Biotribologisk provning och analys av ledbrosk Glidning mot metall för implantat
Summary
Detta protokoll beskriver beredning, biotribologisk testning och analys av osteochondral cylindrar glidande mot metall implantatmaterial. Resultat åtgärder som ingår i detta protokoll är metabolisk aktivitet, genuttryck och histologi.
Abstract
Osteochondral defekter i medelålders patienter kan behandlas med fokala metalliska implantat. Först utvecklats för defekter i knäleden, implantat finns nu för axeln, höft, fotled och den första metatarsalphalangeal gemensamma. Samtidigt som smärtminskning och klinisk förbättring, progressiv degenerativa förändringar av de motsatta brosk observeras i många patienter. De mekanismer som leder till denna skada är inte helt klarlagda. Detta protokoll beskriver en tribological experiment för att simulera en metall-på-brosk ihopkoppling och omfattande analys av ledbrosket. Metallimplantatmaterial testas mot osteokondralcylindrar av nötkreatur som modell för humant ledbrosk. Genom att tillämpa olika laster och glidhastigheter kan fysiologiska lastningsförhållanden imiteras. För att ge en omfattande analys av effekterna på ledbrosket, histologi, metabolisk aktivitet och gen uttryck analys beskrivs i detta protokoll. Den största fördelen med tribologisk testning är att lastningsparametrar kan justeras fritt för att simulera in vivo-förhållanden. Dessutom kan olika testlösningar användas för att undersöka påverkan av smörjning eller proinflammatoriska medel. Genom att använda genuttrycksanalys för broskspecifika gener och katabola gener, kan tidiga förändringar i metabolismen av artikulära kondrocyter som svar på mekanisk lastning upptäckas.
Introduction
Behandlingen av osteokondraldefekter är krävande och kräver operation i många fall. För fokala osteokondrala lesioner hos medelålders patienter är fokala metalliska implantat ett hållbart alternativ, särskilt efter misslyckandet med primär behandling, som benmärgsstimulering (BMS) eller autolog kondrocyteimplantation (ACI)1. Partiell yta ersättare kan betraktas bärgning förfaranden som kan minska smärta och förbättra rörelseomfång2. Dessa implantat är typiskt består av en CoCrMo legering och finns i olika storlekar och offset konfigurationer för att matcha den normalaanatomin 3. Medan ursprungligen utvecklats för defekter på den mediala femorala condyle i knät, sådana implantat finns nu och används för höft, fotled, axel, och armbåge4,5,6. För ett tillfredsställande resultat är det avgörande att bedöma den mekaniska gemensamma anpassningen och tillståndet för det motsatta brosket. Vidare har korrekt implantation utan utsprång av implantatet visat sig vara fundamental7.
Kliniska studier visade utmärkta kortsiktiga resultat i form av smärtreduktion och förbättring av funktion hos medelålders patienter förolika platser 5,6,8. Jämfört med allograft implantation, fokal metall implantat tillåta tidig vikt bäring. Men visade den motsatta ledbrosk visade accelererad slitage i ett betydande antal patienter9,10. Därav, även med rätt placering, i många fall degeneration av den inhemska brosk verkar oundvikligt, medan de underliggande mekanismerna förblir oklart. Liknande degenerativa förändringar har observerats efter bipolär hemiarthroplasty avhöften 11 och ökas med aktivitet och lastning12.
Tribologiska experiment ger möjlighet att studera sådana parningar in vitro och simulera olika lastningssituationer som inträffar under fysiologiska förhållanden13. Användningen av osteokondralstift erbjuder en enkel geometri modell för att undersöka tribology av ledbrosk glidande mot inhemska brosk eller något implantat material14 och kan ytterligare användas i hela gemensamma simuleringsmodeller15. Metall-på-brosk pairings visar accelererade brosk slitage, extracellulära matris störningar, och minskad cell livskraft i den ytliga zonen jämfört med en brosk-på-brosk ihopkoppling16. Skador på brosket uppkom främst i form av delaminering mellan de ytliga och mellersta zonerna17. Men de mekanismer som leder till brosk degeneration är inte helt klarlagda. Detta protokoll ger en omfattande analys av den biosyntetiska aktiviteten av ledbrosk. Genom bestämning av metabolisk aktivitet och genuttryck nivåer av katabola gener, tidiga indikationer för brosk uppdelning kan identifieras. Fördelen med in vitro tribologiska experiment är att lastningsparametrar kan justeras för att imitera olika lastningsförhållanden.
Därav, följande protokoll är lämplig att simulera en metall-på-brosk ihopkoppling, som representerar en experimentell hemiarthroplasty modell.
Protocol
Representative Results
Discussion
Focal metalliska implantat utgör en bärgning förfarande för osteochondral defekter, särskilt i medelålders patienter och efter misslyckades primär behandling. Även om kliniska studier visat lovande kortsiktiga resultat, en observerade komplikation är skador på den motsatta, infödda brosk10. Kadaver och biomekaniska studier visar tydliga bevis för att korrekt implantation med platt eller något infälld positionering upprätthåller naturliga kontakttryck19. Trib…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning finansierades av NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. och delstatsregeringen i Niederösterreich genom Life Science Calls (Projekt-ID: LSC15-019) och av det österrikiska COMET-programmet (Projekt K2 XTribology, Anslag nr 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).
