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Résumé

Le présent protocole décrit un dispositif d’essai de frottement qui applique simultanément un glissement réciproque et une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact.

Résumé

Dans l’arthrose primaire (OA), l’usure normale associée au vieillissement inhibe la capacité du cartilage à maintenir ses fonctions de charge et de lubrification, favorisant un environnement physique délétère. Les interactions frictionnelles du cartilage articulaire et de la synoviale peuvent influencer l’homéostasie articulaire par l’usure au niveau tissulaire et la mécanotransduction cellulaire. Pour étudier ces processus mécaniques et mécanobiologiques, un dispositif capable de reproduire le mouvement de l’articulation est décrit. Le dispositif d’essai de frottement contrôle la livraison d’un mouvement de traduction réciproque et d’une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact. Cette étude adopte une configuration synoviale sur cartilage, et des mesures de coefficient de frottement sont présentées pour les tests effectués dans un bain de solution saline tamponnée au phosphate (PBS) ou de liquide synovial (SF). Les essais ont été effectués pour une gamme de contraintes de contact, mettant en évidence les propriétés lubrifiantes du SF sous des charges élevées. Ce dispositif de test de friction peut être utilisé comme bioréacteur biomimétique pour étudier la régulation physique des tissus articulaires vivants en réponse à la charge physiologique appliquée associée à l’articulation de l’articulation de l’articulation diarthrodienne.

Introduction

L’arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative débilitante qui touche plus de 32 millions d’adultes américains, avec un coût sanitaire et socio-économique de plus de 16,5 milliards de dollars1. La maladie a été classiquement caractérisée par la dégradation du cartilage articulaire et de l’os sous-chondral; cependant, les changements apportés à la synoviale ont récemment été appréciés, car la synovite a été liée aux symptômes et à la progressionde l’arthrose 2,3,4. Dans l’arthrose primaire (idiopathique), l’usure normale associée au vieillissement inhibe la capacité du cartilage à maintenir ses fonctions de charge et de lubrification. Il a été démontré que les contraintes générées par le contact glissant prolongé des couches de cartilage articulaire ou le contact glissant du cartilage contre les matériaux de l’implant facilitent l’usure du délaminage en cas de défaillance de fatigue souterraine 5,6. Comme un environnement mécanique dynamique existe dans l’articulation 7,8, les interactions de friction du cartilage articulaire et de la synoviale peuvent influencer l’homéostasie articulaire par l’usure au niveau des tissus et la mécanotransduction cellulaire. Pour étudier ces processus mécaniques et mécanobiologiques, un dispositif a été conçu pour reproduire le mouvement du joint avec un contrôle étroit sur la charge de compression et de frottement 5,6,9,10,11,12,13.

Le présent protocole décrit un dispositif d’essai de frottement qui délivre réciproquement, traduisant le mouvement et la charge de compression aux surfaces de contact des explants de tissus vivants. Le dispositif contrôlé par ordinateur permet à l’utilisateur de contrôler la durée de chaque test, la charge appliquée, l’amplitude de mouvement de l’étape de traduction et la vitesse de traduction. Le dispositif est modulaire, permettant de tester diverses contre-faces, telles que tissu sur tissu (cartilage sur cartilage et synoviale sur cartilage) et tissu sur verre. En plus des mesures fonctionnelles obtenues par le testeur, les composants tissulaires et de bain de lubrification peuvent être évalués avant et après les tests pour évaluer les changements biologiques induits par un régime expérimental donné.

Des études de tribologie du cartilage ont été réalisées pendant des décennies, et plusieurs techniques ont été développées pour mesurer les coefficients de frottement entre le cartilage et le verre et le cartilage sur le cartilage14,15. Les différentes approches sont motivées par le joint et/ou le mécanisme de lubrification d’intérêt. Il y a souvent un compromis entre le contrôle des variables expérimentales et la récapitulation des paramètres physiologiques. Les dispositifs de type pendule utilisent des joints intacts comme point d’appui d’un pendule simple où une surface articulaire se traduit librement sur la deuxième surface 14,16,17,18. Au lieu d’utiliser des articulations intactes, des mesures de frottement peuvent être obtenues en faisant glisser des explants de cartilage sur les surfaces souhaitées 14,19,20,21,22,23,24,25. Les coefficients de frottement rapportés du cartilage articulaire ont varié sur une large plage (de 0,002 à 0,5) en fonction des conditions de fonctionnement14,26. Des dispositifs ont été créés pour reproduire le mouvement rotatif 23,27,28. Gleghorn et al.26 ont développé un tribomètre personnalisé multi-puits pour observer les profils de lubrification du cartilage à l’aide de l’analyse de la courbe de Stribeck, et un mouvement de glissement oscillatoire linéaire a été appliqué entre le cartilage contre une contre-face en verre plat.

