המחברים מבקשים להביע את תודתם ואן דן ברג מר Jeroen ומר מתאייס Wassink מקבוצת מכניקה פיתוח ב UMC אוטרכט על עזרתם גלישת תהליך של אטמי osteochondral. עבודה זו נתמכה על ידי מענק מטעם קרן דלקת פרקים הולנדית.

הערה: הפרוטוקול המובא כאן הוא אימץ מן הפרוצדורות ו חישובית של מחקרים אחרונים 6, 8, 9. הפרוטוקול מתואר באיור 1. החומרים cadaveric נאספו באישור הסגל וטרינרי של אוניברסיטת אוטרכט. 1. לדוגמא הכנת אמבט <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקדוח החוצה תקעי osteochondral גליליים (קוטר של 8.5 מ&quot;מ) מן condyles ירך סוסי cadaveric באמצעות מקדח מחוייט (איור 1), תוך התזה מגניב פוספט שנאגר מלוח (PBS) כדי למנוע התחממות יתר ופגיעה בסחוס עוקבת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לכווץ את המצתים osteochondral עם פלסטיק מתכווץ שרוול כדי למזער את דיפוזיה לרוחב האמבטיה שכיסה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר תקע osteochondral עם סחוס בבית הדואר העליון בתחילה בתוך שרוול מתכווץ פלסטיק ופעל ידי נושבת באוויר חם אליו. להוסיף חתיכות צמר גפן רטוב על פני השטח של סחוס כדי למנוע נזק חום-קשורים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כן-אמבטיות סופיות של טיעונים (למשל, 650 μL, 420 מ&quot;מ, ioxaglate, משקל המולקולרי (MW) = 1269 Da, תשלום = -1) ו ניטראלי (650 μL, 420 מ&quot;מ, iodixanol, MW = 1550 Da) מומס בנפרד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את הסופים-האמבטיות הכינו על פני השטח של סחוס באמצעות מזרק ולמקם תקע פקק על המדגם העטוף כדי למנוע אידוי במהלך ניסויים ב RT (איור 2 א). כדי ללמוד את התחבורה המומסת הניטראלית, למקם את אמבטית iodixanol וכדי ללמוד באמבטית ioxaglate מקום בתחבורה מומסת הטעונה השלילי על גבי משטח הסחוס. </li></ol> הדמיה 2. ועיבוד תמונה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את הדגימות העטופות מבודדות עם תקע פקק על בעל מחוייט מצורף הבמה הממונעת של א-CT מיקרו. מקום tהוא לדגום כך משטח הסחוס מכוסה פתרון חומר ניגוד פונה כלפי מעלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סרוק באמצעות מיקרו-CT (גודל voxel של 40 × 40 × 40 מיקרומטר 3, סריקה בזמן של 2 דקות, מתח צינור של 90 קילו ו הנוכחי צינור של 180 מיקרו-אמפר) שדה הראייה המורכבת של הסחוס, צלחת subchondral, ו finite- אמבטיה בכמה נקודות זמן עד מדינת שיווי משקל (48 ח) הוא הגיע (איור 2 א). מדינת שיווי המשקל מושגת כאשר ערכי ריכוז אינם משתנים לאורך זמן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את תמונות 3D בנקודות זמן שונות המבוססות על התמונה הראשונית כדי להקל מיצוב של האזור של העניין (ROI) באמצעות התוכנה של היצרן (למשל, לנתח). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> המר את 3D משוחזר תמונות מיקרו-CT לתוך פורמט קובץ תמונה Tagged 2D (TIFF) מחסנית לפני עיבוד אותם באמצעות תוכנה של היצרן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גלובלי פלח (ImageJ&gt; התאם&gt; Threshold) הסחוס מן העצם subchondral ושובשוכב באמבטיה בתוכנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השג את הערך האפור הממוצע של סחוס בנקודות זמן שונה (ImageJ&gt; לנתח מדוד&gt;) באמצעות מסכת סחוס שנוצרה בשלב הקודם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בהינתן ריכוז אמבטיה הראשוני וריכוז חומר ניגוד ראשוני הסחוס, להשתמש עקומת כיול ליניארית להמיר הערכי האפור הממוצע של ריכוז בפועל של מומסים. נתונים קודמים תומכים בעובדה ערכית אפור לשמור על קשר לינארי עם הריכוז של חומר ניגוד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שרטט את ריכוזי המומס לעומת נקודות זמן הניסוי. </li></ol> 3. מודלים חישוביים הערה: דיפוזיה בעיה זו הנחה היא להתקיים 1D (לאורך ציר z), אשר עולה בקנה אחד עם המצב בגבול הניסיון. לכן, הגיאומטריה יכולה להיווצר באופן שרירותי. