Urządzenie do testowania tarcia - bioreaktor do badania biomechaniki stawów maziowych, mechanobiologii i regulacji fizycznej
2 czerwca 2022
Obecny protokół opisuje urządzenie do testowania tarcia, które stosuje jednocześnie wzajemne przesuwanie i normalne obciążenie do dwóch stykających się biologicznych powierzchni stykających się.
Tradycyjnie używaliśmy testera do badania tkanek nieożywionych w celu obliczenia współczynników tarcia, ale znacznie rozszerzamy możliwości testera do badania żywych tkanek i oceny interakcji biologicznych. Urządzenie do badania tarcia zapewnia ruch posuwisto-zwrotny i obciążenie ściskające na stykające się powierzchnie eksplantatów żywej tkanki. Urządzenie ma charakter modułowy, co pozwala na testowanie różnych powierzchni biologicznych.
Metoda ta może dostarczyć informacji na temat tego, w jaki sposób siły tarcia wpływają na mechaniczne i mechanicznobiologiczne reakcje żywej chrząstki i błony maziowej, co może prowadzić do opracowania nowych strategii utrzymania zdrowia stawów. Zacznij od zbioru błony maziowej młodocianego bydła. Za pomocą ostrza skalpela obrysuj kontur interesującego Cię obszaru błony maziowej.
Za pomocą kleszczy chwyć jeden koniec błony maziowej i delikatnie unieś, aby rozciągnąć błonę maziową dystalnie do leżącej poniżej kości. Za pomocą ostrza skalpela usuń błonę maziową z kości i umieść tkankę w odpowiedniej pożywce hodowlanej lub roztworze do kąpieli testowej. Następnie należy pobrać młodocianą chrząstkę bydlęcą, zabezpieczając kość piszczelową w regulowanym uchwycie.
Ostrożnie usuń łąkotkę, unikając kontaktu z powierzchnią chrząstki. Na zewnętrznych krawędziach płaskowyżu piszczelowego użyj noża do pudełek, aby ciąć prostopadle do chrząstki w kierunku kości. Przeciąć całkowicie chrząstkę, aby uzyskać proste krawędzie lub boki.
Usuń nadmiar tkanki. Na zewnętrznych krawędziach użyj noża do pudełek, aby wykonać czyste cięcie na styku kości i chrząstki. Aby usunąć pasek piszczelowy z powierzchni płaskowyżu, delikatnie włóż płaski śrubokręt poniżej nacięcia i delikatnie obróć, aby poluzować chrząstkę stawową z kości podchrzęstnej.
Gdy próbka się poluzuje, powoli popchnij śrubokręt do przodu, aż pasek chrząstki odłączy się od kości. Upewnij się, że śrubokręt jest dociśnięty w kierunku kości, a nie chrząstki. Za pomocą noża do pudełek przetnij powierzchnię płaskowyżu piszczelowego, aby uzyskać prostokątne próbki o pożądanym rozmiarze i grubości.
Umieścić tkankę w odpowiedniej pożywce hodowlanej lub roztworze do kąpieli testowej. Jeśli pasek piszczelowy jest używany jako dolna powierzchnia współpracująca, usuń odłączaną podstawę magnetyczną i przyklej szalkę Petriego o średnicy 60 milimetrów do górnej powierzchni odłączanej podstawy. Po przyklejeniu szalki Petriego przymocuj odłączoną podstawę do stałej podstawy i zaznacz szalkę Petriego, aby wskazać kierunek przesuwania.
Nałóż niewielką ilość cyjanoakrylanu na środek naczynia. Wyrównaj pasek piszczelowy z kierunkiem przesuwania stolika. Delikatnie dociśnij pasek chrząstki do naczynia.
Przywróć zdejmowaną podstawę magnetyczną do sparowanej stałej podstawy w testerze tarcia. Napełnij szalkę Petriego żądanym roztworem kąpieli testowej. Jeśli błona maziowa jest używana jako górna powierzchnia współpracująca, zdejmij płytę obciążeniową i pręt nośny z testera tarcia.
Umieść błonę maziową na okrągłej płycie. Aby zabezpieczyć błonę maziową, rozprowadź O-ring na jej obwodzie. Za pomocą kleszczy delikatnie pociągnij za błonę maziową, aby rozciągnąć tkankę napiętą i płasko pod O-ringiem.
Przytnij nadmiar tkanki nożyczkami chirurgicznymi. Przywróć płytę obciążeniową i pręt nośny do testera tarcia. Wyreguluj pionową wysokość płyty załadowczej w taki sposób, aby błona maziowa unosiła się nad dolną powierzchnią współpracującą i była zanurzona w kąpieli testowej.
Włóż zamontowane próbki do testera tarcia. Otwórz kompilację danych analogowych MF DAQ. Zainicjuj załaduj PID i wyzwól dynamiczne okna wywołujące w programie.