Cet appareil vise à isoler les réponses de frottement et à explorer la mécanobiologie des tissus vivants dans diverses conditions de charge. Le dispositif utilise une configuration d’essai simplifiée simulant l’articulation articulaire par glissement compressif, ce qui peut approximer à la fois le mouvement de roulement et de glissement, étant entendu que la résistance au mouvement de roulement pur est négligeable par rapport au coefficient de frottement mesuré du cartilage articulaire29. Construit à l’origine pour étudier les effets de la pressurisation du liquide interstitiel sur la réponse de friction du cartilage articulaire9, le testeur a depuis été utilisé pour explorer des sujets tels que les effets de friction de l’élimination de la zone superficielle du cartilage10, les effets lubrifiants du liquide synovial11, les hypothèses d’usure du cartilage 5,6,30 et les mesures de friction synoviale sur tissu13 . Le bioréacteur d’essai de friction peut mener des expériences de friction dans des conditions stériles, fournissant un nouveau mécanisme pour explorer comment les forces de frottement affectent les réponses mécanobiologiques du cartilage vivant et de la synoviale. Cette conception peut être utilisée comme bioréacteur biomimétique pour étudier la régulation physique des tissus articulaires vivants en réponse à la charge physiologique appliquée associée à l’articulation de l’articulation diarthrodienne.

Cette étude présente une configuration pour les tests de frottement synoviale sur cartilage sur une gamme de contraintes de contact et dans différents bains de lubrification. La surface articulée de la plupart des articulations est, dans une large mesure, le tissu synovial31. Bien que le glissement synoviale sur cartilage ne se produise pas sur les surfaces portantes primaires, les interactions de friction entre les deux tissus peuvent encore avoir des implications importantes pour la réparation au niveau tissulaire et la mécanotransduction cellulaire. Il a déjà été démontré que les synoviocytes de type fibroblaste (SLJ) résidant sur la couche intimale de la synoviale sont mécanosensibles, répondant au stress de cisaillement induit par le liquide32. Il a également été démontré que l’étirement33,34 et la contrainte de cisaillement induite par fluide35 modulent la production de lubrifiant FLS. En tant que tel, le contact coulissant direct entre la synoviale et le cartilage peut fournir un autre stimulus mécanique aux cellules résidentes de la synoviale.

Seuls quelques rapports sur les coefficients de frottement synoviale ont été publiés31,36. Estell et al.13 ont cherché à développer la caractérisation précédente en utilisant des contre-faces biologiquement pertinentes. Grâce à la capacité du dispositif de test de friction à tester les tissus vivants, il est possible d’imiter les interactions physiologiques des tissus pendant l’articulation articulaire pour élucider le rôle de la contrainte de cisaillement de contact sur la fonction synoviocytaire et sa contribution à la diaphonie entre la synoviale et le cartilage. Ce dernier a été impliqué dans la médiation de l’inflammation de l’articulation synoviale dans l’arthrite et post-blessure. En raison de la proximité physique du cartilage avec la synoviale et le liquide synovial, qui contiennent des synoviocytes présentant une capacité multipotente, y compris la chondrogenèse, il est postulé que les synoviocytes jouent un rôle dans l’homéostasie du cartilage et la réparation en se greffant à la surface articulaire. Dans ce contexte, le contact physique et le cisaillement réciproque du cartilage-synoviale et de la synoviale-synoviale peuvent augmenter l’accessibilité des synoviocytes aux régions de lésions cartilagineuses 37,38,39,40. Les études utilisant des configurations synoviale sur cartilage fourniront non seulement des informations sur la mécanique des tissus bruts articulaires et la tribologie, mais elles peuvent également conduire à de nouvelles stratégies pour maintenir la santé des articulations.