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבנות סחוס מבוסס סופית-אמבטית מודלים רב אזור: 1) סחוס מורכב אזור השטחי<html> (20% מעובי הסחוס סה&quot;כ), אזור הביניים (50% מעובי הסחוס הכולל) ואת אזור עמוק (30% מעובי הסחוס הכל) 12 ו 2), אמבטיה סופי ב FEBio 13, 14 (איור 2B). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקצה את התכונות המכאניות ופיסיות של אזורים השונים של סחוס אמבטית FEBio. מודול יאנג (10 MPA) הונח להיות גבוה מספיק כדי לעמוד בלחץ האוסמוטי שמפעיל באמבטיה שמעליה ולכן להגן על הסחוס מפני עיוותים מוגזמות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש חדירות הידראוליות של 10 -3 מ&quot;מימ 4 / NS ו מקדם פואסון של 0. מקדם דיפוזיה המומס השתמש בפועל של האמבט בסימולציות 8, 9. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צור רשת (אלמנטי hexahedral טריליניארי 8-צומת) ולעדן אותה ליד הגבולות (איור 2B)class = &quot;Xref&quot;&gt; 8, 9. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מודל דו-פאזי-המומס <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל ריכוז מומס ראשוני לחץ האמבטיה ויעיל המתאים לו. תראה את התיאור של לחץ אפקטיבי 9, 15. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את המודל במצב חולף להשיג ריכוז מומס מול עקומות זמן על פי מקדמי דיפוזיה שנקבעו באזורי סחוס שונים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מודל מרובה מצבים הערה: התנודות החשמליות בין אמבטית רקמות ניתן לעקיפה על ידי הוספת שני חד ערכי נגד יונים הוא באמבטיה ואת הרקמות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור דגמים יציבים: להשתמש באותה לחצי נוזל יעילים וריכוזי סחוס האמבטיה שמעליה תוך הגדלת FCD כדי הערך הרצוי שלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור דגמים חולפים: ליצור סופי-אמבטיה-בחש היטב על ידי שמירה על מקדם דיפוזיה המומס באמבטיה הגבוהה מספיק. להזריק אתמומס מהממשק-האוויר באמבטיה לאמבטיה כדי להגיע לערך הריכוז הרצוי שלה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חלוף: להסיר את המצב בגבול מומס ריכוז שנקבע בשלב הקודם ולחזור קדם הדיפוזיה של מהמרחץ הסופי אל מקדם הדיפוזיה שלה בפועל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את המודל כדי להשיג עקומות ריכוז בזמן מומסות מבוססות על FCDs שיושמה מקדמי דיפוזיה באזורי סחוס שונים. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממשק FEBio-MATLAB <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפתח קוד MATLAB לבצע סימולציה אוטומטית FEBio ועקומות הריכוז בזמן העלילה (ממשק FEBio-MATLAB) 8, 9. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שינוי מקדם דיפוזיה FCDs באזורי סחוס באמצעות ממשק FEBio-MATLAB. הפעל מודלי FEBio ולחלץ עקומות ריכוז בזמן מומס 8, 9. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השווה את עקומות ריכוז בזמן המומסת שהושג עם ניסיוניערכות נתונים ולקבל של מקדמי דיפוזיה FCDs באזורי סחוס שונים המבוססים על שורש מינימום טעות ריבועית ממוצעת (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="איור 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg" /> איור 1: הגדרת ניסוי. א) הליך החילוץ לדוגמא באמצעות מקדח מחוייט. B) Micro-CT הליך הדמיה לפקח תהליך דיפוזיה. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg" /> איור 2: סכמטי.א) עיצוב ניסיוני. B) מודל חישובי Multi-zone מורכב באמבטיה הסופית, שטחי, באמצע העמוק האזורית של סחוס הרשת מזוהית. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

