Un dispositivo de prueba de fricción-biorreactor para el estudio de la biomecánica de la articulación sinovial, la mecanobiología y la regulación física

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 aso....

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 ....

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 osmóticas^44,45. 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 .......

Materiales

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