Биотрибологическое тестирование и анализ суставного хряща, скользящего против металла для имплантатов
Summary
Этот протокол описывает подготовку, биотрибологическое тестирование и анализ остеохондральных цилиндров, скользящих против материала металлического имплантата. Итогом мер, включенных в этот протокол, являются метаболическая активность, экспрессия генов и гистология.
Abstract
Остеохондроз у пациентов среднего возраста можно лечить с помощью фокусных металлических имплантатов. Впервые разработанные для дефектов коленного сустава, имплантаты теперь доступны для плеча, бедра, лодыжки и первого плюсневого фалангального сустава. Обеспечивая снижение боли и клиническое улучшение, прогрессивные дегенеративные изменения противоположного хряща наблюдаются у многих пациентов. Механизмы, ведущие к этому ущербу, до конца не изучены. Этот протокол описывает трибологический эксперимент по имитации спаривания металла на хряще и всесторонний анализ суставного хряща. Металлический имплантат материал тестируется против бычьего остеохондрального цилиндра в качестве модели для суставного хряща человека. Применяя различные нагрузки и скользящие скорости, физиологические условия загрузки могут быть имитирован. Для обеспечения всестороннего анализа воздействия на суставной хрящ, гистология, метаболическая активность и анализ экспрессии генов описаны в этом протоколе. Основным преимуществом трибологического тестирования является то, что параметры загрузки могут свободно корректироваться для имитации условий vivo. Кроме того, различные решения тестирования могут быть использованы для исследования влияния смазки или провоспалительных агентов. С помощью анализа экспрессии генов хряща и катаболических генов могут быть обнаружены ранние изменения в метаболизме суставных хондроцитов в ответ на механическую нагрузку.
Introduction
Лечение остеохондрозных дефектов является требовательным и требует хирургического вмешательства во многих случаях. Для очаговых остеохондральных поражений у пациентов среднего возраста, фокусные металлические имплантаты являются жизнеспособным вариантом, особенно после отказа первичного лечения, как стимуляция костного мозга (BMS) или аутологичной имплантации хондроцитов (ACI)1. Частичные замены поверхности можно считать спасательными процедурами, которые могут уменьшить боль и улучшить диапазон движения2. Эти имплантаты, как правило, состоят из сплава CoCrMo и доступны в различных размерах и смещения конфигураций в соответствует нормальной анатомии3. Хотя первоначально разработаны для дефектов на медиальной бедренной конды в колене, такие имплантаты теперь доступны и используются для бедра, лодыжки, плеча и локтя4,5,6. Для удовлетворительного результата, очень важно оценить механическое выравнивание суставов и состояние противоположного хряща. Кроме того, правильное имплантация без выпячивания имплантата была показана как фундаментальная7.
Клинические исследования показали отличные краткосрочные результаты с точки зрения уменьшения боли и улучшения функции у пациентовсреднего возраста в различных местах 5,6,8. По сравнению с имплантацией алотрансплантата, фокусные металлические имплантаты позволяют раннего веса подшипника. Тем не менее, противоположные суставного хряща показали ускоренный износ у значительного числапациентов 9,10. Таким образом, даже при правильном размещении, во многих случаях дегенерация родного хряща кажется неизбежным, в то время как основные механизмы остаются неясными. Подобные дегенеративные изменения наблюдались после биполярной гемиартропластикитазобедренного сустава 11 и увеличивались с активностью инагрузкой 12.
Трибологические эксперименты дают возможность изучать такие пары в пробирке и моделировать различные ситуации нагрузки, происходящие в физиологическихусловиях 13. Использование остеохондрозных булавки предлагает простую модель геометрии для исследования трибологии суставного хряща скольжения против родного хряща или любой имплантатматериала 14 и может быть дополнительно использован в целом совместных моделей моделирования15. Металлические на хряще пары показывают ускоренный износ хряща, внеклеточные нарушения матрицы, и снижение жизнеспособности клеток в поверхностной зоне по сравнению с хрящом-на-хрящспаривания 16. Повреждение хряща произошло в основном в виде деламинации между поверхностными и средними зонами17. Однако механизмы, ведущие к дегенерации хряща, до конца не изучены. Данный протокол обеспечивает всесторонний анализ биосинтетической активности суставного хряща. По определению метаболической активности и уровня экспрессии генов катаболических генов, ранние признаки распада хряща могут быть определены. Преимущество в пробирке трибологических экспериментов заключается в том, что параметры загрузки могут быть скорректированы для имитации различных условий загрузки.