<ol><li>Arkill, K. P., Winlove, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+in+the+deep+and+calcified+zones+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage.</a> Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).</li>
<li>Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+across+the+articular+surface+of+injured+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Arch+Biochem+Biophys%22%5BJournal%5D)">Solute transport across the articular surface of injured cartilage.</a> Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-specific+effects+of+compression+on+macromolecular+diffusion+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage.</a> Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-Specific+Molecular+Diffusion+in+Articular+Cartilage+Measured+using+Fluorescence+Recovery+after+Photobleaching%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching.</a> Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).</li>
<li>Gu, W. Y., Yao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+hydration+and+fixed+charge+density+on+fluid+transport+in+charged+hydrated+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues.</a> Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolated+effects+of+external+bath+osmolality%2C+solute+concentration%2C+and+electrical+charge+on+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+and+Physics%22%5BJournal%5D)">Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage.</a> Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).</li>
<li>Kulmala, K. A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+coefficients+of+articular+cartilage+for+different+CT+and+MRI+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+%26+Physics%22%5BJournal%5D)">Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents.</a> Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+of+Neutral+Solute+Across+Articular+Cartilage%3A+The+Role+of+Zonal+Diffusivities%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+modeling+of+charged+solute+transport+across+articular+cartilage%3A+Application+of+multi-zone+finite-bath+model%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model.</a> J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+inverse-forward+artificial+neural+networks+for+fast+and+accurate+estimation+of+the+diffusion+coefficients+of+cartilage+based+on+multi-physics+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models.</a> Journal of Biomechanics. , (2016).</li>
<li>Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Basic+Science+of+Articular+Cartilage%3A+Structure%2C+Composition%2C+and+Function%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Health%22%5BJournal%5D)">The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function.</a> Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).</li>
<li>Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAteshian%2C+G+%22Computer+Models+in+Biomechanics%22">Computer Models in Biomechanics</a>. , Springer. Netherlands. 231-249 (2013).</li>
<li>Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+Finite+Element+Framework+for+Modeling+Hydrated+Mixtures+With+Multiple+Neutral+and+Charged+Solutes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+multiphysics+models+to+efficient+design+of+experiments+of+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Biol+Med%22%5BJournal%5D)">Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage.</a> Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).</li>
<li>Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+superficial+collagen+fibrils+for+the+function+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biomechanics+and+Modeling+in+Mechanobiology%22%5BJournal%5D)">The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).</li>
<li>Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritic+changes+in+the+biphasic+mechanical+properties+of+the+chondrocyte+pericellular+matrix+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage.</a> Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).</li>
<li>Felson, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritis%3A+new+insights.+Part+1%3A+the+disease+and+its+risk+factors%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Intern+Med%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors.</a> Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).</li>
<li>Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+mechanical+injury+of+articular+cartilage+using+contrast+enhanced+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography.</a> Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).</li>
<li>Raya, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion-tensor+imaging+of+human+articular+cartilage+specimens+with+early+signs+of+cartilage+damage%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage.</a> Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).</li>
<li>Tavakoli Nia, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aggrecan+Nanoscale+Solid-Fluid+Interactions+Are+a+Primary+Determinant+of+Cartilage+Dynamic+Mechanical+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties.</a> ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. 11th World Congress on Computational Mechanics & 5th European Conference on Computational Mechanics, Barcelona, Spain, , (2014).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+mechanical+and+physical+properties+of+cartilage+by+coupling+poroelastic-based+finite+element+models+of+indentation+with+artificial+neural+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks.</a> Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).</li>
<li>Kokkonen, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computed+tomography+detects+changes+in+contrast+agent+diffusion+after+collagen+cross-linking+typical+to+natural+aging+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).</li>
<li>Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+and+Distribution+of+Fluorescent+Solutes+near+the+Articular+Surface+of+Mechanically+Injured+Cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage.</a> Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bath+Concentration+of+Anionic+Contrast+Agents+Does+Not+Affect+Their+Diffusion+and+Distribution+in+Articular+cartilage+In+Vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Cartilage%22%5BJournal%5D)">Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro.</a> Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((pQCT+study+on+diffusion+and+equilibrium+distribution+of+iodinated+anionic+contrast+agent+in+human+articular+cartilage+-+associations+to+matrix+composition+and+integrity%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage - associations to matrix composition and integrity.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent's transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. Orthopaedic Research Society Annual Meeting, Las Vegas, Nevada, , (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. International Workshop on Osteoarthritis Imaging (IWOAI), Oulo, Finland, , (2016).</li>
</ol>

