger Dynamic Caller haciendo clic en el botón Detener .
      NOTA: La ubicación del escenario solo se puede guardar mientras se ejecuta la ventana Trigger Dynamic Caller, pero el escenario aún no se está moviendo según lo especificado por el programa. Al presionar el botón Ejecutar (flecha blanca) en el paso 3.5.1 se iniciará un período de tiempo de 15 s antes de que la etapa comience a moverse. Utilice este marco de tiempo de 15 s para mover el escenario y guardar la ubicación cero deseada.
    3. Si no se obtiene la posición x cero deseada en el primer intento, repita el paso 3.5.1.
      NOTA: Puede ser útil presionar el botón Cero de forma intermitente para guardar la posición del escenario a medida que el usuario mueve la contracara inferior debajo de la contracara superior. Recuerde que al hacer clic en el botón Inicio se moverá el escenario a la última posición guardada por el botón Cero .
  6. Una vez que las contrafaces superior e inferior estén centradas, inicie las pruebas de fricción de las muestras iniciando el movimiento cíclico de la etapa. Para ello, ejecute la ventana Activar llamada dinámica pulsando el botón Ejecutar (flecha blanca).
  7. Una vez que el escenario se mueva, ponga lentamente la contracara superior en contacto con la inferior.
    NOTA: El valor de carga aplicado se puede confirmar viendo el gráfico en tiempo real Fz en la ventana de software (Figura 5A).
  8. Deje que se ejecute la prueba, recopilando los datos de la prueba de fricción.
    NOTA: Se sobrescribirán todos los datos registrados durante el paso 3.5. La histéresis en tiempo real se puede ver en la ventana Trigger Dynamic Caller (Figura 5C).
  9. Después de la duración de la prueba deseada, detenga la prueba presionando el botón Detener y descargando las muestras levantando la contracara superior y moviéndola fuera de contacto con la contracara inferior.

4. Tratamiento de datos

NOTA: Se utiliza un programa MATLAB personalizado para el procesamiento de datos (consulte Archivos de codificación suplementarios). El código llama a los archivos de salida especificados por el código personalizado de LabVIEW.

  1. Utilice el código personalizado para calcular el coeficiente de fricción y el desplazamiento de fluencia (deformación del tejido dependiente del tiempo) por ciclo.
    1. Asegúrese de que todos los códigos relevantes se guarden en la misma carpeta: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m" y "frictioncycle_run.m".
      NOTA: Estos códigos de MATLAB fueron escritos para ser utilizados con las salidas específicas del código LabVIEW antes mencionado. Si el usuario ha creado su propio código o ha realizado modificaciones en el que se describe aquí, es posible que sea necesario editar los scripts de MATLAB para adaptarse a esos cambios.
    2. Abra el archivo frictioncycle_run.m. Haga clic en el botón Ejecutar (flecha verde) en el script. Seleccione el archivo de datos sin procesar que se va a analizar y la ubicación de guardado de salida de MATLAB deseada.
      NOTA: El software puede requerir unos minutos para procesar los datos dependiendo de la duración de la prueba.
  2. Si lo desea, realice evaluaciones de tejidos estándar y análisis de medios en los explantes y alícuotas probados de la solución de baño de prueba.

Resultados

Se utilizó una configuración de sinovial sobre cartílago para probar por fricción los explantes bovinos juveniles. La membrana sinovial se montó en una placa de carga acrílica de 10 mm de diámetro de tal manera que la capa íntima estuviera en contacto con el cartílago subyacente. Se utilizó una tira tibial como contrafabierta del cartílago (Figura 6A). Las tiras tibiales se cortaron con una profundidad de aproximadamente 1,4 mm y un tamaño de 10 mm x 30 mm. Las muestras se analiz...

Discusión

Existe un entorno mecánico dinámico dentro de la articulación, ya que el cartílago está sujeto a fuerzas de compresión, tracción y cizallamiento, y presiones hidrostáticas y osmóticas44,45. Aunque el cartílago es el principal tejido de carga de la articulación, la membrana sinovial también experimenta interacciones de fricción con la superficie del cartílago y consigo misma en las regiones donde el tejido se pliega. Las interacciones físicas entre ...

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por la Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 y NIGMS R01 692 GM083925 (ID del financiador: 10.13039/100000057).

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
Aluminum foilReynolds Group HoldingsReynolds WrapSterile tissue harvest
Aluminum-framed acrylic enclosureCustom madeFriction tester component
Autoclavable instant sealing sterilization pouchesFisherbrand01-812-54Sterilization of tools
AutoclaveBuxtonSterilization of tools
Beaker (250 mL)Pyrex Vista70000Tissue harvest
Betadine (Povidone Iodine Prep Solution)Medline Industries, LPMDS093906Sterile tissue harvest
Biological safety cabinetLabconcoPurifier Logic+ Class II, Type A2 BSCSterile tissue harvest
Biospy punchSteritool Inc.50162Tissue harvest
Box cutterAmerican Safety Razor Company94-120-71Tissue harvest
Circular acrylic-sillicone post (synovium)Custom madeTissue mounting
Culture mediaCustom madeDMEM (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)Henkel135455Tissue mounting
Dead weightsOHAUSNormal load
Ethanol 200 proofDecon Labs, Inc.2701Dilute to 70 %
Fixed baseThorLabs, Inc.SB1TFriction tester component
Forceps (synovium harvest)Fine Science Tools11019-12Tissue harvest
Forceps (synovium mounting)Excelta3C-S-PITissue mounting
Horizontal linear encoder (for translating stage)RSF Electronics, Inc.MSA 670.63Friction tester component; system resolution of 1 µm
Hot glue gun and glueFPC CorporationSurebonder Pro 4000ATissue mounting
LabVIEWNational Instruments CorporationLabVIEW  2010Friction testing program
Load cellJR3 Inc.20E12A-M25BFriction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z
Loading platenCustom madeTissue mounting
O-ringParkerS1138AS568-009Tissue mounting
Petri dish (60 mm)Falcon351007Tissue mounting
PivotLok Work Positioner (tibia holder)Industry Depot, Pivot LokPL325Tissue harvest
Removable baseThorLabs, Inc.SB1BFriction tester component
Ring standTissue harvest
Scalpel bladesHavel's Inc.FSC22Tissue harvest
Scalpel handleFEATHER Safety Razor Co., Ltd.No. 4Tissue harvest
ScrewdriverWera3334Tissue harvest
StageJMARFriction tester component
Stepper motorOriental Motor Co., Ltd.PK266-03BFriction tester component
Suction toolVirtual Industries, Inc.PEN-VAC Vacuum PenTissue mounting
Support rodCustom madeTissue mounting
Surgical scissorsFine Science Tools14061-09Tissue mounting
Synovial fluid (bovine)Animal Technologies, Inc.Friction testing bath
Testing bathCustom madePhosphate-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 incubatorFisher ScientificIsotempSterile culture
Vertical linear encoder (for loading stage)RenishawT1031-30AFriction tester component; 20 nm resolution
Voice coil actuatorH2W TechnologiesNCC20-15-027-1RCFriction tester component

Referencias

  1. 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. , (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).

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