Таким образом, следующий протокол подходит для имитации спаривания металла на хряще, представляющий экспериментальную модель гемиартропластики.
Protocol
Representative Results
Discussion
Фокусные металлические имплантаты представляют собой спасительную процедуру остеохондроза дефектов, особенно у пациентов среднего возраста и после неудачного первичного лечения. Хотя клинические исследования показали многообещающие краткосрочные результаты, одним из наблюдаемых …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование финансировалось Н. Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. и провинциальное правительство Нижней Австрии через life Science Calls (Проект ID: LSC15-019) и австрийской программы COMET (Проект K2 XTribology, Грант No 849109).
Materials
| Amphotericin B | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | A-2942-100ML | |
| buffered formaldehyde solution 4% | VWR | 97131000 | |
| Cell Proliferation Kit II (XTT) | Roche Diagnostics | 11465015001 | XTT-based ex vivo toxicology assay |
| CoCrMo raw material | Acnis International | CoCrMo rods 6mm in diameter | |
| CryoStar NX70 Cryostat | Thermo Fischer Scientific | cryosectioning device | |
| dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sidma-Aldrich Chemie | D 2438-10ML | |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | medium | |
| fetal bovine serum | Gibco | ||
| Hyaluronic acid | Anika Therapeutics Inc. | component of lubricating solution | |
| iCycler | BioRad | thermal cycler | |
| Leica microscope DM‐1000 | Leica | microscope for histology | |
| LightCycler 480 Sealing Foil | Roche Diagnostics | ||
| LightCycler 96 | Roche Diagnostics | thermal cycler for PCR | |
| MagNA Lyser Green Beads | Roche Diagnostics | 3358941001 | |
| Osteochondral Autograft Transfer System (OATS) | Arthrex Inc. | cutting tube for harvesting osteochondral cylinders | |
| osteosoft | Merck | 1017279010 | decalcifier-solution |
| Penicillin /Streptomycin | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | P4333-100ML | |
| phosphate‐buffered saline | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | PBS | |
| Prescale Low Pressure | Fujifilm | pressure indicating film | |
| RNeasy Fibrous Tissue Kit | QIAGEN | 74404 | |
| Synergy 2 | BioTek Instruments | plate reader | |
| Tetra‐Falex MUST | Falex Tribology | Tribometer | |
| Tissue‐ Tek O.C.T. | SAKURA | 4583 | embedding formulation |
| Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit | Roche Diagnostics | 40897030001 | |
| β-mercaptoethanol | Sidma-Aldrich Chemie | M3148 |
References
- Zengerink, M., Struijs, P. A. A. A., Tol, J. L., van Dijk, C. N. Treatment of osteochondral lesions of the talus: a systematic review. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 18 (2), 238-246 (2009).
- Aurich, M., et al. Behandlung osteochondraler Läsionen des Sprunggelenks: Empfehlungen der Arbeitsgemeinschaft Klinische Geweberegeneration der DGOU. Zeitschrift fur Orthopadie und Unfallchirurgie. 155 (1), 92-99 (2017).
- Van Bergen, C. J. A., Zengerink, M., Blankevoort, L., Van Sterkenburg, M. N., Van Oldenrijk, J., Van Dijk, C. N. Novel metallic implantation technique for osteochondral defects of the medial talar dome. Acta Orthopaedica. 81 (4), 495-502 (2010).
- Sweet, S. J., Takara, T., Ho, L., Tibone, J. E. Primary Partial Humeral Head Resurfacing. The American Journal of Sports Medicine. 43 (3), 579-587 (2015).
- Becher, C., et al. Minimum 5-year results of focal articular prosthetic resurfacing for the treatment of full-thickness articular cartilage defects in the knee. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 131 (8), 1135-1143 (2011).