החוקרים אין לחשוף.

הצגנו פרוטוקול ניסוי בשילוב עם הליך דוגמנות אלמנטים סופי ללמוד את הדיפוזיה של מומסים ניטראליים והואשמו פני סחוס במפרק. על פי המחקרים האחרונים שלנו, הדגמים המוצעים יכולים לתאר במדויק את ההובלה של שניהם ניטראלי (-המומס פאזי) טעון שלילי (מרובה מצבים) מומס פני אזורים שונ?...

<html> תחבורה מולקולרית ממלא תפקיד חיוני הומאוסטזיס של המפרקים לבטא, משלוח של תרופות כדי במפרק סחוס ודימות סחוס משופר ניגודיות 1, 2, 3. גורמים כגון אינטגרצית סחוס תקינות, המומס תשלום וגודל וכן osmolality וריכוז האמבטיה במגע עם סחוס עשוי להשפיע על שיעור התחבורה 4, 5, 6. ההובלה מומסת, ניטראלי או טעון, יכולה להיות שונה בין אזורי סחוס במפרק, כי כל אזור מורכב ריכוזי אורינטציות שונים של מולקולות תא מטריקס גדולה, כלומר proteoglycans (PGS) וקולגן סוג II 1, 7, 8, 9,נַעֲרָה = &quot;Xref&quot;&gt; 10, 11. וחשוב יותר, התחבורה של מומסים טעונים יכולה להיות תלויה במידה רבה את הריכוז של proteoglycans הכולל שעבודים קבועים שליליים בתוך מטריקס אשר מגביר פני סחוס במפרק 8, 9. פרמטרים אלה צפיפות שעבוד קבוע במיוחד (FCD), האוריינטציה של סיבי קולגן וריאציה תכולת מים על פני הסחוס עשוי לעבור שינויים כמו דלקת מפרקים ניוונית (OA) מתקדמת, אשר סימנה באמצעותם את החשיבות של לימוד דיפוזיה פני הסחוס. במחקר הנוכחי, פרוטוקול המבוסס על מחקרי ניסויים הקימו בעבר חישובית 6, 8, 9 מוצע לחקור דיפוזיה במדויק בתנאי גבול שונים באמצעות מומסים ניטראליים והואשמו ב מודל סופי-אמבטיה של דיפוזיה. Tהוא הציע שיטות מורכבות הדמית טומוגרפיה ממוחשבת מייקרו (micro-CT) של מערכת כולל סחוס ואמבט סופי הנתמך על ידי-המומס פאזי מתקדם ומודלי אלמנטים סופיים מרובים מצבים. מודלים אלה מאפשרים קבלת מקדמי דיפוזיה של מולקולות ניטראליות וטעונות כמו גם FCDs פני אזורים שונים של סחוס במפרק. שימוש במודלים אלה, אפשר לקבל הבנה טובה יותר של ההתנהגות של מולקולות ניטראליות והואשמו לשדר שיכול לשמש כדי לחקור את יחסי הגומלין בין הסחוס שכיסה-אמבטיה סופית.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Negatively-charged contrast agent</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE healthcare</td><td>12570511</td><td>Nuetral contrast agent</td></tr><tr><td>PBS (Phosphate-buffered Saline)</td><td>Life technologies</td><td>10010023</td><td>Medium</td></tr><tr><td>micro-CT</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Monitoring diffusion</td></tr><tr><td>Freezing-point osmometer</td><td>Advanced instruments</td><td></td><td>Measuring solution osmolality</td></tr></tbody></table>

an experimental and finite element protocol to investigate the transport of neutral and charged solutes across articular cartilage

<html> אוסטיאוארתריטיס (OA) היא מחלה מתישה המשויך ניוון של הסחוס במפרק ואת עצם subchondral. ניוון של סחוס במפרק פוגע בתפקוד לטעון הנושאות שלה באופן משמעותי כפי שהוא חווה השפלה כימית עצומה, שיבוש הפיברילות אובדן וקולגן proteoglycan כלומר. אחת הדרכים המבטיחות לחקור מנגנונים נזק כימי במהלך OA היא לחשוף את דגימות סחוס אל המומס חיצוניים ולפקח הדיפוזיה של מולקולות. מידת הנזק בסחוס (ריכוז כלומר ותצורה של מקרומולקולות חיוניים) קשורה לאובדן אנרגיה collisional של מומסים חיצוניים תוך כדי תנועה על פני הסחוס במפרק יוצר המאפיינים דיפוזיה שונים לעומת סחוס בריא. במחקר זה, אנו מציגים פרוטוקול, אשר מורכב מכמה שלבים, והוא מבוסס על ניסיוני שפותחו בעבר מיקרו-C14px; &quot;&gt; omputed T omography (מיקרו-CT) ו דוגמנות אלמנטים סופיים הובלת מולקולות יוד טעונה uncharged נרשם לראשונה באמצעות מיקרו-CT, אשר מלווה החלים-המומס פאזי ומודלים אלמנטים סופיים מרובה מצבים לקבל מקדמי דיפוזיה. וקבוע צפיפויות מטען על פני אזורי סחוס.

