בדיקת חיכוך- התקן ביוריאקטור לחקר ביומכניקה של מפרקים סינוביאליים, מכניוביולוגיה וויסות פיזיקלי

Summary

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מכשיר לבדיקת חיכוך המחיל החלקה הדדית בו-זמנית ועומס רגיל על שני גופנים ביולוגיים שבאים במגע.

Abstract

בדלקת מפרקים ניוונית ראשונית (OA), 'בלאי' תקין הקשור להזדקנות מעכב את יכולתו של הסחוס לקיים את תפקודי נושא העומס והשימון שלו, ומטפח סביבה פיזית מזיקה. האינטראקציות החיכוכיות של סחוס מפרקי וסינוביום עשויות להשפיע על הומאוסטזיס משותף באמצעות שחיקה ברמת הרקמה ומכנוטרנסדוקציה תאית. כדי לחקור את התהליכים המכניים והמכנוביולוגיים האלה, מתואר מכשיר המסוגל לשכפל את תנועת המפרק. מכשיר בדיקת החיכוך שולט בהעברת תנועת תרגום הדדית ועומס רגיל לשני פני נגד ביולוגיים מגע. מחקר זה מאמץ תצורת סינוביום-על-סחוס, ומדידות מקדמי חיכוך מוצגות לבדיקות המבוצעות באמבט מי מלח עם אגירת פוספט (PBS) או בנוזל סינוביאלי (SF). הבדיקה בוצעה עבור מגוון של לחצים במגע, תוך הדגשת תכונות הסיכה של SF תחת עומסים גבוהים. מכשיר בדיקת חיכוך זה יכול לשמש כביוריאקטור ביומימטי לחקר הוויסות הפיזי של רקמות מפרקים חיות בתגובה להעמסה פיזיולוגית יישומית הקשורה לביטוי מפרק היומן.

Introduction

דלקת מפרקים ניוונית (באנגלית: Osteoarthritis או OA) היא מחלת מפרקים ניוונית מתישה הפוגעת ביותר מ-32 מיליון מבוגרים אמריקאים, עם עלות בריאותית וסוציו-אקונומית של יותר מ-16.5^{מיליארד דולר}. המחלה התאפיינה באופן קלאסי בהתדרדרות של סחוס מפרקי ועצם תת-כונדרלית; עם זאת, שינויים בסינוביום זכו לאחרונה להערכה מכיוון שסינוביטיס נקשרה לתסמיני OA ולהתקדמות ^2,3,4. ב-OA ראשוני (אידיופטי), 'בלאי' תקין הקשור להזדקנות מעכב את יכולתו של הסחוס לקיים את תפקודי נושא העומס והשימון שלו. הלחצים הנוצרים על ידי מגע החלקה ממושך של שכבות סחוס מפרקיות או מגע מחליק של סחוס כנגד חומרי שתל הוכחו כמקלים על שחיקת דלמינציה באמצעות כשל עייפות תת-קרקעי ^5,6. מכיוון שקיימת סביבה מכנית דינמית בתוך המפרק ^7,8, האינטראקציות החיכוך של סחוס מפרקי וסינוביום עשויות להשפיע על הומאוסטזיס משותף באמצעות שחיקת רמת הרקמה ומכנוטרנסדוקציה תאית. כדי לחקור תהליכים מכניים ומכנוביולוגיים אלה, תוכנן מכשיר לשכפל את תנועת המפרק עם שליטה הדוקה על העמסה דחיסה וחיכוך 5,6,9,10,11,12,13.

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מכשיר לבדיקת חיכוך המספק חומר גומלין, המתרגם תנועה ועומס דחיסה למשטחי מגע של רקמות חיות. המכשיר הנשלט על ידי מחשב מאפשר למשתמש לשלוט במשך כל בדיקה, בעומס המופעל, בטווח התנועה של שלב התרגום ובמהירות התרגום. המכשיר הוא מודולרי, ומאפשר בדיקה של גופנים נגדיים שונים, כגון רקמה על רקמה (סחוס על סחוס וסינוביום-על-סחוס) ורקמות על זכוכית. בנוסף למדידות הפונקציונליות המתקבלות על ידי הבודק, ניתן להעריך רכיבי אמבט רקמות ושימון לפני ואחרי הבדיקה כדי להעריך את השינויים הביולוגיים המועברים על ידי משטר ניסוי נתון.

מחקרים על טריבולוגיה של סחוס נעשו במשך עשרות שנים, וכמה טכניקות פותחו כדי למדוד מקדמי חיכוך בין סחוס לזכוכית וסחוס על סחוס^14,15. הגישות השונות מונעות על ידי המפרק ו/או מנגנון הסיכה המעניין. לעתים קרובות יש פשרה בין שליטה על משתנים ניסיוניים לבין סיכום של פרמטרים פיזיולוגיים. התקנים בסגנון מטוטלת משתמשים במפרקים שלמים כ-fulcrum של מטוטלת פשוטה שבה משטח משותף אחד מתורגם בחופשיות על פני המשטח השני 14,16,17,18. במקום להשתמש במפרקים שלמים, ניתן לקבל מדידות חיכוך על ידי החלקת חומרי סחוס על פני משטחים רצויים 14,19,20,21,22,23,24,25. מקדמי החיכוך המדווחים של הסחוס המפרקי השתנו על פני טווח רחב (מ-0.002 ל-0.5) בהתאם לתנאי ההפעלה^14,26. התקנים נוצרו כדי לשכפל תנועה סיבובית 23,27,28. Gleghorn et ^al.26 פיתחו טריבומטר מותאם אישית רב-באר כדי לצפות בפרופילי שימון סחוס באמצעות ניתוח עקומת סטריבק, ותנועת הזזה מתנדת ליניארית הופעלה בין סחוס כנגד פני נגד זכוכית שטוחים.

