Name: biotribological testing and analysis of articular cartilage sliding against metal for implants
Uploaded: 2020-05-14T15:00:00
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Diese Forschung wurde von NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. gefördert. und die Landesregierung Niederösterreichs durch die Life Science Calls (Projekt-ID: LSC15-019) und das österreichische COMET-Programm (Projekt K2 XTribology, Grant-Nr. 849109).

1. Herstellung von Metallzylindern
<ol><li>Analysieren Sie zylindrische Kobalt-Chrom-Molybdän-Stäbe (CoCrMo), die die Standardspezifikationen für chirurgische Implantate für ihre chemische Zusammensetzung erfüllen, indem Sie die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie pro Herstellerprotokoll zur Bestätigung der bereitgestellten Werte verwenden. HINWEIS: Die elementare Zusammensetzung der CoCrMo-Legierung, die für dieses Experiment verwendet wird, beträgt 65% Co, 28% Cr,...

<ol>
	<li>Zengerink, M., Struijs, P. A. A. A., Tol, J. L., van Dijk, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Treatment+of+osteochondral+lesions+of+the+talus:+a+systematic+review.">Treatment of osteochondral lesions of the talus: a systematic review.</a> Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 18 (2), 238-246 (2009).</li><li>Aurich, 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=Behandlung+osteochondraler+L&#228;sionen+des+Sprunggelenks:+Empfehlungen+der+Arbeitsgemeinschaft+Klinische+Geweberegeneration+der+DGOU.">Behandlung osteochondraler L&#228;sionen des Sprunggelenks: Empfehlungen der Arbeitsgemeinschaft Klinische Geweberegeneration der DGOU.</a> Zeitschrift fur Orthopadie und Unfallchirurgie. 155 (1), 92-99 (2017).</li><li>Van Bergen, C. J. A., Zengerink, M., Blankevoort, L., Van Sterkenburg, M. N., Van Oldenrijk, J., Van Dijk, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+metallic+implantation+technique+for+osteochondral+defects+of+the+medial+talar+dome.">Novel metallic implantation technique for osteochondral defects of the medial talar dome.</a> Acta Orthopaedica. 81 (4), 495-502 (2010).</li><li>Sweet, S. J., Takara, T., Ho, L., Tibone, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Primary+Partial+Humeral+Head+Resurfacing.">Primary Partial Humeral Head Resurfacing.</a> The American Journal of Sports Medicine. 43 (3), 579-587 (2015).</li><li>Becher, C., 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=Minimum+5-year+results+of+focal+articular+prosthetic+resurfacing+for+the+treatment+of+full-thickness+articular+cartilage+defects+in+the+knee.">Minimum 5-year results of focal articular prosthetic resurfacing for the treatment of full-thickness articular cartilage defects in the knee.</a> Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 131 (8), 1135-1143 (2011).</li><li>Lea, M. A., Barkatali, B., Porter, M. L., Board, T. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osteochondral+Lesion+of+the+Hip+Treated+with+Partial+Femoral+Head+Resurfacing.+Case+Report+and+Six-Year+Follow-up.">Osteochondral Lesion of the Hip Treated with Partial Femoral Head Resurfacing. Case Report and Six-Year Follow-up.</a> HIP International. 24 (4), 417-420 (2018).</li><li>Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Paessler, H. H., Skrbensky, G. <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+a+contoured+articular+prosthetic+device+on+tibiofemoral+peak+contact+pressure:+a+biomechanical+study.">Effects of a contoured articular prosthetic device on tibiofemoral peak contact pressure: a biomechanical study.</a> Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 16 (1), 56-63 (2007).</li><li>Malahias, M. -. A., Chytas, D., Thorey, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+clinical+outcome+of+the+different+HemiCAP+and+UniCAP+knee+implants:+A+systematic+and+comprehensive+review.">The clinical outcome of the different HemiCAP and UniCAP knee implants: A systematic and comprehensive review.</a> Orthopedic Reviews. 10 (2), (2018).</li><li>Dhollander, A. 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=The+use+of+a+prosthetic+inlay+resurfacing+as+a+salvage+procedure+for+a+failed+cartilage+repair.">The use of a prosthetic inlay resurfacing as a salvage procedure for a failed cartilage repair.</a> Knee Surgery, Sports Traumatology. 23 (8), 2208-2212 (2014).</li><li>Van Bergen, C. J. A. A., van Eekeren, I. C. M. M., Reilingh, M. L., Sierevelt, I. N., van Dijk, C. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Treatment+of+osteochondral+defects+of+the+talus+with+a+metal+resurfacing+inlay+implant+after+failed+previous+surgery.">Treatment of osteochondral defects of the talus with a metal resurfacing inlay implant after failed previous surgery.</a> Bone and Joint Journal. 95 (12), 1650-1655 (2013).