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Bio-ingénierie

Um dispositivo de teste de atrito-bioreator para estudo de biomecânica articular sinovial, mecanobiologia e regulação física

Published: June 02, 2022
doi:
10.3791/63880
, , , , , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Columbia University, 2Department of Mechanical Engineering,Columbia University, 3Department of Orthopedic Surgery,Columbia University

Summary

O presente protocolo descreve um dispositivo de teste de atrito que aplica deslizamento recíproco simultâneo e carga normal a dois contrafacetos biológicos de contato.

Abstract

Na osteoartrite primária (OA), o “desgaste” normal associado ao envelhecimento inibe a capacidade da cartilagem de sustentar suas funções de carga e lubrificação, promovendo um ambiente físico deletério. As interações de atrito da cartilagem articular e do sinodio podem influenciar a homeostase articular através do desgaste do nível do tecido e da mecanotransdução celular. Para estudar esses processos mecânicos e mecanobiológicos, descreve-se um dispositivo capaz de replicar o movimento da articulação. O dispositivo de teste de atrito controla a entrega de movimento de tradução recíproca e carga normal para dois contrafaceto biológicos de contato. Este estudo adota uma configuração sinovial-sobre-cartilagem, e as medidas do coeficiente de atrito são apresentadas para testes realizados em um banho de soro fisiológico tamponado (PBS) ou fluido sinovial (SF). O teste foi realizado para uma série de tensões de contato, destacando as propriedades lubrificantes de SF sob altas cargas. Este dispositivo de teste de atrito pode ser usado como um biorreator biomimético para estudar a regulação física dos tecidos articulares vivos em resposta ao carregamento fisiológico aplicado associado à articulação articular diarthrodial.

Introduction

A osteoartrite (OA) é uma doença articular degenerativa debilitante que afeta mais de 32 milhões de adultos americanos, com um custo de saúde e socioeconômico de mais de US$ 16,5 bilhões1. A doença tem sido classicamente caracterizada pela degradação da cartilagem articular e do osso subcondral; no entanto, as mudanças no sinovium recentemente ganharam apreciação, pois a sinovite tem sido associada aos sintomas de OA e progressão 2,3,4. Em OA primário (idiopático), o “desgaste” normal associado ao envelhecimento inibe a capacidade da cartilagem de sustentar suas funções de carga e lubrificação. As tensões geradas pelo contato deslizante prolongado das camadas de cartilagem articular ou pelo contato deslizante da cartilagem contra materiais de implante têm sido demonstradas para facilitar o desgaste da delaminação através da falha de fadiga subsuperficial 5,6. Como existe um ambiente mecânico dinâmico dentro da articulação 7,8, as interações de atrito da cartilagem articular e do sinodio podem influenciar a homeostase articular através do desgaste do nível do tecido e da mecanotransdução celular. Para estudar esses processos mecânicos e mecanobiológicos, um dispositivo foi projetado para replicar o movimento da articulação com controle rigoroso sobre carga compressiva e friccional 5,6,9,10,11,12,13.

O presente protocolo descreve um dispositivo de teste de atrito que fornece movimento recíproco, traduzindo movimento e carga compressiva para o contato com superfícies de explantas de tecido vivo. O dispositivo controlado pelo computador permite o controle do usuário da duração de cada teste, carga aplicada, amplitude de movimento do estágio de tradução e velocidade de tradução. O dispositivo é modular, permitindo testes de várias contrafaces, como tecido-sobre-tecido (cartilagem-sobre-cartilagem e sinovial-na-cartilagem) e tecido-sobre-vidro. Além das medidas funcionais obtidas pelo testador, podem ser avaliados componentes do tubo, tecido e lúbrica de banho antes e depois dos testes para avaliar as alterações biológicas transmitidas por um determinado regime experimental.

Estudos de tribologia da cartilagem são realizados há décadas, e diversas técnicas foram desenvolvidas para medir coeficientes de atrito entre cartilagem e vidro e cartilagem na cartilagem14,15. As diferentes abordagens são motivadas pela articulação e/ou pelo mecanismo de lubrificação de interesse. Muitas vezes há uma troca entre o controle de variáveis experimentais e a recapitulação dos parâmetros fisiológicos. Dispositivos no estilo pêndulo utilizam juntas intactas como o fulcro de um pêndulo simples onde uma superfície articular se traduz livremente sobre a segunda superfície 14,16,17,18. Em vez de utilizar articulações intactas, as medidas de atrito podem ser obtidas por explantes de cartilagem deslizantes sobre superfícies desejadas 14,19,20,21,22,23,24,25. Os coeficientes de atrito relatados da cartilagem articular variaram em uma ampla faixa (de 0,002 a 0,5) dependendo das condições de funcionamento14,26. Dispositivos foram criados para replicar o movimento rotativo 23,27,28. Gleghorn et al.26 desenvolveram um tribometro multi-bem personalizado para observar perfis de lubrificação da cartilagem usando a análise da curva Stribeck, e um movimento de deslizamento oscilatório linear foi aplicado entre cartilagem contra uma contraface de vidro plano.