מכשיר זה נועד לבודד תגובות חיכוך ולחקור את המכנוביולוגיה של רקמות חיות בתנאי טעינה שונים. המכשיר משתמש במערך בדיקה פשוט המדמה את ביטוי המפרק באמצעות החלקה דחיסה, אשר יכול להעריך הן את תנועת הגלגול והן את תנועת ההחלקה מתוך הבנה שההתנגדות בתנועת גלגול טהורה היא זניחה ביחס למקדם החיכוך הנמדד של סחוס מפרקי²⁹. הבודק, שנבנה במקור כדי לחקור את ההשפעות של לחץ נוזל אינטרסטיציאלי על תגובת החיכוך של סחוס מפרקי⁹, שימש מאז כדי לחקור נושאים כגון השפעות חיכוך של הסרת האזור השטחי של סחוס¹⁰, השפעות סיכה של נוזל סינוביאלי¹¹, השערות שחיקת סחוס ^5,6,30, ומדידות חיכוך סינוביום על^{רקמה 13} . הביוריאקטור לבדיקת חיכוך יכול לערוך ניסויי חיכוך בתנאים סטריליים, ולספק מנגנון חדשני לחקור כיצד כוחות החיכוך משפיעים על התגובות המכנוביולוגיות של סחוס חי וסינוביום. תכנון זה יכול לשמש כביוריאקטור ביומימטי כדי לחקור את הוויסות הפיזי של רקמות מפרקים חיות בתגובה להעמסה פיזיולוגית יישומית הקשורה לביטוי מפרקים של יומן.

מחקר זה מציג תצורה לבדיקת חיכוך סינוביום על סחוס על פני מגוון של עקות מגע ובאמבטיות סיכה שונות. שטח הפנים המפרקי של רוב המפרקים הוא, במידה רבה, רקמה סינוביאלית³¹. בעוד שהחלקה של סינוביום על סחוס אינה מתרחשת במשטחים נושאי עומס ראשוניים, לאינטראקציות החיכוך בין שתי הרקמות עדיין עשויות להיות השלכות חשובות על תיקון רמת הרקמה ועל מכניוטרנסדוקציה של תאים. בעבר הוכח כי סינוביוציטים דמויי פיברובלסטים (FLS) השוכנים על השכבה האינטימית של הסינוביום הם מכניזנסיטיביים, ומגיבים ללחץ גזירה המושרה בנוזל³². כמו כן, הוכח כי מתיחה^{של 33,34} ולחץ גזירה המושרה בנוזל³⁵ מווסתים את ייצור חומרי הסיכה של FLS. לפיכך, מגע החלקה ישיר בין סינוביום לסחוס עשוי לספק גירוי מכני נוסף לתאים המתגוררים בסינוביום.

רק דיווחים מעטים על מקדמי חיכוך סינוביום פורסמו^31,36. Estell et ^al.13 ביקשו להרחיב על האפיון הקודם על ידי שימוש בגופי נגד רלוונטיים מבחינה ביולוגית. עם יכולתו של מכשיר בדיקת החיכוך לבחון רקמות חיות, ניתן לחקות אינטראקציות של רקמות פיזיולוגיות במהלך ביטוי המפרקים כדי להבהיר את תפקידו של לחץ גזירה במגע על תפקוד הסינוביוציטים ואת תרומתו להצלבה בין סינוביום לסחוס. זה האחרון היה מעורב בתיווך דלקת מפרקים סינוביאלית בדלקת פרקים ולאחר פציעה. בשל הקרבה הפיזית של סחוס לסינוביום ונוזל סינוביאלי, המכילים סינוביוציטים המציגים יכולת מולטיפוטנטית, כולל כונדרוגנזה, ההנחה היא כי סינוביוציטים ממלאים תפקיד בהומאוסטזיס של סחוס ותיקון על ידי השתלה למשטח המפרקי. בהקשר זה, מגע פיזי וגזירה הדדית של סחוס-סינוביום וסינוביום-סינוביום עשויים להגביר את הנגישות של סינוביוציטים לאזורים של נזקי סחוס 37,38,39,40. מחקרים המשתמשים בתצורות של סינוביום על סחוס לא רק יספקו תובנות על מכניקת הרקמות הגסות והטריבולוגיה של המפרקים, אלא גם יובילו לאסטרטגיות חדשות לשמירה על בריאות המפרקים.