Protocole

Des articulations juvéniles du genou de bovins, obtenues dans un abattoir local, ont été utilisées pour la présente étude. Les études portant sur de tels échantillons de bovins sont exemptées du Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

1. Conception du dispositif de test de frottement

REMARQUE : Une représentation schématique du dispositif d’essai de frottement est illustrée à la figure 1. L’appareil est construit sur une plaque de base rigide (non montrée), qui sert de plate-forme pour le support structurel.

  1. Fixez un moteur pas à pas à l’étage de translation horizontale (voir Tableau des matériaux), créant ainsi un dispositif d’essai de frottement à deux axes qui délivre un mouvement de traduction réciproque aux surfaces en contact.
  2. Montez un capteur de pesage multiaxial sur l’étape de traduction (voir Tableau des matériaux). Le capteur de pesage monté sera utilisé pour mesurer la charge normale dans la direction z (Fn) et la charge tangentielle dans la direction x (Ft).
  3. Équipez l’étage de traduction d’un encodeur linéaire (voir Tableau des matériaux) pour enregistrer le déplacement horizontal (ux) de l’étage. De plus, équipez l’étage de chargement d’un codeur linéaire (voir Tableau des matériaux) pour enregistrer le déplacement vertical (uz) de la platine.
    REMARQUE: L’encodeur d’étape de traduction enregistre le déplacement tangentiel relatif des surfaces de contact, et cette information est utilisée pour détecter le début de chaque nouveau cycle de glissement alternatif.
  4. Configurez la plaque de chargement (surface de contact supérieure) en tant que contre-face en verre, en cartilage ou en synoviale. Connectez la platine à l’étape de chargement via une tige de support filetée.
  5. Fixez une base magnétique en deux parties au sommet du capteur de pesage (voir tableau des matériaux) : (1) une base fixe fixée en permanence au capteur de pesage et (2) une base amovible qui se connecte magnétiquement à la base fixe. Assurez-vous que les deux parties forment une connexion étroite.
    REMARQUE: La base amovible contiendra la contre-face de traduction (surface de contact inférieure).
  6. Prescrire une charge normale. Utilisez un poids mort monté sur des roulements linéaires au-dessus de la plaque de chargement et de la tige de support. Vous pouvez également spécifier une charge à l’aide de l’actionneur à bobine vocale (voir Tableau des matériaux), qui peut charger dynamiquement la surface inférieure en contact41.
  7. Rangez l’appareil dans un boîtier en acrylique à cadre d’aluminium (voir tableau des matériaux) pour protéger son environnement de la contamination.
    REMARQUE : Un programme LabVIEW personnalisé contrôle l’appareil (voir Fichiers de codage supplémentaires) avec le contrôle utilisateur de la durée de chaque test, ainsi que de la trajectoire de la scène, de l’accélération (changement de direction) et de la vitesse. La force normale, la force tangentielle, le déplacement de l’étage et le déplacement par fluage sont surveillés tout au long de l’essai à l’aide de matériel et de logiciels d’acquisition de données (voir tableau des matériaux).