תוצאות הנציג הניתנות כאן הם אמצו מן המחקרים קודמים 6, 8, 9, 16. בשנת OA, הסחוס במפרק עובר שינויים משמעותיים והכי חשוב אובדן GAG, ו?...

Watch this Scientific Journal Video about An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage at JoVE.com

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

אנו מציעים פרוטוקול לחקור את התחבורה של מולקולות טעונות uncharged פני סחוס במפרק בעזרת שיטות ניסיוניות שפותחו לאחרונה מספריות.

ניסויי ו אלמנטים סופיים פרוטוקול לחקר התחבורה של מומסים ניטראליים והואשמו ברחבי Articular סחוס

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

an-experimental-finite-element-protocol-to-investigate-transport

Research

JoVE Journal

Bioengineering

6.2K Views.  Delft University of Technology (TU Delft).  אנו מציעים פרוטוקול לחקור את התחבורה של מולקולות טעונות uncharged פני סחוס במפרק בעזרת שיטות ניסיוניות שפותחו לאחרונה מספריות. 

Video: An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

Real-time Visualization and Analysis of Chondrocyte Injury Due to Mechanical Loading in Fully Intact Murine Cartilage Explants

Homeostasis of articular cartilage depends on the viability of resident cells (chondrocytes). Unfortunately, mechanical trauma can induce widespread chondrocyte death, potentially leading to irreversible breakdown of the joint and the onset of osteoarthritis. Additionally, maintenance of chondrocyte viability is important in osteochondral graft procedures for optimal surgical outcomes. We present a method to assess the spatial extent of cell injury/death on the articular surface of intact murine synovial joints after application of controlled mechanical loads or impacts. This method can be used in comparative studies to investigate the effects of different mechanical loading regimens, different environmental conditions or genetic manipulations, as well as different stages of cartilage degeneration on short- and/or long-term vulnerability of in situ articular chondrocytes. The goal of the protocol introduced in the manuscript is to assess the spatial extent of cell injury/death on the articular surface of murine synovial joints. Importantly, this method enables testing on fully intact cartilage without compromising native boundary conditions. Moreover, it allows for real-time visualization of vitally stained articular chondrocytes and single image-based analysis of cell injury induced by application of controlled static and impact loading regimens. Our representative results demonstrate that in healthy cartilage explants, the spatial extent of cell injury depends sensitively on load magnitude and impact intensity. Our method can be easily adapted to investigate the effects of different mechanical loading regimens, different environmental conditions or different genetic manipulations on the mechanical vulnerability of in situ articular chondrocytes.

We present a method to assess the spatial extent of cell injury/death on the articular surface of intact murine joints after application of controlled mechanical loads or impacts. This method can be used to investigate how osteoarthritis, genetic factors and/or different loading regimens affect the vulnerability of in situ chondrocytes.

ויזואליזציה בזמן אמת וניתוח Chondrocyte לפציעה בגלל העמסה מכנית ב Explants הסחוס מאתר באופן מלא ללא פגע

Homeostasis of articular cartilage depends on the viability of resident cells (chondrocytes). Unfortunately, mechanical trauma can induce widespread ...

Application of Atomic Force Microscopy to Detect Early Osteoarthritis

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in elasticity can propagate or trigger the onset of major diseases like cancer or osteoarthritis (OA). Atomic force microscopy (AFM) has emerged as a strong tool to qualitatively and quantitatively characterize the biomechanical properties of specific biological target structures on a microscopic scale, measuring forces in a range from as small as the piconewton to the micronewton. Biomechanical properties are of special importance in musculoskeletal tissues, which are subjected to high levels of strain. OA as a degenerative disease of the cartilage results in the disruption of the pericellular matrix (PCM) and the spatial rearrangement of the chondrocytes embedded in their extracellular matrix (ECM). Disruption in PCM and ECM has been associated with changes in the biomechanical properties of cartilage. In the present study we used AFM to quantify these changes in relation to the specific spatial pattern changes of the chondrocytes. With each pattern change, significant changes in elasticity were observed for both the PCM and ECM. Measuring the local elasticity thus allows for drawing direct conclusions about the degree of local tissue degeneration in OA.

We present a method to investigate early osteoarthritic changes at the cellular level in articular cartilage by using atomic force microscopy (AFM).

יישום של מיקרוסקופ כוח אטומי כדי לזהות אוסטיאוארתריטיס מוקדם

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in ...