Protocol

מפרקי ברכיים של בקר צעירים, שהתקבלו מאבטויר מקומי, שימשו למחקר הנוכחי. מחקרים עם דגימות שור כאלה פטורים מהוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים בקולומביה (IACUC).

1. תכנון התקן בדיקת החיכוך

הערה: ייצוג סכמטי של התקן בדיקת החיכוך מוצג באיור 1. המכשיר בנוי על לוחית בסיס קשיחה (לא מוצגת), המשמשת כפלטפורמה לתמיכה מבנית.

1. חברו מנוע צעד לשלב התרגום האופקי (ראו טבלת חומרים), ויצרו התקן לבדיקת חיכוך דו-צירי המספק תנועת תרגום הדדית למשטחי מגע.
2. הרכיבו תא עומס רב-אקסיאלי בשלב התרגום (ראו טבלת חומרים). תא העומס המותקן ישמש למדידת העומס הרגיל בכיוון z (F_n), והעומס המשיק בכיוון x (F_t).
3. ציידו את שלב התרגום במקודד ליניארי (ראו טבלת חומרים) כדי לרשום את התזוזה האופקית (u_x) של השלב. יתר על כן, ציידו את שלב הטעינה במקודד ליניארי (ראו טבלת חומרים) כדי לרשום את התזוזה האנכית (u_z) של הלוח.
   הערה: מקודד שלב התרגום מתעד את התזוזה המשיקה היחסית של משטחי המגע, ומידע זה משמש לזיהוי תחילתו של כל מחזור חדש של החלקה הדדית.
4. הגדר את ציפוי ההעמסה (משטח מגע עליון) כזכוכית, סחוס או פני נגד סינוביום. חבר את הפלטה לשלב הטעינה באמצעות מוט תמיכה מושחל.
5. חברו בסיס מגנטי בן שני חלקים לחלק העליון של תא העומס (ראו טבלת חומרים): (1) בסיס קבוע המחובר באופן קבוע לתא העומס ו-(2) בסיס נשלף המתחבר באופן מגנטי לבסיס הקבוע. ודא ששני החלקים יוצרים חיבור הדוק.
   הערה: הבסיס הנשלף יחזיק את פני השטח הנגדיים המתרגמים (משטח יצירת קשר תחתון).
6. רשום עומס רגיל. השתמש במשקל מת המותקן על מסבים ליניאריים מעל לוחית ההעמסה ומוט התמיכה. לחלופין, ציין עומס באמצעות מפעיל סליל הקול (ראה טבלת חומרים), שיכול לטעון באופן דינמי את משטח המגע התחתון⁴¹.
7. אחסנו את המכשיר בתוך מארז אקרילי ממוסגר מאלומיניום (ראו טבלת חומרים) כדי להגן על סביבתו מפני זיהום.
   הערה: תוכנית LabVIEW מותאמת אישית שולטת בהתקן (ראה קבצי קידוד משלימים) עם בקרת משתמש על משך הזמן של כל בדיקה, כמו גם על נתיב הנסיעה של השלב, ההאצה (שינוי הכיוון) והמהירות. הכוח הרגיל, הכוח המשיק, תזוזת הבמה ותזוזת הזחילה מנוטרים לאורך כל הבדיקה באמצעות חומרה ותוכנה של רכישת נתונים (ראו טבלת חומרים).