2. Préparation et montage des échantillons

  1. Préparez-vous à une récolte de tissu stérile en suivant les étapes ci-dessous.
    REMARQUE: Si une récolte stérile n’est pas souhaitée, passez à l’étape 2.2.
    1. Stérilisez les outils métalliques dans un autoclave. Vaporisez les porte-joints avec 70% d’éthanol et placez-les dans l’armoire de sécurité biologique (ESB). Fermez l’armoire pour un cycle ultraviolet (UV).
    2. Récupérez les outils de l’autoclave. Placez les outils, la bétadine, les lames de scalpel stériles et les béchers contenant 70% d’éthanol dans le BSC.
    3. À l’intérieur du BSC, ouvrez les outils et placez-les dans des béchers à 70% d’éthanol. Fixez les lames du scalpel aux poignées du scalpel.
    4. Préparez le joint pour la récolte. Vaporiser l’extérieur du joint avec 70% d’éthanol et envelopper dans du papier d’aluminium pendant 30 min. Veillez à ne pas casser la capsule articulaire.
      REMARQUE: Les articulations juvéniles du genou bovin ont été reçues avec le fémur et le tibia coupés d’environ 15 cm supérieurs et inférieurs à l’articulation pour assurer une capsule intacte.
    5. Après 30 min, placez le joint enveloppé à l’intérieur du BSC. Ouvrez la feuille et fixez le joint à son support. Couvrir l’articulation de bétadine en essuyant doucement la bétadine sur la surface de l’articulation.
      REMARQUE: Reportez-vous aux étapes 2.2 et 2.3 pour les instructions spécifiques à la synoviale et les instructions spécifiques au cartilage, respectivement.
  2. Récoltez la synoviale bovine juvénile en suivant les étapes ci-dessous.
    1. Fixez la capsule articulaire tibio-fémorale à l’aide d’un support annulaire (voir Tableau des matériaux) avec la face antérieure faisant face au dissecteur. À l’aide d’une pince et d’une lame de scalpel, couper le tendon rotulien à l’aide d’une incision horizontale de 5 à 10 cm (selon la taille de l’articulation) supérieure au tibia (figure 2A).
    2. Tenez le tendon rotulien détaché avec une pince. Effectuez deux coupes antérieures à postérieures en forme de V (Figure 2B,C). Ces coupures devraient libérer la rotule.
      REMARQUE: Lorsque l’articulation commence à s’ouvrir, veillez à ne pas couper le ligament croisé antérieur (LCA), le ligament croisé postérieur (LCP), le ligament collatéral médian (LCM), le ligament collatéral latéral (LCL) et le ménisque.
    3. Faites pivoter la rotule derrière l’articulation ou retirez-la complètement de l’articulation. Retirez soigneusement le tissu superficiel de la membrane synoviale sur les côtés médian et latéral de l’articulation pour exposer la synoviale.
    4. À l’aide d’une lame de scalpel, tracez le contour de la région synoviale d’intérêt. À l’aide d’une pince, saisissez une extrémité de la synoviale et soulevez doucement pour étirer la synoviale distale jusqu’à l’os sous-jacent. Utilisez une lame de scalpel pour retirer la synoviale de l’os (Figure 2D,E).
    5. Placer le tissu dans un milieu de culture approprié ou tester la solution de bain. L’explante synoviale peut être cultivée pour une expérience souhaitée ou montée et utilisée pour des essais.
      REMARQUE : Les milieux de culture et les solutions de bain d’essai peuvent varier en fonction des préférences d’un groupe de recherche. Pour les produits sur mesure utilisés pour la présente étude, veuillez consulter le Tableau des matériaux.
  3. Récoltez le cartilage juvénile bovin (bouchons fémoraux et bandes tibiales).
    1. Séparez le fémur du tibia en coupant le LCA, le PCL, le MCL et le LCL. Veillez à ne pas trancher le cartilage du condyle fémoral ou à couper à travers le ménisque jusqu’au plateau tibial. Placer les tissus séparés dans leurs supports respectifs pour la dissection (étape 2.3.2 pour le fémur et étape 2.3.3 pour le tibia).
    2. Fixez le fémur à l’aide d’un support d’anneau. À l’aide d’un poinçon de biopsie de la forme et de la taille souhaitées, conduisez l’instrument normalement à la surface du cartilage articulaire du condyle fémoral jusqu’à ce qu’il atteigne l’os (figure 3A).
      1. Desserrez la connexion de la fiche à l’os en déplaçant le poinçon de gauche à droite et d’avant en arrière. Faites-le sans enlever le poinçon.