A 3D System for Culturing Human Articular Chondrocytes in Synovial Fluid

Cartilage destruction is a central pathological feature of osteoarthritis, a leading cause of disability in the US. Cartilage in the adult does not regenerate very efficiently in vivo; and as a result, osteoarthritis leads to irreversible cartilage loss and is accompanied by chronic pain and immobility 1,2. Cartilage tissue engineering offers promising potential to regenerate and restore tissue function. This technology typically involves seeding chondrocytes into natural or synthetic scaffolds and culturing the resulting 3D construct in a balanced medium over a period of time with a goal of engineering a biochemically and biomechanically mature tissue that can be transplanted into a defect site in vivo 3-6. Achieving an optimal condition for chondrocyte growth and matrix deposition is essential for the success of cartilage tissue engineering. 
 In the native joint cavity, cartilage at the articular surface of the bone is bathed in synovial fluid. This clear and viscous fluid provides nutrients to the avascular articular cartilage and contains growth factors, cytokines and enzymes that are important for chondrocyte metabolism 7,8. Furthermore, synovial fluid facilitates low-friction movement between cartilaginous surfaces mainly through secreting two key components, hyaluronan and lubricin 9 10. In contrast, tissue engineered cartilage is most often cultured in artificial media. While these media are likely able to provide more defined conditions for studying chondrocyte metabolism, synovial fluid most accurately reflects the natural environment of which articular chondrocytes reside in.
 Indeed, synovial fluid has the advantage of being easy to obtain and store, and can often be regularly replenished by the body. Several groups have supplemented the culture medium with synovial fluid in growing human, bovine, rabbit and dog chondrocytes, but mostly used only low levels of synovial fluid (below 20&#37;) 11-25. While chicken, horse and human chondrocytes have been cultured in the medium with higher percentage of synovial fluid, these culture systems were two-dimensional 26-28. Here we present our method of culturing human articular chondrocytes in a 3D system with a high percentage of synovial fluid (up to 100&#37;) over a period of 21 days. In doing so, we overcame a major hurdle presented by the high viscosity of the synovial fluid. This system provides the possibility of studying human chondrocytes in synovial fluid in a 3D setting, which can be further combined with two other important factors (oxygen tension and mechanical loading) 29,30 that constitute the natural environment for cartilage to mimic the natural milieu for cartilage growth. Furthermore, This system may also be used for assaying synovial fluid activity on chondrocytes and provide a platform for developing cartilage regeneration technologies and therapeutic options for arthritis.

A 3D system of culturing human articular chondrocytes in high levels of synovial fluid is described. Synovial fluid reflects the most natural microenvironment for articular cartilage, and can be easily obtained and stored. This system thus can be used for studying cartilage regeneration and for screening therapeutics for treating arthritis.

מערכת 3D עבור chondrocytes culturing האדם במפרק של נוזל סינוביאלי

Cartilage destruction is a central pathological feature of osteoarthritis, a leading cause of disability in the US. Cartilage in the adult does not ...

Biology

Characterization of Intra-Cartilage Transport Properties of Cationic Peptide Carriers

Several negatively charged tissues in the body, like cartilage, present a barrier to the targeted drug delivery due to their high density of negatively charged aggrecans and, therefore, require improved targeting methods to increase their therapeutic response. Because cartilage has a high negative fixed charge density, drugs can be modified with positively charged drug carriers to take advantage of electrostatic interactions, allowing for enhanced intra-cartilage drug transport. Studying the transport of drug carriers is, therefore, crucial towards predicting the efficacy of drugs in inducing a biological response. We show the design of three experiments which can quantify the equilibrium uptake, depth of penetration and non-equilibrium diffusion rate of cationic peptide carriers in cartilage explants. Equilibrium uptake experiments provide a measure of the solute concentration within the cartilage compared to its surrounding bath, which is useful for predicting the potential of a drug carrier in enhancing therapeutic concentration of drugs in cartilage. Depth of penetration studies using confocal microscopy allow for the visual representation of 1D solute diffusion from the superficial to deep zone of cartilage, which is important for assessing whether solutes reach their matrix and cellular target sites. Non-equilibrium diffusion rate studies using a custom-designed transport chamber enables the measurement of the strength of binding interactions with the tissue matrix by characterizing the diffusion rates of fluorescently labeled solutes across the tissue; this is beneficial for designing carriers of optimal binding strength with cartilage. Together, the results obtained from the three transport experiments provide a guideline for designing optimally charged drug carriers which take advantage of weak and reversible charge interactions for drug delivery applications. These experimental methods can also be applied to evaluate the transport of drugs and drug-drug carrier conjugates. Further, these methods can be adapted for the use in targeting other negatively charged tissues such as meniscus, cornea and the vitreous humor.