2. הכנת דגימה והרכבה

1. היכונו לקציר רקמות סטריליות לאחר השלבים הבאים.
   הערה: אם לא רצוי קציר סטרילי, המשך לשלב 2.2.
   1. לעקר כלי מתכת באוטוקלב. מרססים את מחזיקי המפרקים ב-70% אתנול ומניחים אותם בארון הבטיחות הביולוגי (BSC). סגור את הארון למחזור אולטרה סגול (UV) אחד.
   2. אחזר את הכלים מהקלקולה האוטומטית. הניחו את הכלים, הבטאדין, להבי האזמל הסטריליים והכוסות המכילות 70% אתנול ב-BSC.
   3. בתוך ה- BSC, פתח את הכלים והניח אותם בכוסות אתנול של 70%. חברו את להבי האזמל לידיות האזמל.
   4. הכינו את המפרק לקציר. מרססים את החלק החיצוני של המפרק ב-70% אתנול ועוטפים בנייר אלומיניום למשך 30 דקות. הקפידו לא לשבור את הקפסולה המשותפת.
      הערה: מפרקי הברך של בקר הצעיר התקבלו כאשר עצם הירך והטיביה נחתכו כ-15 ס"מ עדיפים ונחותים מהמפרק כדי להבטיח קפסולה שלמה.
   5. לאחר 30 דקות, הניחו את המפרק העטוף בתוך BSC. פתחו את נייר הכסף והצמידו את המפרק למחזיק שלו. מכסים את המפרק בבטאדין על ידי ניגוב עדין של הבטאדין על פני המפרק.
      הערה: עיין בשלב 2.2 ובשלב 2.3 לקבלת הוראות ספציפיות לסינוביום והוראות ספציפיות לסחוס, בהתאמה.
2. קציר את הסינוביום של שור הנוער בעקבות השלבים הבאים.
   1. מאבטחים את קפסולת המפרק הטיביופמורלית באמצעות מעמד טבעתי (ראו טבלת חומרים) כאשר הצד הקדמי פונה אל הדיסקטור. באמצעות מלקחיים ולהב אזמל, חותכים את גיד הפטלאר באמצעות חתך אופקי של 5-10 ס"מ (תלוי בגודל המפרק) עדיף על השוקה (איור 2A).
   2. החזיקו את גיד הפטלה המנותק עם מלקחיים. צרו שני חתכים קדמיים-אחוריים בצורת V (איור 2B,C). חתכים אלה אמורים לשחרר את הפטלה.
      הערה: כאשר המפרק מתחיל להיפתח, היזהרו שלא לנתק את הרצועה הצולבת הקדמית (ACL), הרצועה הצולבת האחורית (PCL), הרצועה הבטוחה המדיאלית (MCL), הרצועה הצולבת הצידית (LCL) ומניסקוס.
   3. סובבו את הפטלה מאחורי המפרק או הסירו אותה לחלוטין מהמפרק. הסר בזהירות את הרקמה השטחית לממברנה הסינוביאלית בצד המדיאלי והצידי של המפרק כדי לחשוף את הסינוביום.
   4. באמצעות להב אזמל, עקוב אחר קווי המתאר של אזור הסינוביום המעניין. באמצעות מלקחיים, תפסו קצה אחד של הסינוביום והתרוממו בעדינות כדי למתוח את הסינוביום הדיסטלי עד העצם שמתחת. השתמשו בלהב אזמל כדי להסיר את הסינוביום מהעצם (איור 2D,E).
   5. מניחים את הרקמה במדיית תרבית מתאימה או בודקים תמיסת אמבטיה. ניתן לתרבת את האקספלנט של הסינוביום לניסוי רצוי או להרכיבו ולהשתמש בו לבדיקה.
      הערה: מדיה תרבותית / פתרונות אמבטיה לבדיקה עשויים להשתנות בהתאם להעדפת קבוצת המחקר. עבור אלה המותאמים אישית המשמשים למחקר הנוכחי, ראה טבלת חומרים.
3. קוצרים את סחוס בקר הצעיר (תקעי עצם הירך ורצועות טיביאליות).
   1. הפרד את עצם הירך מהטיביה על ידי ניתוק ה-ACL, ה-PCL, ה-MCL וה-LCL. הקפידו לא לחתוך את סחוס הקונדיל של הירך או לפרוס דרך המניסקוס למישור הטיביאלי. מקם את הרקמות המופרדות במחזיקיהן המתאימים לניתוח (שלב 2.3.2 עבור עצם הירך ושלב 2.3.3 עבור שוקה).
   2. אבטחו את עצם הירך באמצעות מעמד טבעת. באמצעות אגרוף ביופסיה בעל צורה וגודל רצויים, דחפו את המכשיר הנורמלי למשטח הסחוס המפרקי של הקונדיל הירך עד שיגיעו לעצם (איור 3A).
      1. שחררו את החיבור של התקע לעצם על ידי הזזת האגרוף שמאלה לימין וקדימה אחורה. עשה זאת מבלי להסיר את האגרוף.
