Name: an experimental and finite element protocol to investigate the transport of neutral and charged solutes across articular cartilage
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00
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Les auteurs tiennent à exprimer leur gratitude à M. Jeroen van den Berg et M. Matthijs Wassink du groupe mécanique de développement à UMC Utrecht pour leur aide dans le processus d&#39;emballage des bouchons ostéochondrales. Ce travail a été soutenu par une subvention de la Fondation néerlandaise de l&#39;arthrite.

NOTE: Le protocole présenté ici est adopté des procédures expérimentales et de calcul des travaux de recherche récents 6, 8, 9. Le protocole est illustré sur la figure 1. Les matériaux cadavériques ont été recueillies avec la permission de faculté de médecine vétérinaire de l&#39;Université d&#39;Utrecht. 1. Préparation d&#39;...

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	<li>Arkill, K. P., Winlove, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solute+transport+in+the+deep+and+calcified+zones+of+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solute+transport+across+the+articular+surface+of+injured+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Site-specific+effects+of+compression+on+macromolecular+diffusion+in+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Site-Specific+Molecular+Diffusion+in+Articular+Cartilage+Measured+using+Fluorescence+Recovery+after+Photobleaching.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+hydration+and+fixed+charge+density+on+fluid+transport+in+charged+hydrated+soft+tissues.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolated+effects+of+external+bath+osmolality,+solute+concentration,+and+electrical+charge+on+solute+transport+across+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffusion+coefficients+of+articular+cartilage+for+different+CT+and+MRI+contrast+agents.">Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents.</a> Medical Engineering &amp; 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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+of+Neutral+Solute+Across+Articular+Cartilage:+The+Role+of+Zonal+Diffusivities.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiphasic+modeling+of+charged+solute+transport+across+articular+cartilage:+Application+of+multi-zone+finite-bath+model.">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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+artificial+neural+networks+for+robust+estimation+of+the+diffusion+coefficients+across+cartilage.">Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage.</a> , (2016).</li><li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+inverse-forward+artificial+neural+networks+for+fast+and+accurate+estimation+of+the+diffusion+coefficients+of+cartilage+based+on+multi-physics+models.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Basic+Science+of+Articular+Cartilage:+Structure,+Composition,+and+Function.">The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function.</a> Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).</li><li>Ateshian, G., Weiss, J., Holzapfel, G. A., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ch.+17.">Ch. 17.</a> Computer Models in Biomechanics. , 231-249 (2013).</li><li>Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiphasic+Finite+Element+Framework+for+Modeling+Hydrated+Mixtures+With+Multiple+Neutral+and+Charged+Solutes.">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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transport+of+neutral+solute+across+articular+cartilage+and+subchondral+plate.">Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate.</a> , (2016).</li><li>Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+multiphysics+models+to+efficient+design+of+experiments+of+solute+transport+across+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+importance+of+superficial+collagen+fibrils+for+the+function+of+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osteoarthritic+changes+in+the+biphasic+mechanical+properties+of+the+chondrocyte+pericellular+matrix+in+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osteoarthritis:+new+insights.+Part+1:+the+disease+and+its+risk+factors.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+mechanical+injury+of+articular+cartilage+using+contrast+enhanced+computed+tomography.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffusion-tensor+imaging+of+human+articular+cartilage+specimens+with+early+signs+of+cartilage+damage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aggrecan+Nanoscale+Solid-Fluid+Interactions+Are+a+Primary+Determinant+of+Cartilage+Dynamic+Mechanical+Properties.">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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+of+cartilage+properties+using+indentation+tests,+finite+element+models,+and+artificial+neural+networks.">Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks.</a> , (2014).</li><li>Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+mechanical+and+physical+properties+of+cartilage+by+coupling+poroelastic-based+finite+element+models+of+indentation+with+artificial+neural+networks.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computed+tomography+detects+changes+in+contrast+agent+diffusion+after+collagen+cross-linking+typical+to+natural+aging+of+articular+cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adsorption+and+Distribution+of+Fluorescent+Solutes+near+the+Articular+Surface+of+Mechanically+Injured+Cartilage.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bath+Concentration+of+Anionic+Contrast+Agents+Does+Not+Affect+Their+Diffusion+and+Distribution+in+Articular+cartilage+In+Vitro.">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., T&#246;yr&#228;s, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=pQCT+study+on+diffusion+and+equilibrium+distribution+of+iodinated+anionic+contrast+agent+in+human+articular+cartilage+-+associations+to+matrix+composition+and+integrity.">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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contrast+agent's+transport+across+healthy+articular+cartilage+under+various+bath+conditions.">Contrast agent's transport across healthy articular cartilage under various bath conditions.</a> , (2015).</li><li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+a+biphasic-solute+model+in+predicting+diffusive+properties+of+osteochondral+interface.">Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface.</a> , (2016).</li></ol>

Nous avons présenté un protocole expérimental associé à une procédure de modélisation par éléments finis pour étudier la diffusion de solutés neutres et chargés à travers le cartilage articulaire. Selon nos études récentes, les modèles proposés pourraient décrire avec précision le transport des deux solutés neutres (biphasé-soluté) et chargés négativement (multiphasique) dans les différentes zones du cartilage articulaire 8, 9. Il est la...