This protocol determines equilibrium uptake, depth of penetration and non-equilibrium diffusion rate for cationic peptide carriers in cartilage. Characterization of transport properties is critical for ensuring an effective biological response. These methods can be applied for designing an optimally charged drug carriers for targeting negatively charged tissues.

אפיון של מאפייני תחבורה תוך סחוס של ספקי פפטיד צ'ציה

Several negatively charged tissues in the body, like cartilage, present a barrier to the targeted drug delivery due to their high density of negatively ...

Labeling of Extracellular Vesicles for Monitoring Migration and Uptake in Cartilage Explants

Extracellular vesicles (EVs) are used in different studies to prove their potential as a cell-free treatment due to their cargo derived from their cellular source, such as platelet lysate (PL). When used as treatment, EVs are expected to enter the target cells and effect a response from these. In this research, PL-derived EVs have been studied as a cell-free treatment for osteoarthritis (OA). Thus, a method was set up to label EVs and test their uptake on cartilage explants. PL-derived EVs are labeled with the lipophilic dye PKH26, washed twice through a column, and then tested in an in vitro inflammation-driven&#160;OA model for 5 h after particle quantification by nanoparticle tracking analysis (NTA). Hourly, cartilage explants are fixed, paraffined, cut into 6 &#181;m sections to mount on slides, and observed under a confocal microscope. This allows verification of whether EVs enter the target cells (chondrocytes) during this period and analyze their direct effect.

Here, we present a protocol to label platelet lysate-derived extracellular vesicles to monitor their migration and uptake in cartilage explants used as a model for osteoarthritis.

תיוג של שלל חוץ-תאי לניטור הגירה וספיגה של סחוס

Extracellular vesicles (EVs) are used in different studies to prove their potential as a cell-free treatment due to their cargo derived from their ...

A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation

In primary osteoarthritis (OA), normal 'wear and tear' associated with aging inhibits the ability of cartilage to sustain its load-bearing and lubrication functions, fostering a deleterious physical environment. The frictional interactions of articular cartilage and synovium may influence joint homeostasis through tissue level wear and cellular mechanotransduction. To study these mechanical and mechanobiological processes, a device capable of replicating the motion of the joint is described. The friction testing device controls the delivery of reciprocal translating motion and normal load to two contacting biological counterfaces. This study adopts a synovium-on-cartilage configuration, and friction coefficient measurements are presented for tests performed in a phosphate-buffered saline (PBS) or synovial fluid (SF) bath. The testing was performed for a range of contact stresses, highlighting the lubricating properties of SF under high loads. This friction testing device can be used as a biomimetic bioreactor for studying the physical regulation of living joint tissues in response to applied physiologic loading associated with diarthrodial joint articulation.

The present protocol describes a friction testing device that applies simultaneous reciprocal sliding and normal load to two contacting biological counterfaces.

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

In primary osteoarthritis (OA), normal 'wear and tear' associated with aging inhibits the ability of cartilage to sustain its load-bearing and lubrication ...

Addressing Practical Issues in Atomic Force Microscopy-Based Micro-Indentation on Human Articular Cartilage Explants

Without a doubt, atomic force microscopy (AFM) is currently one of the most powerful and useful techniques to assess micro and even nano-cues in the biological field. However, as with any other microscopic approach, methodological challenges can arise. In particular, the characteristics of the sample, sample preparation, type of instrument, and indentation probe can lead to unwanted artifacts. In this protocol, we exemplify these emerging issues on healthy as well as osteoarthritic articular cartilage explants. To this end, we first show via a step-by-step approach how to generate, grade, and visually classify ex vivo articular cartilage discs according to different stages of degeneration by means of large 2D mosaic fluorescence imaging of the whole tissue explants. The major strength of the ex vivo model is that it comprises aged, native, human cartilage that allows the investigation of osteoarthritis-related changes from early onset to progression. In addition, common pitfalls in tissue preparation, as well as the actual AFM procedure together with the subsequent data analysis, are also presented. We show how basic but crucial steps such as sample preparation and processing, topographic sample characteristics caused by advanced degeneration, and sample-tip interaction can impact data acquisition. We also subject to scrutiny the most common problems in AFM and describe, where possible, how to overcome them. Knowledge of these limitations is of the utmost importance for correct data acquisition, interpretation, and, ultimately, the embedding of findings into a broad scientific context.

We present a step-by-step approach to identify and address the most common problems associated with atomic force microscopy micro-indentations. We exemplify the emerging problems on native human articular cartilage explants characterized by various degrees of osteoarthritis-driven degeneration.