         הערה: קולות פצפוץ עשויים להישמע כאשר העצם נפרדת מהסחוס.
      2. הסר את האגרוף, ולכן את התקע, מהעצם הבסיסית (איור 3B). במידת הצורך, חזור על שלבים 2.3.2, 2.3.2.1 ו- 2.3.2.2 עבור המיקומים הנותרים שלא נגעו בהם על הקונדיל.
         הערה: כהכנה להרכבת תקע הירך על בסיס בדיקה, ייתכן שיהיה צורך לגלח את הצד העמוק של התקע בצורה שטוחה. זה יכול להיעשות עם חותך קופסה או אזמל.
      3. הניחו את הרקמה במדיה תרבית מתאימה או בדקו את תמיסת האמבטיה. תקע הירך עשוי להיות מתורבת לניסוי רצוי או מותקן ומשמש לבדיקה.
   3. אבטחו את השוקה במחזיק מתכוונן (ראו טבלת חומרים). הסירו את המניסקוס בזהירות תוך הימנעות ממגע עם משטח הסחוס (איור 4A).
      1. בקצוות החיצוניים של הרמה הטיביאלית, השתמשו בחותך קופסה כדי לחתוך בניצב לסחוס לכיוון העצם. חותכים לחלוטין דרך הסחוס כדי ליצור קצוות/צדדים ישרים (איור 4B). התחילו את החתך במרחק של כ-2 מ"מ מכל קצה מישור טיביאלי והסירו עודפי רקמה. נקבו את הקצוות הפנימיים של הסחוס (איור 4C).
         הערה: בשלב זה, העצם צריכה להיות גלויה מתחת לסחוס בקצוות החיצוניים של הרמה הטיביאלית.
      2. בקצוות החיצוניים, השתמשו בחותך הקופסה כדי לבצע חיתוך נקי בממשק שבין העצם לסחוס (איור 4D).
         הערה: החתך חייב להיות מקביל למשטח הסחוס וכ-5 מ"מ פנימה, עמוק מספיק כדי להתחיל להפריד בין הסחוס לעצם.
      3. כדי להסיר את הרצועה הטיביאלית ממשטח המישור, הכנס בעדינות מברג שטוח מתחת לחתך שנעשה בשלב 2.3.3.2. סובבו בעדינות את המברג כדי לשחרר את הסחוס המפרקי מהעצם התת-כונדרלית (איור 4E).
         הערה: קולות פצפוץ עשויים להישמע כאשר העצם נפרדת מהסחוס.
      4. כאשר הדגימה מתרופפת, דוחפים באיטיות את המברג קדימה עד שרצועת הסחוס מתנתקת מהעצם. לדחוף את המברג לכיוון העצם, לא לכיוון הסחוס. חזרו על התהליך הזה במספר מוקדים עד שהסחוס המפרקי של הרמה הטיביאלית יוסר לחלוטין מהעצם שמתחתיו (איור 4F).
      5. באמצעות חותך קופסה, חותכים את משטח הרמה הטיביאלית כדי לייצר דגימות מלבניות בגודל ובעובי הרצויים.
         הערה: עבור המחקר הנוכחי נחתכו רצועות של 10 מ"מ על 30 מ"מ, אך ניתן לגוון ממד זה בהתבסס על הניסוי הרצוי ועל מערך הבדיקה.
      6. הניחו את הרקמה במדיה תרבית מתאימה או בדקו את תמיסת האמבטיה. הרצועה הטיביאלית עשויה להיות מתורבתת לניסוי רצוי או מורכבת ומשמשת לבדיקה.
      7. במידת הצורך, חזור על שלבים 2.3.3.1-2.3.3.3.6 עבור הרמה הטיביאלית השנייה.
4. הר את הסינוביום ואת הסחוס בעקבות השלבים הבאים.
   1. אם תרצה, בחר דגימת רצועה טיביאלית לבדיקה.
      הערה: ניתן לבדוק את הרצועה כגוף הנגד התחתון.
      1. הסר את הבסיס המגנטי הנשלף (ראה טבלת חומרים) והדבק צלחת פטרי בקוטר 60 מ"מ למשטח העליון של הבסיס הנשלף.
      2. כאשר צלחת הפטרי מודבקת במקומה, חברו את הבסיס הנשלף לבסיס הקבוע וסמנו את צלחת הפטרי כדי לציין כיוון החלקה.
      3. יש למרוח כמות קטנה של ציאנואקרילט (ראו טבלת חומרים) על מרכז המנה. יישרו את הרצועה הטיביאלית עם כיוון ההחלקה של הבמה (כפי שמצוין בסימן על צלחת הפטרי מ-2.4.1.2). לחצו בעדינות את רצועת הסחוס על התבשיל. יש ליטול קרנוט כדי לגרד את משטח הסחוס.
         הערה: כלי יניקה (ראה טבלת חומרים) יכול להפעיל לחץ עדין על הסחוס מבלי לפגוע במשטח כדי לעבור בדיקת חיכוך.