</li><li>Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Hwang, K. -. T. T., Choi, I. -. Y. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+cartilage+degeneration+and+joint+motion+of+bipolar+hemiarthroplasty.">The cartilage degeneration and joint motion of bipolar hemiarthroplasty.</a> International Orthopaedics. 36 (10), 2015-2020 (2012).</li><li>Moon, K. 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=Degeneration+of+Acetabular+Articular+Cartilage+to+Bipolar+Hemiarthroplasty.">Degeneration of Acetabular Articular Cartilage to Bipolar Hemiarthroplasty.</a> Yonsei Medical Journal. 49 (5), 716-719 (2008).</li><li>Wimmer, M. A., Pacione, C., Laurent, M. P., Chubinskaya, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+wear+testing+of+living+cartilage+articulating+against+alumina.">In vitro wear testing of living cartilage articulating against alumina.</a> Journal of Orthopaedic Research. , (2016).</li><li>Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simple+geometry+tribological+study+of+osteochondral+graft+implantation+in+the+knee.">Simple geometry tribological study of osteochondral graft implantation in the knee.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 232 (3), 249-256 (2018).</li><li>Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+preclinical+natural+porcine+knee+simulation+model+for+the+tribological+assessment+of+osteochondral+grafts+in+vitro.">Development of a preclinical natural porcine knee simulation model for the tribological assessment of osteochondral grafts in vitro.</a> Journal of Biomechanics. 77, 91-98 (2018).</li><li>Trevino, R. L., 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=Establishing+a+live+cartilage-on-cartilage+interface+for+tribological+testing.">Establishing a live cartilage-on-cartilage interface for tribological testing.</a> Biotribology. 9, 1-11 (2017).</li><li>Oungoulian, S. R., 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=Wear+and+damage+of+articular+cartilage+with+friction+against+orthopedic+implant+materials.">Wear and damage of articular cartilage with friction against orthopedic implant materials.</a> Journal of Biomechanics. 48 (10), 1957-1964 (2015).</li><li>Stotter, C., 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=Effects+of+Loading+Conditions+on+Articular+Cartilage+in+a+Metal-on-Cartilage+Pairing.">Effects of Loading Conditions on Articular Cartilage in a Metal-on-Cartilage Pairing.</a> Journal of Orthopaedic Research. 37 (12), 2531-2539 (2019).</li><li>Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Tibesku, C. O., von Skrbensky, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tibiofemoral+contact+mechanics+with+a+femoral+resurfacing+prosthesis+and+a+non-functional+meniscus.">Tibiofemoral contact mechanics with a femoral resurfacing prosthesis and a non-functional meniscus.</a> Clinical biomechanics. 24 (8), 648-654 (2009).</li><li>Temple, D. K., Cederlund, A. A., Lawless, B. M., Aspden, R. M., Espino, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+properties+of+human+and+bovine+articular+cartilage:+a+comparison+of+frequency-dependent+trends.">Viscoelastic properties of human and bovine articular cartilage: a comparison of frequency-dependent trends.</a> BMC Musculoskeletal Disorders. , 1-8 (2016).</li><li>Caligaris, M., Ateshian, G. A. <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+sustained+interstitial+fluid+pressurization+under+migrating+contact+area,+and+boundary+lubrication+by+synovial+fluid,+on+cartilage+friction.">Effects of sustained interstitial fluid pressurization under migrating contact area, and boundary lubrication by synovial fluid, on cartilage friction.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 16 (10), 1220-1227 (2008).</li><li>Burris, D. L., Ramsey, L., Graham, B. T., Price, C., Moore, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+Sliding+and+Hydrodynamics+Contribute+to+Articular+Cartilage+Fluid+and+Lubrication+Recovery.">How Sliding and Hydrodynamics Contribute to Articular Cartilage Fluid and Lubrication Recovery.</a> Tribology Letters. 67 (2), 1-10 (2019).</li><li>Mamat, N., Nor, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+measurement+of+contact+pressure+in+the+tibiofemoral+joint+during+gait.">Numerical measurement of contact pressure in the tibiofemoral joint during gait.</a> International Conference on Biomedical Engineering (ICoBE). , 27-28 (2012).</li><li>Manda, K., Ryd, L., Eriksson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+element+simulations+of+a+focal+knee+resurfacing+implant+applied+to+localized+cartilage+defects+in+a+sheep+model.">Finite element simulations of a focal knee resurfacing implant applied to localized cartilage defects in a sheep model.</a> Journal of Biomechanics. 44 (5), 794-801 (2011).</li></ol>