        REMARQUE: Des craquements peuvent être entendus lorsque l’os se sépare du cartilage.
      2. Retirez le poinçon, et donc le bouchon, de l’os sous-jacent (Figure 3B). Si nécessaire, répétez les étapes 2.3.2, 2.3.2.1 et 2.3.2.2 pour les autres emplacements intacts du condyle.
        REMARQUE: En préparation du montage du bouchon fémoral sur une base d’essai, le côté profond du bouchon peut avoir besoin d’être rasé à plat. Cela peut être fait avec un coupe-boîte ou un scalpel.
      3. Placer les tissus dans un milieu de culture approprié ou tester la solution de bain. Le bouchon fémoral peut être cultivé pour une expérience souhaitée ou monté et utilisé pour les tests.
    3. Fixez le tibia dans un support réglable (voir Tableau des matériaux). Retirez soigneusement le ménisque tout en évitant tout contact avec la surface du cartilage (Figure 4A).
      1. Sur les bords externes du plateau tibial, utilisez un coupe-boîte pour couper perpendiculairement au cartilage vers l’os. Coupez complètement à travers le cartilage pour obtenir des bords/côtés droits (Figure 4B). Commencez la coupe à environ 2 mm de chaque bord du plateau tibial et enlevez l’excès de tissu. Marquez les bords intérieurs du cartilage (Figure 4C).
        REMARQUE: À ce stade, l’os doit être visible sous le cartilage sur les bords extérieurs du plateau tibial.
      2. Sur les bords extérieurs, utilisez le coupe-boîte pour faire une coupe nette à l’interface entre l’os et le cartilage (Figure 4D).
        REMARQUE: La coupe doit être parallèle à la surface du cartilage et à environ 5 mm vers l’intérieur, suffisamment profonde pour commencer à séparer le cartilage et l’os.
      3. Pour retirer la bande tibiale de la surface du plateau, insérez doucement un tournevis à tête plate sous la coupe effectuée à l’étape 2.3.3.2. Faites tourner doucement le tournevis pour détacher le cartilage articulaire de l’os sous-chondral (Figure 4E).
        REMARQUE: Des craquements peuvent être entendus lorsque l’os se sépare du cartilage.
      4. Au fur et à mesure que l’échantillon se desserre, poussez lentement le tournevis vers l’avant jusqu’à ce que la bande de cartilage se détache de l’os. Poussez le tournevis vers l’os, pas vers le cartilage. Répétez ce processus à plusieurs endroits jusqu’à ce que le cartilage articulaire du plateau tibial soit complètement retiré de l’os sous-jacent (Figure 4F).
      5. À l’aide d’un coupe-boîte, coupez la surface du plateau tibial pour produire des échantillons rectangulaires de la taille et de l’épaisseur souhaitées.
        NOTE: Pour la présente étude, des bandes de 10 mm x 30 mm ont été découpées, mais cette dimension peut être modifiée en fonction de l’expérience souhaitée et de la configuration d’essai.
      6. Placer les tissus dans un milieu de culture approprié ou tester la solution de bain. La bande tibiale peut être cultivée pour une expérience souhaitée ou montée et utilisée pour les tests.
      7. Si nécessaire, répétez les étapes 2.3.3.1-2.3.3.6 pour le deuxième plateau tibial.
  4. Montez la synoviale et le cartilage en suivant les étapes ci-dessous.
    1. Si vous le souhaitez, sélectionnez un échantillon de bande tibial à tester.
      REMARQUE: La bande peut être testée en tant que contre-face inférieure.
      1. Retirez la base magnétique amovible (voir Tableau des matériaux) et collez une boîte de Petri de 60 mm de diamètre sur la surface supérieure de la base amovible.
      2. Une fois la boîte de Petri collée en place, fixez la base amovible à la base fixe et marquez la boîte de Petri pour indiquer une direction de glissement.
      3. Appliquez une petite quantité de cyanoacrylate (voir Tableau des matériaux) au centre du plat. Aligner la bande tibiale avec la direction de glissement de la scène (comme indiqué par la marque sur la boîte de Petri du 2.4.1.2). Appuyez doucement sur la bande de cartilage sur le plat. Veillez à ne pas rayer la surface du cartilage.
        REMARQUE: Un outil d’aspiration (voir tableau des matériaux) peut appliquer une légère pression sur le cartilage sans endommager la surface à tester par frottement.
