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要約

本プロトコルは、接触する2つの生物学的対向面に同時に相互摺動および通常の荷重を加える摩擦試験装置を記載する。

要約

原発性変形性関節症(OA)では、加齢に伴う正常な「摩耗と涙」は、軟骨がその耐荷重および潤滑機能を維持する能力を阻害し、有害な物理的環境を助長する。関節軟骨と滑膜の摩擦相互作用は、組織レベルの摩耗および細胞メカノトランスダクションを介して関節の恒常性に影響を与える可能性がある。これらの機械的および機械的プロセスを研究するために、関節の動きを複製することができる装置が記載されている。摩擦試験装置は、2つの接触する生物学的対向面への相互平行移動運動および通常の荷重の送達を制御する。この研究は滑膜軟骨構成を採用し、摩擦係数測定はリン酸緩衝生理食塩水(PBS)または滑液(SF)浴中で実施された試験のために提示される。試験は、高負荷下でのSFの潤滑特性を強調し、接触応力の範囲に対して実施された。この摩擦試験装置は、二節骨関節関節に関連する適用された生理学的負荷に応答して生きている関節組織の物理的調節を研究するための生体模倣バイオリアクターとして使用することができる。

概要

変形性関節症(OA)は、3200万人以上の米国成人が罹患する衰弱性変性関節疾患であり、医療費および社会経済的費用は165億ドルを超えています1。この疾患は、古典的には、関節軟骨および軟骨下骨の分解によって特徴付けられてきた。しかし、滑膜炎がOAの症状および進行に関連しているため、滑膜への変化は最近高く評価されている2,3,4。原発性(特発性)OAでは、加齢に伴う正常な「摩耗と涙」は、軟骨がその耐荷重および潤滑機能を維持する能力を阻害する。関節軟骨層の長時間の摺接またはインプラント材料に対する軟骨の摺接によって生じる応力は、表面下疲労破壊5、6による層間剥離摩耗を促進することが示されている。関節7,8内に動的機械的環境が存在するため、関節軟骨と滑膜の摩擦相互作用は、組織レベルの摩耗および細胞メカノトランスダクションを介して関節の恒常性に影響を与え得る。これらの機械的および機械的プ....

プロトコル

地元の食肉処理場から得られた若年ウシ膝関節を本研究に使用した。このようなウシ標本サンプルを用いた研究は、コロンビア機関動物ケアおよび使用委員会(IACUC)から免除されています。

1. 摩擦試験装置の設計

メモ:摩擦試験装置の概略図を 図1に示します。この装置は、構造支持のためのプラットフォームとして機能する剛性ベースプレート(図示せず)上に構築される。

  1. ステッピングモーターを水平平行移動ステージに取り付け( 材料表を参照)、接触面に相互平行移動運動を提供する2軸摩擦試験装置を作成します。
  2. 平行移動ステージに多軸ロードセルを取り付けます(材料表を参照)。取り付けられたロードセルは、z方向の法線荷重(Fn)とx方向の接線方向荷重(Ft)を測定するために使用されます。
  3. 平行移動ステージにリニアエンコーダ(材料表を参照)を装備して、ステージの水平変位(ux)を記録します。さらに、ローディングステージにリニアエンコーダ(材料表....

結果

滑膜軟骨上の構成を、若年ウシ外植体の摩擦試験に使用した。滑膜は、内膜層が下層の軟骨と接触するように、直径10mmのアクリルローディングプラテンに取り付けられた。軟骨対面として脛骨帯を用いた(図6A)。脛骨ストリップは、約1.4mmの深さおよび10mm x 30mmのサイズで切断された。サンプルを、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)浴またはウシ滑液(SF)浴中で37°Cで1時間試験し?.......

ディスカッション

軟骨が圧縮力、引張力、および剪断力、ならびに静水圧および浸透圧44,45にさらされるため、関節内に動的機械的環境が存在する。軟骨は関節の主な耐荷重組織であるが、滑膜はまた、軟骨表面および組織が折り畳まれる領域におけるそれ自体との摩擦相互作用を受ける。軟骨と滑膜との間の物理的相互作用は、細胞を転移させ、間葉系幹細胞を関.......

開示事項

著者らには開示するものは何もありません。

謝辞

この研究は、整形外科科学研究財団、NIH 5R01 AR068133、NIH TERC 5P41EB027062、およびNIGMS R01 692 GM083925(Funder ID:10.13039/100000057)の支援を受けた。

....

資料

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

参考文献

  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 - artic....

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