      4. שחזרו את הבסיס המגנטי הנשלף (עם רצועת סחוס מחוברת) לבסיס המקובע המגנטי המשויך שלו בבוחן החיכוך. מלאו את צלחת הפטרי בתמיסת האמבטיה הרצויה. תמיסת האמבטיה הבודקת חייבת לכסות לחלוטין את הסחוס.
   2. אם תרצה, בחר תקע סחוס עצם הירך לבדיקה.
      הערה: ניתן לבדוק את התקע כגוף הנגד התחתון או העליון.
      1. אם הקונדיל של הירך משמש כגוף הנגד התחתון, הסר את הבסיס המגנטי הנשלף והדבק צלחת פטרי בקוטר 60 מ"מ למשטח העליון של הבסיס הנשלף.
         1. יש למרוח כמות קטנה של ציאנואקרילט על מרכז המנה. לחצו בעדינות על תקע הסחוס על המנה.
            הערה: כלי יניקה יכול להפעיל לחץ עדין על הסחוס מבלי לפגוע במשטח כדי לעבור בדיקת חיכוך.
         2. שחזר את הבסיס המגנטי הנשלף (עם תקע סחוס מחובר) לבסיס המקובע המגנטי המשויך שלו בבוחן החיכוך. מלאו את צלחת הפטרי בתמיסת האמבטיה הרצויה. תמיסת האמבטיה הבודקת חייבת לכסות לחלוטין את הסחוס.
      2. אם סחוס הירך משמש כגוף הנגד העליון, הסר את לוחית ההעמסה ואת מוט התמיכה מבוחן החיכוך. במידת הצורך, הסר את הפלטה הקיימת ובחר לוחית חדשה המתאימה להרכבה על סחוס.
         1. יש למרוח כמות קטנה של ציאנואקרילט על משטח הלוחות. לחץ בעדינות על תקע הסחוס על הפלטה.
            הערה: כלי יניקה יכול להפעיל לחץ עדין על הסחוס מבלי לפגוע במשטח כדי לעבור בדיקת חיכוך.
         2. שחזרו את לוחית ההעמסה (עם תקע סחוס מחובר) ואת מוט התמיכה לבוחן החיכוך. התאם את הגובה האנכי של לוחית ההעמסה כך שתקע הסחוס מרחף מעל פני הדלפק התחתון ושקוע באמבט הבדיקה. הוסיפו עוד תמיסת אמבטיה לבדיקה במידת הצורך.
   3. אם תרצה, בחר את דגימת הסינוביום לבדיקה.
      הערה: ניתן לבדוק את הסינוביום כגוף הנגד התחתון או העליון.
      1. אם הסינוביום משמש כגוף נגדי תחתון, הסר את הבסיס המגנטי הנשלף והדבק צלחת פטרי בקוטר 60 מ"מ למשטח העליון של הבסיס הנשלף.
         1. הדביקו למרכז המנה עמוד אקריליק-סיליקון עגול בהתאמה אישית בקוטר הרצוי.
         2. באמצעות מלקחיים, מניחים את הסינוביום על גבי העמוד. כדי לאבטח את הסינוביום, הפיצו טבעת O (ראו טבלת חומרים) על היקפה.
         3. באמצעות מלקחיים, משכו בעדינות את הסינוביום כדי למתוח את הרקמה הנלמדת והשטוחה מתחת לטבעת ה-O. לקצץ עודפי רקמות עם מספריים כירורגיים.
         4. שחזר את הבסיס המגנטי הנשלף (עם סינוביום מחובר) לבסיס המקובע המגנטי המשויך שלו בבוחן החיכוך. מלאו את צלחת הפטרי בתמיסת האמבטיה הרצויה. תמיסת האמבטיה הבדיקה חייבת לכסות לחלוטין את הסינוביום.
      2. אם הסינוביום משמש כגוף הנגד העליון, הסר את לוחית ההעמסה ואת מוט התמיכה מבוחן החיכוך. במידת הצורך, הסר את הפלטה הקיימת ובחר לוח עגול חדש המתאים להרכבה של סינוביום.
         1. באמצעות מלקחיים, מניחים את הסינוביום על גבי הלוח העגול. כדי לאבטח את הסינוביום, התפשטו טבעת O על היקפה.
         2. באמצעות מלקחיים, משכו בעדינות את הסינוביום כדי למתוח את הרקמה הנלמדת והשטוחה מתחת לטבעת ה-O. לקצץ עודפי רקמות עם מספריים כירורגיים.
         3. שחזר את לוחית הטעינה (עם סינוביום מחובר) ומוט תמיכה לבוחן החיכוך. התאם את הגובה האנכי של לוח ההעמסה כך שהסינוביום מרחף מעל פני הנגד התחתון ושקוע באמבט הבדיקה. הוסיפו עוד תמיסת אמבטיה לבדיקה במידת הצורך.