Fokale metallische Implantate stellen ein Bergungsverfahren für Osteochonderdefekte dar, insbesondere bei Patienten mittleren Alters und nach fehlgeschlagener Primärbehandlung. Obwohl klinische Studien vielversprechende kurzfristige Ergebnisse zeigten, ist eine beobachtete Komplikation eine Schädigung des gegnerischen, nativen Knorpels10. Kadaver und biomechanische Studien zeigen eindeutige Beweise dafür, dass eine richtige Implantation mit flacher oder leicht versenkter Positionierung den nat...

Die Behandlung von Osteochonderdefekten ist anspruchsvoll und erfordert in vielen Fällen eine Operation. Bei fokalen osteochondralen Läsionen bei Patienten mittleren Alters sind fokale metallische Implantate eine praktikable Option, insbesondere nach dem Scheitern der Primärbehandlung, wie Knochenmarkstimulation (BMS) oder autologe Chondrozytenimplantation (ACI)1. Teilweiser Oberflächenersatz kann als Bergungsverfahren betrachtet werden, die Schmerzen reduzieren und den Bewegungsbereich verbessern können2. Diese Implantate bestehen in der Regel aus einer CoCrMo-Legierung und sind in verschiedenen Größen und Offset-Konfigurationen erhältlich, um der normalen Anatomie3zu entsprechen. Während ursprünglich für Defekte an der medialen Femoralkondyle im Knie entwickelt, sind solche Implantate jetzt verfügbar und im Einsatz für die Hüfte, Knöchel, Schulter, und Ellenbogen4,5,6. Für ein zufriedenstellendes Ergebnis ist es entscheidend, die mechanische Gelenkausrichtung und den Zustand des gegnerischen Knorpels zu beurteilen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine korrekte Implantation ohne Vorsprünge des Implantats grundlegend ist7.
Klinische Studien zeigten hervorragende kurzfristige Ergebnisse in Bezug auf Schmerzlinderung und Verbesserung der Funktion bei Patienten mittleren Alters für verschiedene Standorte5,6,8. Im Vergleich zur Allograft-Implantation ermöglichen fokale Metallimplantate ein frühes Gewicht. Der gegnerische Gelenkknorpel zeigte jedoch bei einer beträchtlichen Anzahl von Patienten einen beschleunigten Verschleiß9,10. Daher scheint selbst bei ordnungsgemäßer Platzierung eine Degeneration des einheimischen Knorpels in vielen Fällen unvermeidlich, während die zugrunde liegenden Mechanismen unklar bleiben. Ähnliche degenerative Veränderungen wurden nach der bipolaren Hemiarthroplastik der Hüfte11 beobachtet und werden mit Aktivität und Belastung12erhöht.
Tribologische Experimente bieten die Möglichkeit, solche Paarungen in vitro zu untersuchen und verschiedene Belastungssituationen zu simulieren, die unter physiologischen Bedingungen auftreten13. Die Verwendung von Osteochondralstiften bietet ein einfaches Geometriemodell zur Untersuchung der Tribologie des Gelenkknorpelgleitens gegen nativen Knorpel oder jedes Implantatmaterial14 und könnte weiter in ganzen Gelenksimulationsmodellen15verwendet werden. Metall-auf-Knorpel-Paarungen zeigen beschleunigten Knorpelverschleiß, extrazelluläre Matrixstörungen und verminderte Zelllebensfähigkeit in der oberflächlichen Zone im Vergleich zu einer Knorpel-auf-Knorpel-Paarung16. Schäden am Knorpel traten hauptsächlich in Form von Delamination zwischen der oberflächlichen und mittleren Zone17auf. Die Mechanismen, die zu knorpeldegenerationleiten, sind jedoch nicht vollständig verstanden. Dieses Protokoll bietet eine umfassende Analyse der biosynthetischen Aktivität des Gelenkknorpels. Durch die Bestimmung der metabolischen Aktivität und der Genexpressionsniveaus kataboler Gene könnten frühe Hinweise auf einen Knorpelabbau identifiziert werden. Der Vorteil von in vitro tribologischen Experimenten besteht darin, dass Die Belastungsparameter an verschiedene Belastungsbedingungen angepasst werden können.
Daher eignet sich das folgende Protokoll zur Simulation einer Metall-auf-Knorpel-Paarung, die ein experimentelles Hemiarthroplastikmodell darstellt.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:773px;" width="772">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:297px;">Amphotericin B</td>
			<td style="width:191px;">Sigma&#8208;Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td style="width:119px;">A-2942-100ML</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">buffered formaldehyde solution 4%</td>
			<td style="width:191px;">VWR</td>