טיפול בסוגיות מעשיות במיקרו-הזחה מבוססת מיקרוסקופיה של כוח אטומי על צמחי סחוס מפרקיים אנושיים

Without a doubt, atomic force microscopy (AFM) is currently one of the most powerful and useful techniques to assess micro and even nano-cues in the ...

A Probing Device for Quantitatively Measuring the Mechanical Properties of Soft Tissues during Arthroscopy

Probing in arthroscopic surgery is performed by pulling or pushing the soft tissue, which provides feedback for understanding the condition of the soft tissue. However, the output is only qualitative based on the &#8220;surgeon&#8217;s feeling&#8221;. Herein is described a probing device developed to address this issue by measuring the resistance of soft tissues quantitatively with a tri-axial force sensor. Under both conditions (i.e., pull- and push-probing certain tissues mimicking the acetabular labrum and cartilage), this probing device is found to be useful for measuring some mechanical properties in joints during arthroscopy.

Probing during arthroscopy surgery is normally done to assess the condition of the soft tissue, but this approach has always been subjective and qualitative. This report describes a probing device that can measure the resistance of the soft tissue quantitatively with a tri-axial force sensor during arthroscopy.

מכשיר בודק למדידת תכונות מכניות של רקמות רכות במהלך ארתרוסקופיה

Probing in arthroscopic surgery is performed by pulling or pushing the soft tissue, which provides feedback for understanding the condition of the soft ...

Medicine

Biotribological Testing and Analysis of Articular Cartilage Sliding against Metal for Implants

Osteochondral defects in middle-aged patients might be treated with focal metallic implants. First developed for defects in the knee joint, implants are now available for the shoulder, hip, ankle and the first metatarsalphalangeal joint. While providing pain reduction and clinical improvement, progressive degenerative changes of the opposing cartilage are observed in many patients. The mechanisms leading to this damage are not fully understood. This protocol describes a tribological experiment to simulate a metal-on-cartilage pairing and comprehensive analysis of the articular cartilage. Metal implant material is tested against bovine osteochondral cylinders as a model for human articular cartilage. By applying different loads and sliding speeds, physiological loading conditions can be imitated. To provide a comprehensive analysis of the effects on the articular cartilage, histology, metabolic activity and gene expression analysis are described in this protocol. The main advantage of tribological testing is that loading parameters can be adjusted freely to simulate in vivo conditions. Furthermore, different testing solutions might be used to investigate the influence of lubrication or pro-inflammatory agents. By using gene expression analysis for cartilage-specific genes and catabolic genes, early changes in the metabolism of articular chondrocytes in response to mechanical loading might be detected.

This protocol describes the preparation, biotribological testing, and analysis of osteochondral cylinders sliding against metal implant material. Outcome measures included in this protocol are metabolic activity, gene expression and histology.

בדיקות וניתוח ביוטריבולוגי של סחוס ארטיקולר מחליק נגד מתכת עבור שתלים

Osteochondral defects in middle-aged patients might be treated with focal metallic implants. First developed for defects in the knee joint, implants are ...

Synovial Fluid Analysis to Identify Osteoarthritis

Synovial fluid (SF) analysis is important in diagnosing osteoarthritis (OA). Macroscopic and microscopic features, including total and differential white blood cell (WBC) count, help define the non-inflammatory nature of SF, which is a hallmark of OA. In patients with OA, WBC in SF samples usually does not exceed 2000 cells per microliter, and the percentage of inflammatory cells, such as neutrophils, is very low or absent. Calcium crystals are frequent in SF collected from OA patients. Although their role in the pathogenesis of OA remains unclear, they have been associated with a mild inflammatory process and a more severe disease progression. Recently, calcium crystals have been described in both the early and late stages of OA, indicating that they may play a vital role in diagnosing different clinical subsets of OA and pharmacological treatment. The overall goal of SF analysis in OA is two-fold: to ascertain the non-inflammatory degree of SF and to highlight the presence of calcium crystals.

Synovial fluid analysis under transmitted, polarized, and compensated light microscopy is used to evaluate the inflammatory or non-inflammatory nature of a sample through simple steps. It is particularly useful in osteoarthritis to detect calcium crystals and identify a more severe subset of osteoarthritis.

ניתוח נוזלים סינוביאלי לזיהוי דלקת מפרקים ניוונית

Synovial fluid (SF) analysis is important in diagnosing osteoarthritis (OA). Macroscopic and microscopic features, including total and differential white ...