      4. Restaurez la base magnétique amovible (avec bande de cartilage attachée) à sa base fixe magnétique jumelée dans le testeur de friction. Remplissez la boîte de Petri avec la solution de bain d’essai souhaitée. La solution de bain d’essai doit recouvrir complètement le cartilage.
    2. Si vous le souhaitez, sélectionnez un bouchon de cartilage fémoral à tester.
      REMARQUE: La fiche peut être testée en tant que contre-face inférieure ou supérieure.
      1. Si le condyle fémoral est utilisé comme contre-face inférieure, retirez la base magnétique amovible et collez une boîte de Petri de 60 mm de diamètre sur la surface supérieure de la base amovible.
        1. Appliquez une petite quantité de cyanoacrylate au centre du plat. Appuyez doucement sur le bouchon de cartilage sur le plat.
          REMARQUE: Un outil d’aspiration peut appliquer une légère pression sur le cartilage sans endommager la surface à tester par frottement.
        2. Restaurez la base magnétique amovible (avec bouchon de cartilage attaché) à sa base fixe magnétique jumelée dans le testeur de friction. Remplissez la boîte de Petri avec la solution de bain d’essai souhaitée. La solution de bain d’essai doit recouvrir complètement le cartilage.
      2. Si le cartilage fémoral est utilisé comme contre-face supérieure, retirez la plaque de chargement et la tige de support du testeur de friction. Si nécessaire, retirez la plaque existante et sélectionnez une nouvelle plaque adaptée au montage du cartilage.
        1. Appliquez une petite quantité de cyanoacrylate sur la surface de la platine. Appuyez doucement sur le bouchon de cartilage sur la platine.
          REMARQUE: Un outil d’aspiration peut appliquer une légère pression sur le cartilage sans endommager la surface à tester par frottement.
        2. Restaurez la plaque de chargement (avec bouchon de cartilage attaché) et la tige de support au testeur de friction. Ajustez la hauteur verticale de la plaque de chargement de manière à ce que le bouchon cartilagineux plane sur la contre-face inférieure et soit immergé dans le bain d’essai. Ajoutez plus de solution de bain de test si nécessaire.
    3. Si vous le souhaitez, sélectionnez l’échantillon de synoviale à tester.
      REMARQUE: La synoviale peut être testée comme contre-face inférieure ou supérieure.
      1. Si la synoviale est utilisée comme contre-face inférieure, retirez la base magnétique amovible et collez une boîte de Petri de 60 mm de diamètre sur la surface supérieure de la base amovible.
        1. Collez un poteau circulaire en acrylique-silicone usiné sur mesure du diamètre souhaité au centre du plat.
        2. À l’aide d’une pince, placez la synoviale sur le poteau. Pour sécuriser la synoviale, étalez un joint torique (voir Tableau des matériaux) sur sa circonférence.
        3. À l’aide d’une pince, tirez doucement sur la synoviale pour étirer le tissu enseigné et à plat sous le joint torique. Couper l’excès de tissu avec des ciseaux chirurgicaux.
        4. Restaurez la base magnétique amovible (avec synoviale attachée) à sa base fixe magnétique jumelée dans le testeur de friction. Remplissez la boîte de Petri avec la solution de bain d’essai souhaitée. La solution de bain d’essai doit recouvrir complètement la synoviale.
      2. Si la synoviale est utilisée comme contre-face supérieure, retirez la plaque de chargement et la tige de support du testeur de friction. Si nécessaire, retirez la platine existante et sélectionnez une nouvelle plaque circulaire adaptée au montage synoviale.
        1. À l’aide d’une pince, placez la synoviale sur la plaque circulaire. Pour sécuriser la synoviale, étalez un joint torique sur sa circonférence.
        2. À l’aide d’une pince, tirez doucement sur la synoviale pour étirer le tissu enseigné et à plat sous le joint torique. Couper l’excès de tissu avec des ciseaux chirurgicaux.
        3. Restaurez la plaque de chargement (avec synoviale attachée) et la tige de support sur le testeur de friction. Ajustez la hauteur verticale de la plaque de chargement de manière à ce que la synoviale plane au-dessus de la contre-face inférieure et soit immergée dans le bain d’essai. Ajoutez plus de solution de bain de test si nécessaire.