			<td style="width:119px;">97131000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Cell Proliferation Kit II (XTT)</td>
			<td>Roche Diagnostics</td>
			<td style="width:119px;">11465015001</td>
			<td>XTT-based ex vivo toxicology assay</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:297px;">CoCrMo raw material</td>
			<td style="width:191px;">Acnis International</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>CoCrMo rods 6mm in diameter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">CryoStar NX70 Cryostat</td>
			<td>Thermo Fischer Scientific</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>cryosectioning device</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">dimethyl sulfoxide (DMSO)</td>
			<td style="width:191px;">Sidma-Aldrich Chemie</td>
			<td style="width:119px;">D 2438-10ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Dulbecco&#8217;s modified Eagle&#8217;s medium</td>
			<td style="width:191px;">Sigma&#8208;Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>medium</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">fetal bovine serum</td>
			<td style="width:191px;">Gibco</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:297px;">Hyaluronic acid</td>
			<td style="width:191px;">Anika Therapeutics Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>component of lubricating solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">iCycler</td>
			<td>BioRad</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>thermal cycler</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Leica microscope DM&#8208;1000</td>
			<td>Leica</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>microscope for histology</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LightCycler 480 Sealing Foil</td>
			<td style="width:191px;">Roche Diagnostics</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LightCycler 96</td>
			<td>Roche Diagnostics</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>thermal cycler for PCR</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">MagNA Lyser Green Beads</td>
			<td>Roche Diagnostics</td>
			<td style="width:119px;">3358941001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Osteochondral Autograft Transfer System (OATS)</td>
			<td style="width:191px;">Arthrex Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>cutting tube for harvesting osteochondral cylinders</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">osteosoft</td>
			<td style="width:191px;">Merck</td>
			<td style="width:119px;">1017279010</td>
			<td>decalcifier-solution</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Penicillin /Streptomycin</td>
			<td style="width:191px;">Sigma&#8208;Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td style="width:119px;">P4333-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:297px;">phosphate&#8208;buffered saline</td>
			<td style="width:191px;">Sigma&#8208;Aldrich Chemie GmbH</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>PBS</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:297px;">Prescale Low Pressure</td>
			<td style="width:191px;">Fujifilm</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>pressure indicating film</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">RNeasy Fibrous Tissue Kit</td>
			<td style="width:191px;">QIAGEN</td>
			<td style="width:119px;">74404</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Synergy 2</td>
			<td>BioTek Instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>plate reader</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:297px;">Tetra&#8208;Falex MUST</td>
			<td style="width:191px;">Falex Tribology</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Tribometer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tissue&#8208; Tek O.C.T.</td>
			<td style="width:191px;">SAKURA</td>
			<td style="width:119px;">4583</td>
			<td>embedding formulation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit</td>
			<td>Roche Diagnostics</td>
			<td style="width:119px;">40897030001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">&#946;-mercaptoethanol</td>
			<td style="width:191px;">Sidma-Aldrich Chemie</td>
			<td style="width:119px;">M3148</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

biotribological testing and analysis of articular cartilage sliding against metal for implants