Este dispositivo visa isolar as respostas de atrito e explorar a mecanobiologia dos tecidos vivos sob várias condições de carregamento. O dispositivo emprega uma configuração simplificada de teste simulando a articulação articular através do deslizamento compressivo, que pode aproximar tanto o movimento de rolagem quanto o deslizamento com o entendimento de que a resistência em movimento de rolamento puro é insignificante em relação ao coeficiente de atrito medido da cartilagemarticular 29. Originalmente construído para estudar os efeitos da pressurização do fluido intersticial na resposta de atrito da cartilagemarticular 9, o testador tem sido usado desde então para explorar tópicos como efeitos de atrito da remoção da zona superficial da cartilagem10, efeitos lubrificantes do fluido sinovial11, hipóteses de desgaste da cartilagem 5,6,30 e medidas de atrito sinovium-on-tissue13 . O bioreator de teste de atrito pode realizar experimentos de atrito em condições estéreis, fornecendo um novo mecanismo para explorar como as forças de atrito afetam as respostas mecanobiológicas da cartilagem viva e do sinovial. Este desenho pode ser usado como um bioreator biomimético para estudar a regulação física dos tecidos articulares vivos em resposta ao carregamento fisiológico aplicado associado à articulação articular diarthrodial.

Este estudo apresenta uma configuração para testes de atrito sinovial-sobre-cartilagem em uma série de tensões de contato e em diferentes banhos lubrificantes. A área de superfície articulada da maioria das articulações é, em grande parte, tecido sinovial31. Embora o deslizamento sinovial-na-cartilagem não ocorra em superfícies primárias de suporte de carga, as interações de atrito entre os dois tecidos ainda podem ter implicações importantes para a reparação do nível do tecido e a mecanotransdução celular. Foi demonstrado anteriormente que os sinoviocitos semelhantes ao fibroblasto (FLS) residentes na camada intimal do sinodolio são mecanosensíveis, respondendo ao estresse de cisalhamento induzido porfluidos 32. Também foi demonstrado que o estiramento33,34 e o estresse de tesoura induzido porfluidos 35 modulam a produção de lubrificantes FLS. Como tal, o contato de deslizamento direto entre o sinodolio e a cartilagem pode fornecer outro estímulo mecânico às células residentes no sinolio.

Apenas alguns relatórios sobre coeficientes de atrito sinovial foram publicados31,36. Estell et al.13 buscaram expandir a caracterização anterior utilizando contraface biologicamente relevantes. Com a capacidade do dispositivo de teste de atrito de testar tecidos vivos, é possível imitar interações fisiológicas de tecido durante a articulação articular para elucidar o papel do estresse de cisalhamento de contato na função sintígio e sua contribuição para o crosstalk entre o sinolium e a cartilagem. Este último foi implicado na mediação da inflamação articular sinovial na artrite e pós-lesão. Devido à proximidade física da cartilagem ao synovium e fluido sinovial, que contêm sintécias que apresentam capacidade multipotente, incluindo condrogênese, é postulado que os sinoviocytes desempenham um papel na homeostase da cartilagem e reparam ao engrafar para a superfície articular. Nesse contexto, o contato físico e a tesoura recíproca de cartilagem-sinovial e sinovial-sinovial podem aumentar a acessibilidade dos sinoviocitos a regiões de cartilagem danosde 37,38,39,40. Estudos que utilizam configurações de sinoviaio-sobre-cartilagem não só fornecerão insights sobre mecânica de tecido bruto articular e tribologia, mas também podem levar a novas estratégias para manter a saúde articular.