3. Essais de frottement

REMARQUE : Un programme LabVIEW personnalisé et le matériel associé (voir Fichiers de codage supplémentaires) sont utilisés pour ces tests. Veuillez noter que le code personnalisé a été construit sur LabVIEW 2010 et a été maintenu sur cette même version héritée. Par conséquent, le code peut ne pas être compatible avec la version la plus récente du logiciel. Les boutons et les références d’interface utilisateur suivants ne seront pertinents que pour le code personnalisé. Si vous travaillez avec une version de logiciel différente, un programme personnalisé similaire peut être écrit en modifiant le code.

  1. Insérez les échantillons montés (étape 2.4) dans le dispositif de test de friction.
    REMARQUE: Les échantillons doivent être immergés dans la solution de bain d’essai, mais ne doivent pas être en contact les uns avec les autres.
  2. Ouvrez le logiciel et prescrivez les paramètres de test : vitesse de l’étape, accélération de l’étape, trajectoire (distance) et durée de l’essai (Figure 5).
    1. Ouvrez les trois fenêtres du programme : Analog Data Build MFDAQ, Initialize Load PID et Trigger Dynamic Caller.
    2. Exécutez la fenêtre Analog Data Build MFDAQ en appuyant sur le bouton Exécuter (flèche blanche).
    3. Exécutez la fenêtre Initialiser le PID de chargement en appuyant sur le bouton Exécuter (flèche blanche).
    4. Accédez à l’onglet Stepper dans la fenêtre Trigger Dynamic Caller. Spécifiez l’accélération, la vitesse et la distance de l’étape de traduction dans les zones de saisie utilisateur.
      REMARQUE: La valeur de distance définit la demi-longueur de la piste d’usure. En d’autres termes, l’étape passera de l’emplacement zéro spécifié (étape 3.5) à la valeur de distance définie dans les directions x positives et négatives.
    5. Dans l’onglet Stepper, spécifiez la durée du test en sélectionnant le chemin d’accès au fichier Stepper Time Index . Cliquez sur le bouton Ouvrir le dossier en bas à droite du tableau État temporel et sélectionnez le fichier.
    6. Spécifiez également la durée du test dans l’onglet Bobine vocale. Accédez à l’onglet Bobine vocale dans la fenêtre Déclencher l’appelant dynamique. Semblable à l’étape 3.2.5, sélectionnez le chemin du fichier Voice Coil Index en cliquant sur le bouton Ouvrir le dossier en bas à droite de la table Time-State et sélectionnez le fichier. La durée doit correspondre à celle de l’onglet Stepper .
  3. Prescrire la charge normale. Si vous utilisez des poids morts, placez les poids souhaités sur les roulements linéaires au-dessus de la plaque de chargement. Assurez-vous que la charge appliquée ainsi que le poids de la plaque de chargement et de la tige de support ne dépassent pas la capacité nominale du capteur de charge.
  4. Sélectionnez le chemin d’accès et le nom de fichier pour le stockage des données à l’aide du bouton Ouvrir le dossier à droite de la zone Écrire dans un fichier ?. Enregistrez le fichier avec une extension « .txt ».
  5. Centrez la contre-face inférieure sous la contre-face supérieure. Définissez cette position comme la position x zéro.
    1. Exécutez la fenêtre Trigger Dynamic Caller en appuyant sur le bouton Exécuter (flèche blanche). Dans l’onglet Stepper, cliquez sur le bouton Accueil pour déplacer la scène vers la dernière position x zéro enregistrée.
    2. Si les contre-faces ne sont pas alignées, déplacez la scène en cliquant sur les boutons fléchés verts gauche et droit. Lorsque l’emplacement souhaité est atteint, cliquez sur le bouton Zéro pour enregistrer l’emplacement de l’étape actuelle en tant que nouvelle position x zéro. Arrêtez la fenêtre Trigger Dynamic Caller en cliquant sur le bouton Arrêter.
      REMARQUE : L’emplacement de la scène ne peut être enregistré que lorsque la fenêtre Déclencher l’appelant dynamique est en cours d’exécution, mais la scène ne se déplace pas encore comme spécifié par le programme. Appuyez sur le bouton Exécuter (flèche blanche) à l’étape 3.5.1 pour lancer un délai de 15 s avant que l’étape ne commence à se déplacer. Utilisez ce délai de 15 s pour déplacer la scène et enregistrer l’emplacement zéro souhaité.
    3. Si la position x zéro souhaitée n’est pas obtenue du premier coup, répétez l’étape 3.5.1.
      REMARQUE: Il peut être utile d’appuyer sur le bouton Zéro par intermittence pour enregistrer la position de la scène lorsque l’utilisateur déplace la contre-face inférieure sous la contreface supérieure. Rappelez-vous que cliquer sur le bouton Accueil déplacera la scène vers la dernière position enregistrée par le bouton Zéro .
  6. Une fois les contre-faces supérieure et inférieure centrées, lancez le test de frottement des échantillons en démarrant le mouvement cyclique de la scène. Pour ce faire, exécutez la fenêtre Trigger Dynamic Caller en appuyant sur le bouton Exécuter (flèche blanche).
  7. Une fois la scène déplacée, mettez lentement la contreface supérieure en contact avec la face inférieure.
    REMARQUE : La valeur de charge appliquée peut être confirmée en affichant le tracé en temps réel Fz dans la fenêtre du logiciel (Figure 5A).
  8. Laissez le test s’exécuter, en collectant les données de test de friction.
    REMARQUE: Toutes les données enregistrées au cours de l’étape 3.5 seront écrasées. L’hystérésis en temps réel peut être visualisée dans la fenêtre Trigger Dynamic Caller (Figure 5C).
  9. Après la durée d’essai souhaitée, arrêtez le test en appuyant sur le bouton Arrêter et déchargez les échantillons en soulevant la contre-face supérieure et en la déplaçant hors de contact avec la contre-face inférieure.

