Un dispositif de bioréacteur d’essai de friction pour l’étude de la biomécanique des articulations synoviales, de la mécanobiologie et de la régulation physique

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 progression^{de l’arthrose 2,3,4}. Dans l’arthrose primaire (idiopathique), l’usure normale associée au vieillisse....

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....

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 osmotiques^44,45. 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.......

matériels

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