Protocol

As articulações do joelho bovino juvenil, obtidas a partir de um matadouro local, foram utilizadas para o presente estudo. Estudos com amostras de amostras de bovinos são isentos do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC). 1. Projetando o dispositivo de teste de atrito NOTA: Uma representação esquemática do dispositivo de teste de atrito é mostrada na Figura 1. O dispositivo é construído sobre …

Representative Results

Uma configuração de sinoviaio-na-cartilagem foi usada para testar explantas bovinas juvenis. O sinovia foi montado em uma placa de carregamento acrílico de 10 mm de diâmetro, de tal forma que a camada intimal estaria em contato com a cartilagem subjacente. Uma tira tibial foi usada como contraface de cartilagem (Figura 6A). As tiras tibiais foram cortadas com uma profundidade de aproximadamente 1,4 mm e um tamanho de 10 mm x 30 mm. As amostras foram testadas por 1 h a 37 °C em um banho …

Discussion

Existe um ambiente mecânico dinâmico dentro da articulação, pois a cartilagem é submetida a forças compressivas, de tração e cisalhamento, e pressões hidrostáticas e osmóticas44,45. Embora a cartilagem seja o principal tecido de suporte de carga da articulação, o sinolário também sofre interações de atrito com a superfície da cartilagem e consigo mesma em regiões onde o tecido se dobra. As interações físicas entre cartilagem e sinovia são p…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pela Ortopédica Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 e NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID: 10.13039/100000057).

Materials

Aluminum foil Reynolds Group Holdings Reynolds Wrap Sterile tissue harvest
Aluminum-framed acrylic enclosure Custom made Friction tester component
Autoclavable instant sealing sterilization pouches Fisherbrand 01-812-54 Sterilization of tools
Autoclave Buxton Sterilization of tools
Beaker (250 mL) Pyrex Vista 70000 Tissue harvest
Betadine (Povidone Iodine Prep Solution) Medline Industries, LP MDS093906 Sterile tissue harvest
Biological safety cabinet Labconco Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC Sterile tissue harvest
Biospy punch Steritool Inc. 50162 Tissue harvest
Box cutter American Safety Razor Company 94-120-71 Tissue harvest
Circular acrylic-sillicone post (synovium) Custom made Tissue mounting
Culture media Custom made DMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) supplemented with 50 μg/mL L-proline (Cat. No. P5607; Sigma), 100 μg/mL sodium pyruvate (Cat. No. S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. No. 354350; Corning), and 1% antibiotic–antimycotic (Cat. No. 15-240-062, Gibco)
Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear) Henkel 135455 Tissue mounting
Dead weights OHAUS Normal load
Ethanol 200 proof Decon Labs, Inc. 2701 Dilute to 70 %
Fixed base ThorLabs, Inc. SB1T Friction tester component
Forceps (synovium harvest) Fine Science Tools 11019-12 Tissue harvest
Forceps (synovium mounting) Excelta 3C-S-PI Tissue mounting
Horizontal linear encoder (for translating stage) RSF Electronics, Inc. MSA 670.63 Friction tester component; system resolution of 1 µm
Hot glue gun and glue FPC Corporation Surebonder Pro 4000A Tissue mounting
LabVIEW National Instruments Corporation LabVIEW  2010 Friction testing program
Load cell JR3 Inc. 20E12A-M25B Friction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z
Loading platen Custom made Tissue mounting
O-ring Parker S1138AS568-009 Tissue mounting
Petri dish (60 mm) Falcon 351007 Tissue mounting
PivotLok Work Positioner (tibia holder) Industry Depot, Pivot Lok PL325 Tissue harvest
Removable base ThorLabs, Inc. SB1B Friction tester component
Ring stand Tissue harvest
Scalpel blades Havel's Inc. FSC22 Tissue harvest
Scalpel handle FEATHER Safety Razor Co., Ltd. No. 4 Tissue harvest
Screwdriver Wera 3334 Tissue harvest
Stage JMAR Friction tester component
Stepper motor Oriental Motor Co., Ltd. PK266-03B Friction tester component
Suction tool Virtual Industries, Inc. PEN-VAC Vacuum Pen Tissue mounting
Support rod Custom made Tissue mounting
Surgical scissors Fine Science Tools 14061-09 Tissue mounting
Synovial fluid (bovine) Animal Technologies, Inc. Friction testing bath
Testing bath Custom made Phosphate-Buffered Saline (PBS) with protease inhibitors: 0.04% isothiazolone-base biocide (Proclin 950 Cat. No. 46878-U; Sigma) and 0.1% protease inhibitor – 0.05 M ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA (Cat. No. 0369; Sigma)
Tissue culture incubator Fisher Scientific Isotemp Sterile culture
Vertical linear encoder (for loading stage) Renishaw T1031-30A Friction tester component; 20 nm resolution
Voice coil actuator H2W Technologies NCC20-15-027-1RC Friction tester component
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Citer Cet Article
Gangi, L. R., Petersen, C. A., Oungoulian, S. R., Estell, E. G., Durney, K. M., Suh, J. T., Ateshian, G. A., Hung, C. T. A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation. J. Vis. Exp. (184), e63880, doi:10.3791/63880 (2022).
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