Osteochondrale Defekte bei Patienten mittleren Alters könnten mit fokalen metallischen Implantaten behandelt werden. Zunächst für Defekte im Kniegelenk entwickelt, sind nun Implantate für Schulter, Hüfte, Knöchel und das erste metatarsalphalangeal Gelenk erhältlich. Bei der Schmerzlinderung und klinischen Verbesserung werden bei vielen Patienten progressive degenerative Veränderungen des gegnerischen Knorpels beobachtet. Die Mechanismen, die zu diesem Schaden führen, sind nicht vollständig verstanden. Dieses Protokoll beschreibt ein tribologisches Experiment zur Simulation einer Metall-auf-Knorpel-Paarung und einer umfassenden Analyse des Gelenkknorpels. Metallimplantatmaterial wird an Rinderosteochondralzylindern als Modell für den menschlichen Gelenkknorpel getestet. Durch die Anwendung unterschiedlicher Lasten und Gleitgeschwindigkeiten können physiologische Belastungsbedingungen nachgeaht werden. Um eine umfassende Analyse der Auswirkungen auf den Gelenkknorpel, Histologie, metabolische Aktivität und Genexpressionsanalyse zu ermöglichen, werden in diesem Protokoll beschrieben. Der Hauptvorteil der tribologischen Tests besteht darin, dass die Belastungsparameter frei eingestellt werden können, um in vivo-Bedingungen zu simulieren. Darüber hinaus können verschiedene Testlösungen verwendet werden, um den Einfluss von Schmier- oder Entzündungsmitteln zu untersuchen. Durch die Verwendung von Genexpressionsanalysen für Knorpel-spezifische Gene und katabole Gene könnten frühe Veränderungen im Stoffwechsel von Gelenkchdrozyten als Reaktion auf mechanische Belastung nachgewiesen werden.

Die Kontaktfläche und der Kontaktdruck müssen mit einem Druckmessfilm bestätigt werden (Abbildung 1). Physiologische Belastungsbedingungen können durch Vergleich mit Referenzaufdrucken für definierte Kontaktdrücke bestätigt werden. Während der Prüfung wird der Reibungskoeffizient ständig überwacht. Bei einer wandernden Kontaktfläche kann ein niedriger Reibungskoeffizient für mindestens 1 h aufrechterhalten werden (Abbildung 2). Mit Safranin O Färbu...

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

Dieses Protokoll beschreibt die Vorbereitung, biotribologische Prüfung und Analyse von Osteochonderzylindern, die gegen Metallimplantatmaterial gleiten. Ergebnismaßnahmen, die in diesem Protokoll enthalten sind metabolische Aktivität, Genexpression und Histologie.

Biotribologische Prüfung und Analyse von Gelenkknorpel gleiten gegen Metall für Implantate

