用于研究滑膜关节生物力学、力学生物学及物理调控的摩擦测试-生物反应装置

传统上，我们使用该测试仪研究非活体组织以计算摩擦系数，但现在我们正在显著扩展测试仪的功能，用于测试活体组织并评估生物相互作用。摩擦测试装置可向活体组织外植片的接触表面施加往复平移运动和压缩载荷。该装置具有模块化设计，可适用于多种生物对磨面的测试。

该方法可揭示摩擦力如何影响活体软骨和滑膜的力学及力学生物学响应，从而为维护关节健康提供新的策略。首先获取幼牛滑膜组织。使用手术刀片勾勒出目标滑膜区域的轮廓。

使用镊子夹住滑膜的一端，轻轻提起，使滑膜远离其下方的骨骼并拉伸。用手术刀片将滑膜从骨面剥离，并将组织置于适当的培养基或检测浴液中。随后，通过将胫骨固定在可调节的夹具中，采集幼牛软骨。

小心移除半月板，避免接触软骨表面。在胫骨平台的外缘，使用美工刀垂直于软骨向骨质方向切割。完全切透软骨，以形成整齐的边缘或侧面。

去除多余组织。在边缘处，使用美工刀在骨与软骨交界处进行整齐切割。为将胫骨条从平台表面分离，可将一字螺丝刀轻轻插入切口下方，并轻轻旋转，以使关节软骨与软骨下骨松解。

随着样本逐渐松动，缓慢向前推进螺丝刀，直至软骨条从骨头上脱离。确保将螺丝刀朝向骨头推进，而不是朝向软骨。使用美工刀切割胫骨平台表面，以获得所需尺寸和厚度的矩形样本。

将组织置于合适的培养基或测试浴液中。如果使用胫骨条作为下部对磨面，则取下可拆卸的磁性底座，并将一个直径为60毫米的培养皿粘附到可拆卸底座的上表面。待培养皿粘牢后，将可拆卸底座固定到固定底座上，并在培养皿上标记滑动方向。

在培养皿中心涂抹少量氰基丙烯酸盐。将胫骨条与载物台的滑动方向对齐。轻轻将软骨条按压到培养皿上。

将可移动的磁性底座重新安装到摩擦测试仪中配对的固定底座上。用所需的测试浴液填充培养皿。如果使用滑膜作为上部对磨面，则从摩擦测试仪上取下加载压板和支撑杆。

将滑膜置于圆形底板上。为固定滑膜，将其边缘套入一个O形环。用镊子轻轻牵拉滑膜，使组织在O形环下方绷紧并展平。

使用手术剪修剪多余的组织。将加载压盘和支撑杆重新安装到摩擦测试仪上。调节加载压盘的垂直高度，使滑膜位于底部对磨面之上并浸没于测试浴液中。

将安装好的样品插入摩擦测试仪设备中。打开模拟数据采集系统 MF DAQ。在程序中初始化载荷 PID 和触发动态调用窗口。

运行模拟数据构建 MF DAQ，并通过点击“运行”按钮初始化加载 PID 窗口。在触发动态调用器窗口中，切换到“步进”选项卡。在用户输入框中设置平移台的加速度、速度和距离。

要输入测试时长，请点击时间状态表右下角的“打开文件夹”按钮，并选择步进时间索引文件路径。然后在音圈标签页中再次指定测试时长。通过点击时间状态表右下角的“打开文件夹”按钮，选择音圈索引文件路径并选中该文件。

无论是否使用音圈，都必须执行此步骤。施加正常载荷。如果使用砝码，请将所需重量放置在加载平台上方的直线轴承上。

确保施加的载荷加上加载压头和支持杆的重量不超过载荷传感器的额定容量。使用“保存到文件”框右侧的“打开文件夹”按钮选择数据存储路径和文件名。将文件保存为 txt 扩展名。

将底部位对准装置置于顶部位对准装置正下方，并将其设为零位 X 位置。为此，请通过点击运行按钮启动触发动态调用窗口。在步进器选项卡中，点击“归零”按钮，以将载物台移至上次保存的零位 X 位置。

如果对界面未对齐，请通过点击绿色的左箭头和右箭头按钮来移动载物台。当到达所需位置时，点击零位按钮，将当前载物台位置保存为新的零位X位置。通过点击停止按钮，关闭触发动态调用窗口。

当上下对磨面居中后，通过启动载物台的往复运动，开始对样品进行摩擦测试。载物台开始移动后，缓慢将上对磨面与下对磨面接触。让测试持续运行，采集摩擦测试数据。

在完成所需的测试时间后，按下“停止”按钮，通过提升上部对磨面并将其移出与下部对磨面的接触状态来卸载试样。使用自定义代码计算摩擦系数及每个循环的滞后量。确保将所有相关文件保存在同一个文件夹中。

打开 Friction Cycle run.m 文件，然后点击脚本中的运行按钮。

选择要分析的原始数据文件及所需的保存位置。摩擦系数和滞后曲线图将由 MATLAB 输出。摩擦测试采用滑膜-软骨构型对幼牛关节组织样本进行，其中将滑膜固定在直径为 10 毫米的丙烯酸加载压头上，使滑膜的内膜层与下方软骨接触。

采用胫骨条作为软骨对磨面。通过计算每个往复循环中摩擦力FT与法向力FN比值的平均值，得到有效摩擦系数，然后将其对测试时间作图，获得摩擦系数-时间曲线。对于每次测试，摩擦系数值取整个测试过程的平均值。

在 PBS 测试浴液中，平均摩擦系数随接触应力的增加而升高。相反，在牛滑液浴液中，平均摩擦系数在接触应力增加时基本保持不变。请记住，在使表面接触之前，先开始采集载荷数据。

这确保了能够准确计算去皮重量。可在测试前后评估组织和润滑浴液成分，以分析特定实验方案所引起的生物学变化。