4. Traitement des données

REMARQUE : Un programme MATLAB personnalisé est utilisé pour le traitement des données (voir Fichiers de codage supplémentaires). Le code appelle les fichiers de sortie spécifiés par le code LabVIEW personnalisé.

  1. Utilisez le code personnalisé pour calculer le coefficient de frottement et le déplacement de fluage (déformation tissulaire dépendante du temps) par cycle.
    1. Assurez-vous que tous les codes pertinents sont enregistrés dans le même dossier : « frictioncycle_fun.m », « frictioncycle_Hysteresis_plot.m », « frictioncycle_MU_plot.m » et « frictioncycle_run.m ».
      REMARQUE : Ces codes MATLAB ont été écrits pour être utilisés avec les sorties spécifiques du code LabVIEW susmentionné. Si l’utilisateur a créé son propre code ou a apporté des modifications à celui décrit ici, les scripts MATLAB peuvent devoir être modifiés pour s’adapter à ces modifications.
    2. Ouvrez le fichier frictioncycle_run.m. Cliquez sur le bouton Exécuter (flèche verte) dans le script. Sélectionnez le fichier de données brutes à analyser et l’emplacement de sauvegarde de sortie MATLAB souhaité.
      REMARQUE: Le logiciel peut nécessiter quelques minutes pour traiter les données en fonction de la durée du test.
  2. Si vous le souhaitez, effectuez des évaluations tissulaires standard et des analyses de milieu sur les explants testés et les aliquotes de la solution de bain d’essai.

Résultats

Une configuration synoviale sur cartilage a été utilisée pour tester le frottement des explants bovins juvéniles. La synoviale était montée sur une plaque de chargement acrylique de 10 mm de diamètre de telle sorte que la couche intimale soit en contact avec le cartilage sous-jacent. Une bande tibiale a été utilisée comme contre-face cartilagineuse (figure 6A). Les bandes tibiales ont été découpées avec une profondeur d’environ 1,4 mm et une taille de 10 mm x 30 mm. Les écha...

Discussion

Un environnement mécanique dynamique existe dans l’articulation car le cartilage est soumis à des forces de compression, de traction et de cisaillement, ainsi qu’à des pressions hydrostatiques et osmotiques44,45. Bien que le cartilage soit le principal tissu porteur de l’articulation, la synoviale subit également des interactions de friction avec la surface du cartilage et avec elle-même dans les régions où le tissu se plie. Les interactions physique...

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par l’Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 et NIGMS R01 692 GM083925 (ID du bailleur de fonds: 10.13039/100000057).

matériels

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

Références

  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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