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

Unser Protokoll ermöglicht es, das Gleiten von Metall für orthopädische Implantate gegen Gelenkknorpel zu testen und damit die Auswirkungen von fokalen Implantaten oder Hemiarthroplastik auf die biosynthetische Aktivität bestimmter Chondrazyten zu untersuchen, der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie einen umfassenden Einblick sowohl in die tribologischen Eigenschaften als auch in die biologischen Wirkungen der mechanischen Belastung in der Knorpelpaarung bietet. Diese Technik könnte die klinischen Befunde nach chirurgischen Eingriffen wie der Implantation eines fokalen metallischen Implantats zur Behandlung eines Osteochonderdefekts des Knies oder einer Hemiarthroplastik der Hüfte ergänzen. Demonstriert wird das Verfahren von Christopher Bauer, einem Postdoc aus meinem Labor hier an der Donau-Universität.Verwenden Sie ein handelsübliches Hubkolben-Tribometer mit Zylinder auf Plattenkonfiguration, vertikalen Lademöglichkeiten und einstellbarer Last- und Gleitgeschwindigkeit. Zusätzlich ist eine flüssige Zelle erforderlich, um die Tests in einer Schmierlösung durchzuführen. Fixieren Sie die Osteochonderzylinder am unteren Probenhalter mit der Markierung, die an der Gleitrichtung ausgerichtet ist.Beginnen Sie mit der Bestimmung des Kontaktdrucks im Kobaltchrommolybdän auf knorpelsystem mit einem Druckmessfilm. Platzieren Sie den Druckmessfilm an der Schnittstelle, und wenden Sie eine statische Last für 30 Sekunden an, um den Anfangskontaktdruck, die Kontaktgröße und die Form zu bestimmen. Montieren Sie die Kobaltchrom-Molybdänzylinder auf die obere Wägezelle.Fügen Sie die Testlösung in die flüssige Zelle ein, um den Osteochondralzylinder zu untertauchen und die Metallknorpelschiebeschnittstelle abzudecken. Legen Sie Prüfparameter fest, wie sie in normaler Krafthub- und Gleitgeschwindigkeit beschrieben sind und während des gesamten Tests beibehalten werden. Starten Sie das wechselseitige Schieben des Metallzylinders gegen den Gelenkknorpel, der in die Schmierlösung eingetaucht ist.Überwachung des Reibungskoeffizienten während des gesamten Experiments, beenden Sie das Experiment. Nach der Wunschtestphase den Osteochondralstecker aus dem Probenhalter entfernen, mit PBS abspülen und bis zu einer weiteren biologischen Analyse im Medium aufbewahren. Halten Sie Die Kontrollproben und die Prüflösung für die Dauer der Prüfung bei Raumtemperatur und analysieren Sie sie zusammen mit den Proben, die mechanisch belastet wurden.Platzieren Sie eine 24-Well-Platte auf einer Skala und null. Spülen Sie den Osteochondralstecker mit PBS und legen Sie ihn in eine Petrischale. Dann verwenden Sie ein Skalpell, um den Knorpel aus dem Transplantat in einem Stück zu schneiden, den Knorpel in zwei gleiche Stücke zu schneiden, so dass die Kontaktfläche gleichmäßig auf beide Knorpelstücke verteilt ist und eine Hälfte in etwa einen Millimeter gewürfelte Stücke zerkleinern.Verwenden Sie die zweite Hälfte für die Genexpressionsanalyse übertragen Sie den gehackten Knorpel in einen Brunnen der vorbereiteten bei 24 Well Platte und bestimmen Sie das Gewebegewicht wiederholen Sie diesen Prozess für jede Probe und fügen Sie einen Milliliter Wachstumsmedium zu jedem Brunnen der Platte. Fügen Sie 500 Mikroliter XTT-Lösung zu jedem Brunnen und mischen Sie dann inkubieren Sie die Platte bei 37 Grad Celsius und 5% Kohlendioxid für vier Stunden nach der Inkubation entfernen Sie den Überstand und übertragen Sie es auf eine Fünf-Milliliter-Röhre. Extrahieren Sie das Tetrazolium-Produkt, indem Sie dem Knorpelgewebe in jedem Brunnen 500 Mikroliter DMSO hinzufügen und eine Stunde lang bei Raumtemperatur eine Stunde lang kontinuierlich rühren, die DMSO-Lösung entfernen und mit der zuvor gesammelten XTT-Lösung ziehen.100 Mikroliter jeder Probe in Dreigezupfe auf eine 96-Well-Platte übertragen. Verwenden Sie einen Plattenleser, um die Absorption bei einer Wellenlänge von 492 Nanometern und einer Referenzwellenlänge von 690 Nanometern zu messen. Um das RNA-Hacken zu isolieren, wird die zweite