3. בדיקת חיכוך

הערה: תוכנית LabVIEW מותאמת אישית וחומרה משויכת (ראה קבצי קידוד משלימים) משמשות לבדיקות אלה. שים לב שהקוד המותאם אישית נבנה ב- LabVIEW 2010 ונשמר על אותה גרסה מדור קודם. כתוצאה מכך, ייתכן שהקוד לא יהיה תואם קדימה לגרסה העדכנית ביותר של התוכנה. שביתות הלחצנים הבאות והפניות לממשק משתמש יהיו רלוונטיות רק לקוד המותאם אישית. אם עובדים עם גרסת תוכנה אחרת, ניתן לכתוב תוכנית מותאמת אישית דומה על ידי שינוי הקוד.

1. הכנס את הדגימות המותקנות (שלב 2.4) להתקן בודק החיכוך.
   הערה: הדגימות צריכות להיות שקועות בתמיסת האמבטיה של הבדיקה, אך אסור שיהיו במגע זו עם זו.
2. פתח את התוכנה וקבע פרמטרים לבדיקה: מהירות שלב, האצת שלב, נתיב נסיעה (מרחק) ומשך הבדיקה (איור 5).
   1. פתח את שלושת החלונות בתוכנית: בניית נתונים אנלוגיים MFDAQ, אתחול טען PID והפעלת מתקשר דינמי.
   2. הפעל את החלון MFDAQ לבניית נתונים אנלוגיים על-ידי לחיצה על לחצן הפעל (חץ לבן).
   3. הפעל את החלון אתחול טען PID על-ידי לחיצה על לחצן הפעל (חץ לבן).
   4. נווט אל הכרטיסיה Stepper בחלון מפעיל מתקשר דינמי. ציין את ההאצה, המהירות והמרחק של שלב התרגום בתיבות הקלט של המשתמש.
      הערה: ערך המרחק מגדיר את מסלול השחיקה באורך של חצי אורך. במילים אחרות, השלב יעבור ממיקום האפס שצוין (שלב 3.5) לערך המרחק שנקבע הן בכיווני x החיוביים והן בכיווני x השליליים.
   5. בכרטיסיה Stepper, ציין את משך הבדיקה על-ידי בחירה בנתיב הקובץ Stepper Time Index . לחץ על לחצן פתח תיקיה בפינה השמאלית התחתונה של הטבלה מצב זמן ובחר את הקובץ.
   6. ציין את משך הבדיקה גם בכרטיסיה סליל קול. נווט אל הכרטיסיה סליל קול בחלון 'הפעל מתקשר דינמי'. בדומה לשלב 3.2.5, בחר בנתיב הקובץ אינדקס סליל קול על-ידי לחיצה על לחצן פתח תיקיה בפינה השמאלית התחתונה של הטבלה מצב זמן ובחר את הקובץ. משך הזמן חייב להיות תואם לזה של הכרטיסייה Stepper .
3. רשום את העומס הרגיל. אם משתמשים במשקולות מתות, הניחו את המשקולות הרצויות על המסבים הליניאריים מעל לוח ההעמסה. ודא שהעומס המופעל בתוספת משקל לוח ההעמסה ומוט התמיכה אינם עולים על הקיבולת המדורגת של תא העומס.
4. בחר את הנתיב ואת שם הקובץ לאחסון נתונים באמצעות לחצן התיקיה הפתוחה מימין לתיבה כתוב לקובץ? שמור את הקובץ עם סיומת ".txt".
5. מרכזים את פני הנגד התחתונים מתחת לפניית הנגד העליונה. הגדר זאת כמיקום האפס x.
   1. הפעל את החלון 'הפעל מתקשר דינמי' על-ידי לחיצה על לחצן הפעל (חץ לבן). בכרטיסיה Stepper, לחץ על לחצן בית כדי להעביר את הבמה למצב x האפס שנשמר לאחרונה.
   2. אם פני הנגד אינם מיושרים, הזיזו את הבמה על ידי לחיצה על לחצני החצים הירוקים שמאלה וימינה. כאשר מגיעים למיקום הרצוי, לחץ על אפס כפתור כדי לשמור את מיקום השלב הנוכחי כמיקום x האפס החדש. עצור את החלון 'הפעל מתקשר דינמי' על-ידי לחיצה על לחצן עצור.
      הערה: ניתן לשמור את מיקום הבמה רק בזמן שחלון ' הפעל מתקשר דינמי' פועל, אך השלב עדיין לא זז כפי שצוין על-ידי התוכנית. לחיצה על לחצן הפעלה (חץ לבן) בשלב 3.5.1 תפעיל מסגרת זמן של 15 שניות לפני שהבמה תתחיל לנוע. השתמש במסגרת זמן זו של 15 שניות כדי להזיז את השלב ולשמור את מיקום האפס הרצוי.
   3. אם מיקום האפס הרצוי אינו מתקבל בניסיון הראשון, חזור על שלב 3.5.1.
      הערה: זה עשוי לעזור ללחוץ על לחצן אפס לסירוגין כדי לשמור את מיקום הבמה כאשר המשתמש מזיז את הדלפק התחתון מתחת לפניית הנגד העליונה. נזכיר כי לחיצה על כפתור הבית תעביר את הבמה למיקום האחרון שנשמר על-ידי לחצן אפס .
6. לאחר שהפנים הנגדיות העליונות והתחתונות ממורכזות, התחילו בבדיקות חיכוך של הדגימות על ידי התחלת התנועה המחזורית של השלב. לשם כך, הפעל את חלון ההפעלה של מתקשר דינמי על-ידי לחיצה על לחצן הפעל (חץ לבן).
7. ברגע שהבמה זזה, הביאו לאט לאט את הדלפק העליון למגע עם החלק התחתון.
   הערה: ניתן לאשר את ערך הטעינה המוחל על-ידי הצגת החלקה בזמן אמת של F_z בחלון התוכנה (איור 5A).
8. תן לבדיקה לרוץ, לאסוף את נתוני בדיקת החיכוך.
   הערה: כל הנתונים שנרשמו במהלך שלב 3.5 יוחלפו. ניתן לצפות בהיסטרזיס בזמן אמת בחלון ' מתקשר דינמי' של 'טריגר' (איור 5C).
9. לאחר משך הבדיקה הרצוי, עצור את הבדיקה על ידי לחיצה על לחצן עצור ופריקת הדגימות על ידי הרמת פני הנגד העליונים והזזתו ממגע עם הדלפק התחתון.

4. עיבוד נתונים

הערה: תוכנית MATLAB מותאמת אישית משמשת לעיבוד נתונים (ראה קבצי קידוד משלימים). הקוד קורא לקבצי הפלט שצוינו על-ידי קוד LabVIEW המותאם אישית.

1. השתמש בקוד המותאם אישית כדי לחשב את מקדם החיכוך ואת תזוזת הזחילה (עיוות רקמה תלוי זמן) לכל מחזור.
   1. ודא שכל הקודים הרלוונטיים נשמרים באותה תיקיה: "frictioncycle_fun.m", "frictioncycle_Hysteresis_plot.m", "frictioncycle_MU_plot.m", ו- "frictioncycle_run.m".
      הערה: קודי MATLAB אלה נכתבו לשימוש עם הפלטים הספציפיים מקוד LabVIEW הנ"ל. אם המשתמש יצר קוד משלו או ביצע שינויים בקוד המתואר כאן, ייתכן שיהיה צורך לערוך את הסקריפטים של MATLAB כדי להתאים לשינויים אלה.
   2. פתח את הקובץ frictioncycle_run.m. לחץ על לחצן הפעלה (חץ ירוק) בסקריפט. בחר את קובץ הנתונים הגולמי לניתוח ואת המיקום הרצוי לשמירת פלט MATLAB.
      הערה: התוכנה עשויה לדרוש מספר דקות כדי לעבד נתונים בהתאם למשך הבדיקה.
2. אם תרצה, בצע הערכות רקמות סטנדרטיות וניתוחי מדיה על המלקטים והאליקוטים שנבדקו של תמיסת האמבטיה הבודקת.