- Lea, M. A., Barkatali, B., Porter, M. L., Board, T. N. Osteochondral Lesion of the Hip Treated with Partial Femoral Head Resurfacing. Case Report and Six-Year Follow-up. HIP International. 24 (4), 417-420 (2018).
- Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Paessler, H. H., Skrbensky, G. Effects of a contoured articular prosthetic device on tibiofemoral peak contact pressure: a biomechanical study. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 16 (1), 56-63 (2007).
- Malahias, M. -. A., Chytas, D., Thorey, F. The clinical outcome of the different HemiCAP and UniCAP knee implants: A systematic and comprehensive review. Orthopedic Reviews. 10 (2), (2018).
- Dhollander, A. A. M., et al. The use of a prosthetic inlay resurfacing as a salvage procedure for a failed cartilage repair. Knee Surgery, Sports Traumatology. 23 (8), 2208-2212 (2014).
- Van Bergen, C. J. A. A., van Eekeren, I. C. M. M., Reilingh, M. L., Sierevelt, I. N., van Dijk, C. N. Treatment of osteochondral defects of the talus with a metal resurfacing inlay implant after failed previous surgery. Bone and Joint Journal. 95 (12), 1650-1655 (2013).
- Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Hwang, K. -. T. T., Choi, I. -. Y. Y. The cartilage degeneration and joint motion of bipolar hemiarthroplasty. International Orthopaedics. 36 (10), 2015-2020 (2012).
- Moon, K. H., et al. Degeneration of Acetabular Articular Cartilage to Bipolar Hemiarthroplasty. Yonsei Medical Journal. 49 (5), 716-719 (2008).
- Wimmer, M. A., Pacione, C., Laurent, M. P., Chubinskaya, S. In vitro wear testing of living cartilage articulating against alumina. Journal of Orthopaedic Research. , (2016).
- Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. Simple geometry tribological study of osteochondral graft implantation in the knee. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 232 (3), 249-256 (2018).
- Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. Development of a preclinical natural porcine knee simulation model for the tribological assessment of osteochondral grafts in vitro. Journal of Biomechanics. 77, 91-98 (2018).
- Trevino, R. L., et al. Establishing a live cartilage-on-cartilage interface for tribological testing. Biotribology. 9, 1-11 (2017).
- Oungoulian, S. R., et al. Wear and damage of articular cartilage with friction against orthopedic implant materials. Journal of Biomechanics. 48 (10), 1957-1964 (2015).
- Stotter, C., et al. Effects of Loading Conditions on Articular Cartilage in a Metal-on-Cartilage Pairing. Journal of Orthopaedic Research. 37 (12), 2531-2539 (2019).
- Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Tibesku, C. O., von Skrbensky, G. Tibiofemoral contact mechanics with a femoral resurfacing prosthesis and a non-functional meniscus. Clinical biomechanics. 24 (8), 648-654 (2009).
- Temple, D. K., Cederlund, A. A., Lawless, B. M., Aspden, R. M., Espino, D. M. Viscoelastic properties of human and bovine articular cartilage: a comparison of frequency-dependent trends. BMC Musculoskeletal Disorders. , 1-8 (2016).
- Caligaris, M., Ateshian, G. A. Effects of sustained interstitial fluid pressurization under migrating contact area, and boundary lubrication by synovial fluid, on cartilage friction. Osteoarthritis and Cartilage. 16 (10), 1220-1227 (2008).
- Burris, D. L., Ramsey, L., Graham, B. T., Price, C., Moore, A. C. How Sliding and Hydrodynamics Contribute to Articular Cartilage Fluid and Lubrication Recovery. Tribology Letters. 67 (2), 1-10 (2019).
- Mamat, N., Nor, M. Numerical measurement of contact pressure in the tibiofemoral joint during gait. International Conference on Biomedical Engineering (ICoBE). , 27-28 (2012).
- Manda, K., Ryd, L., Eriksson, A. Finite element simulations of a focal knee resurfacing implant applied to localized cartilage defects in a sheep model. Journal of Biomechanics. 44 (5), 794-801 (2011).