Hälfte des Knorpelgewebes, das aus dem Osteochonder-Stecker in kleine Stücke gelangt, in eine Röhre mit Keramikperlen und 300 Mikroliter lizenzierten Puffers übertragen.Mit 1%beta Mercaptoethanol verwenden Sie ein kommerzielles Lysat, um das Gewebe, das 6, 500 RPM für 20 Sekunden viermal mit einer 20-minütigen Kühlphase nach jedem Lauf auftragen, zu homogenisieren. Fügen Sie 20 Mikroliter Proteinase K und 580 Mikroliter RNAs freies Wasser zu jeder Probe hinzu und inkubieren Sie sie bei 55 Grad Celsius für 30 Minuten. Zentrifugieren Sie die Proben drei Minuten lang bei 10.000 mal G und übertragen Sie den Überstand auf 1,5 Milliliter-Röhren.Fügen Sie 0,5 Volumen von 90% Ethanol in jedes Rohr und mischen Sie dann 700 Mikroliter der Probe in eine RNA-Bindungssäule in einem Zwei-Milliliter-Sammelrohr und zentrifugieren Sie es bei 8 000 mal G für 15 Sekunden. Entsorgen Sie den Durchfluss und wiederholen Sie den Zentrifigationsschritt für den Rest des Lysats. Fügen Sie der Spalte einen Puffer RW mit 350 Mikrolitern hinzu.Zentrifugieren Sie es 15 Sekunden lang bei 8.000 mal G und entsorgen Sie den Durchfluss. Mischen Sie 10 Mikroliter DNA-Lagerlösung und 70 Mikroliter Puffer-RDD. Fügen Sie die Lösung der RNA-Reinigungsmembran hinzu und inkubieren Sie sie 15 Minuten lang bei Raumtemperatur und fügen Sie dann 350 Mikroliter Puffer RW eins zur Säule hinzu.Zentrifugieren Sie es 15 Sekunden lang bei 8.000 mal G und entsorgen Sie den Durchfluss 500 Mikroliter Puffer-RPE in die RNA-Reinigungskolonne und zentrifugieren Sie ihn bei 8, 000 mal G für 15 Sekunden entsorgen Sie den Durchfluss und fügen Sie weitere 500 Mikroliter Puffer RPE in die RNA-Reinigungskolonne dann Zentrifugieren Sie sie bei 8 000 mal G für zwei Minuten, legen Sie die Säule in ein neues 1,5-Milliliter-Sammelrohr und fügen Sie 30 Mikroliter RNAs freie Wasserzentrifuge das Rohr bei 8.000 mal G für eine Minute, um die RNA synthetisierte cDNA mit einem kommerziellen Kit Tauwetter und mischen alle Regionen, fügen Sie die RNA-Probe und führen die Reaktion und den thermischen Cycler, wie in der Texthandschrift beschrieben. Fügen Sie neun Mikroliter RTQ PCR Master-Mix, und ein Mikroliter cDNA zu jedem Brunnen einer 96 Brunnenplatte mit jeder Probe in Dreisrichtungen leuchtet die PCR-Platte mit Deckenöl und Zentrifuge es bei 877 mal G für 10 Minuten bei vier Grad Celsius führen RTQ PCR und eine Präzision und thermische Cycler. Nach Manuskriptanweisungen.Vor der Prüfung müssen die Kontaktfläche und der Kontaktdruck an der Metallknorpelschnittstelle mit einem Druckmessfilm bestätigt werden. Physiologischer Belastungszustand kann dann durch Vergleich des erhaltenen Aufdrucks mit Referenzrückschluss für definierten Kontakt bestätigt werden Ein niedriger Reibungskoeffizient kann mindestens eine Stunde lang mit einer wandernden Kontaktfläche aufrechterhalten werden. Die extrazelluläre Matrixzusammensetzung und -struktur kann mit Safran- und O-Färbung bestimmt werden.Die Intensität der Safran- und O-Färbung ist proportional zum Proteoglykangehalt. Der Proteoglykangehalt variiert über die Gelenkoberfläche, sollte aber im gesamten Gewebeabschnitt in Basisproben einheitlich sein, die Extraktion von Glykosaminoglykanen zeigen, die durch mechanische Belastung entgegengewirkt werden können. Die metabolische Aktivität der Rindergelenkchondrazyten ist unabhängig vom Ernteplatz, zeigt aber eine Zunahme mit mechanischer Belastung.Die Genexpressionsniveaus von Knorpelspezifischen Genen nahmen mit physiologischen Belastungsbedingungen zu. Während katabole Gene mit stationärem Kontaktbereich hochreguliert werden. Im Anschluss an dieses Verfahren können zusätzliche Analysen durchgeführt werden, einschließlich der Bestimmung von Knorpelbahnprodukten und der Analyse der Gelenkoberfläche mittels Rasterelektronenmikroskopie, und darüber hinaus versuchen wir, die Schmierung des Gelenkknorpels in verschiedenen tribologischen Paarungen zu optimieren.

Research

JoVE Journal

Medicine

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Medizin

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