תוצאות

תצורת סינוביום-על-סחוס שימשה לבדיקת חיכוך של חומרי בטן צעירים. הסינוביום הורכב על לוחית טעינה אקרילית בקוטר 10 מ"מ כך שהשכבה האינטימית תהיה במגע עם הסחוס הבסיסי. רצועה טיביאלית שימשה כנקודת הנגד של הסחוס (איור 6A). רצועות טיביאליות נחתכו בעומק של כ-1.4 מ"מ ובגודל של 10 מ"מ על 30 מ"מ....

Discussion

סביבה מכנית דינמית קיימת בתוך המפרק כאשר הסחוס נתון לכוחות דחיסה, מתיחה וגזירה, וללחצים הידרוסטטיים ואוסמוטיים^44,45. למרות שהסחוס הוא הרקמה נושאת העומס העיקרית של המפרק, הסינוביום עובר גם אינטראקציות חיכוך עם משטח הסחוס ועם עצמו באזורים שבהם הרקמה מתקפלת. הא...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aluminum foil	Reynolds Group Holdings	Reynolds Wrap	Sterile tissue harvest
Aluminum-framed acrylic enclosure	Custom made		Friction tester component
Autoclavable instant sealing sterilization pouches	Fisherbrand	01-812-54	Sterilization of tools
Autoclave	Buxton		Sterilization of tools
Beaker (250 mL)	Pyrex Vista	70000	Tissue harvest
Betadine (Povidone Iodine Prep Solution)	Medline Industries, LP	MDS093906	Sterile tissue harvest
Biological safety cabinet	Labconco	Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC	Sterile tissue harvest
Biospy punch	Steritool Inc.	50162	Tissue harvest
Box cutter	American Safety Razor Company	94-120-71	Tissue harvest
Circular acrylic-sillicone post (synovium)	Custom made		Tissue mounting
Culture media	Custom made		DMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) supplemented with 50 μg/mL L-proline (Cat. No. P5607; Sigma), 100 μg/mL sodium pyruvate (Cat. No. S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. No. 354350; Corning), and 1% antibiotic–antimycotic (Cat. No. 15-240-062, Gibco)
Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear)	Henkel	135455	Tissue mounting
Dead weights	OHAUS		Normal load
Ethanol 200 proof	Decon Labs, Inc.	2701	Dilute to 70 %
Fixed base	ThorLabs, Inc.	SB1T	Friction tester component
Forceps (synovium harvest)	Fine Science Tools	11019-12	Tissue harvest
Forceps (synovium mounting)	Excelta	3C-S-PI	Tissue mounting
Horizontal linear encoder (for translating stage)	RSF Electronics, Inc.	MSA 670.63	Friction tester component; system resolution of 1 µm
Hot glue gun and glue	FPC Corporation	Surebonder Pro 4000A	Tissue mounting
LabVIEW	National Instruments Corporation	LabVIEW  2010	Friction testing program
Load cell	JR3 Inc.	20E12A-M25B	Friction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z
Loading platen	Custom made		Tissue mounting
O-ring	Parker	S1138AS568-009	Tissue mounting
Petri dish (60 mm)	Falcon	351007	Tissue mounting
PivotLok Work Positioner (tibia holder)	Industry Depot, Pivot Lok	PL325	Tissue harvest
Removable base	ThorLabs, Inc.	SB1B	Friction tester component
Ring stand			Tissue harvest
Scalpel blades	Havel's Inc.	FSC22	Tissue harvest
Scalpel handle	FEATHER Safety Razor Co., Ltd.	No. 4	Tissue harvest
Screwdriver	Wera	3334	Tissue harvest
Stage	JMAR		Friction tester component
Stepper motor	Oriental Motor Co., Ltd.	PK266-03B	Friction tester component
Suction tool	Virtual Industries, Inc.	PEN-VAC Vacuum Pen	Tissue mounting
Support rod	Custom made		Tissue mounting
Surgical scissors	Fine Science Tools	14061-09	Tissue mounting
Synovial fluid (bovine)	Animal Technologies, Inc.		Friction testing bath
Testing bath	Custom made		Phosphate-Buffered Saline (PBS) with protease inhibitors: 0.04% isothiazolone-base biocide (Proclin 950 Cat. No. 46878-U; Sigma) and 0.1% protease inhibitor - 0.05 M ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA (Cat. No. 0369; Sigma)
Tissue culture incubator	Fisher Scientific	Isotemp	Sterile culture
Vertical linear encoder (for loading stage)	Renishaw	T1031-30A	Friction tester component; 20 nm resolution
Voice coil actuator	H2W Technologies	NCC20-15-027-1RC	Friction tester component