<html> Le transport moléculaire joue un rôle essentiel dans l&#39;homéostasie des joints d&#39; articulation, la livraison d&#39;agents thérapeutiques pour le cartilage articulaire et de l&#39; imagerie du cartilage contraste amélioré 1, 2, 3. Des facteurs tels que l&#39; intégration du cartilage et intact, la charge du soluté et la taille ainsi que l&#39; osmolalité et la concentration du bain en contact avec le cartilage peut influencer le taux de transport 4, 5, 6. Le transport de solutés, soit neutres ou chargés, peut être différente entre les zones de cartilage articulaire, parce que chaque zone est constituée de différentes concentrations et les orientations de grandes molécules de la matrice extracellulaire, à savoir les protéoglycanes (PG) et le collagène de type II 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Plus important encore , le transport des solutés charge peut être fortement dépendante de la concentration de protéoglycanes comportant des charges négatives fixes au sein de la matrice extracellulaire qui augmente à travers le cartilage articulaire 8, 9. Ces paramètres particulièrement la densité de charge fixe (FCD), l&#39;orientation des fibrilles de collagène et de la variation de la teneur en eau dans le cartilage peuvent subir des altérations de l&#39;arthrose (OA) progresse, signifiant ainsi l&#39;importance d&#39;étudier la diffusion à travers le cartilage. Dans la présente étude, un protocole basé sur une enquête préalable des études expérimentales et informatiques établis 6, 8, 9 est proposé de précision diffusion dans différentes conditions aux limites en utilisant des solutés neutres et chargés dans un modèle bain fini de diffusion. Til a proposé des procédés de formation d&#39;image sont composées de micro-tomographie par ordinateur (micro-CT) d&#39;un système comprenant le cartilage et un bain-fini supporté par biphasique-soluté avancée et multiphasiques modèles d&#39;éléments finis. Ces modèles permettent d&#39;obtenir les coefficients de diffusion des molécules neutres et chargées, ainsi que dans diverses zones FCD du cartilage articulaire. L&#39;utilisation de ces modèles, on peut acquérir une meilleure compréhension du comportement des molécules diffusantes neutres et chargées qui pourraient être utilisés pour étudier les interactions entre le cartilage et superposant bain fini.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="688">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Hexabrix</td>
			<td style="width:149px;">Guerbet</td>
			<td style="width:123px;">15HX005D</td>
			<td style="width:201px;">Negatively charged contrast agent</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Visipaque</td>
			<td style="width:149px;">GE healthcare</td>
			<td align="right" style="width:123px;">12570511</td>
			<td>Nuetral contrast agent</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PBS</td>
			<td style="width:149px;">Life technologies</td>
			<td align="right" style="width:123px;">10010023</td>
			<td>Medium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">micro-CT</td>
			<td style="width:149px;">Perkin Elmer</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Monitoring diffusion</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Freezing-point osmometer</td>
			<td style="width:149px;">Advanced instruments</td>
			<td style="width:123px;"></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> L&#39;arthrose (OA) est une maladie débilitante qui est associée à la dégénérescence du cartilage articulaire et de l&#39;os sous-chondral. La dégénérescence du cartilage articulaire altère sa fonction de support de charge sensiblement comme il subit une dégradation chimique considérable, à savoir la perte et la perturbation de fibrilles de collagène protéoglycane. Un bon moyen d&#39;enquêter sur les mécanismes d&#39;endommagement chimique au cours de l&#39;arthrose est d&#39;exposer les échantillons de cartilage à un soluté externe et contrôler la diffusion des molécules. Le degré de dégradation du cartilage ( à savoir la concentration et la configuration des macromolécules essentielles) est associée à la perte d&#39;énergie de collision de solutés externes tout en se déplaçant à travers le cartilage articulaire crée différentes caractéristiques de diffusion par rapport à un cartilage sain. Dans cette étude, nous présentons un protocole, qui se compose de plusieurs étapes et est basée sur les micro-C expérimental développé précédemment14px; &quot;&gt; omputed T omography (micro-CT) et la modélisation par éléments finis Le transport des molécules iodées chargées et non chargées est d&#39; abord enregistrée à l&#39; aide de micro-CT, qui est suivie par l&#39; application de modèles d&#39;éléments biphasique-soluté et multiphasiques finis pour obtenir des coefficients de diffusion. et des densités de charge fixe à travers des zones de cartilage.

Les résultats représentatifs fournis ici sont adoptés de documents de recherche précédents 6, 8, 9, 16. Dans l&#39; arthrose, le cartilage articulaire subit des changements importants surtout la perte GAG, et les dommages fibrillaire de collagène 17, <sup clas...

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

Nous vous proposons un protocole d&#39;enquêter sur le transport des molécules chargées et non chargées dans le cartilage articulaire à l&#39;aide de méthodes expérimentales et numériques récemment mis au point.

Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Patterned Photostimulation with Digital Micromirror Devices to Investigate Dendritic Integration Across Branch Points

Photostimulation motifs avec les périphériques numériques Micromirror chargé d&#39;enquêter sur l&#39;intégration à travers des points dendritiques Direction

Light is a versatile and precise means to control neuronal excitability. The recent introduction of light sensitive effectors such as channel-rhodopsin ...

Recherche

Bio-ingénierie

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