Uruchom kompilację danych analogowych MF DAQ i zainicjuj okno ładowania PID, naciskając przycisk Uruchom. Przejdź do zakładki Stepper w oknie Trigger Dynamic Caller (Wyzwalanie dynamicznego wywoływania). Określ przyspieszenie, szybkość i odległość etapu tłumaczenia w polach wprowadzania danych użytkownika.
Aby wprowadzić czas trwania testu, kliknij przycisk Otwórz folder w prawym dolnym rogu tabeli stanu czasu i wybierz ścieżkę do pliku Stepper Time Index. Następnie ponownie określ czas trwania testu w zakładce Cewka drgająca. Wybierz ścieżkę do pliku Indeks cewki drgającej, klikając przycisk Otwórz folder w prawym dolnym rogu tabeli Time State (Stan czasu) i wybierz plik.
Należy to zrobić niezależnie od tego, czy cewka drgająca jest używana, czy nie. Zastosuj normalne obciążenie. W przypadku korzystania z obciążeń własnych należy umieścić żądane obciążniki na łożyskach liniowych powyżej płyty ładunkowej.
Upewnij się, że przyłożone obciążenie oraz ciężar płyty ładunkowej i pręta nośnego nie przekraczają nośności znamionowej ogniwa obciążnikowego. Wybierz ścieżkę i nazwę pliku do przechowywania danych za pomocą przycisku Otwórz folder po prawej stronie pola Po prawej stronie pliku . Zapisz plik z rozszerzeniem txt.
Wyśrodkuj dolną powierzchnię współpracującą pod górną powierzchnią współpracującą i ustaw ją jako pozycję zero X. Aby to zrobić, uruchom okno Wyzwalaj rozmówcę dynamicznego, naciskając przycisk Uruchom. W zakładce Stepper kliknij przycisk Home, aby przesunąć scenę do ostatnio zapisanej pozycji zero X.
Jeśli powierzchnie współpracujące nie są wyrównane, przesuń stół montażowy, klikając zielone przyciski strzałek w lewo i w prawo. Po osiągnięciu żądanej lokalizacji kliknij przycisk zero, aby zapisać bieżącą lokalizację etapu jako nową pozycję zero X. Zatrzymaj okno Wyzwalaj dynamicznego rozmówcę, klikając przycisk Zatrzymaj.
Po wyśrodkowaniu górnej i dolnej powierzchni współpracującej należy rozpocząć badanie tarcia próbek, rozpoczynając cykliczny ruch stolika. Gdy stolik się przesunie, powoli doprowadź górną powierzchnię współpracującą do dołu. Pozwól testowi działać, zbierając dane z testów tarcia.
Po upływie żądanego czasu trwania badania należy zatrzymać test, naciskając przycisk Stop i rozładowując próbki, podnosząc górną powierzchnię współpracującą i przesuwając ją w taki sposób, aby nie stykała się z dolną powierzchnią współpracującą. Użyj niestandardowego kodu, aby obliczyć współczynnik tarcia i histerezę na cykl. Upewnij się, że jeden folder zawiera wszystkie odpowiednie pliki.
Otwórz przebieg cyklu tarcia. m plik. Kliknij przycisk Uruchom w skrypcie.
Wybierz plik danych pierwotnych do analizy i żądaną lokalizację zapisu. Wykresy współczynnika tarcia i histerezy zostaną wygenerowane przez MATLAB. Do badania tarciowego eksplantatów młodego bydła użyto konfiguracji błony maziowej na chrząstce, w której błona maziowa została zamontowana na akrylowej płycie obciążeniowej o średnicy 10 milimetrów, tak aby warstwa wewnętrzna stykała się z leżącą pod spodem chrząstką.
Jako powierzchnię przeciwpowierzchniową chrząstki zastosowano pasek piszczelowy. Efektywny współczynnik tarcia obliczono na podstawie średniej FT podzielonej przez FN w każdym cyklu ruchu posuwisto-zwrotnego, a następnie wykreślono w stosunku do czasu trwania testu, aby uzyskać wykres współczynnika tarcia w funkcji czasu. Dla każdego testu wartości współczynnika tarcia zostały uśrednione dla całego testu.
W kąpieli testowej PBS średnie wartości współczynnika tarcia rosły wraz ze wzrostem naprężeń kontaktowych. I odwrotnie, średnie wartości współczynnika tarcia pozostały podobne wraz ze wzrostem naprężeń kontaktowych w kąpieli w płynie maziowym bydlęcym. Pamiętaj, aby rozpocząć zbieranie danych o obciążeniu przed doprowadzeniem powierzchni do kontaktu.
Dzięki temu można obliczyć prawidłowe obciążenie własne. Tkanki i składniki kąpieli smarowej mogą być oceniane przed i po badaniu w celu oceny zmian biologicznych nadanych przez dany schemat doświadczalny.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje urządzenie do testowania tarcia, zaprojektowane w celu oceny interakcji między żywymi tkankami biologicznymi. Urządzenie to wywiera jednoczesny posuw posuwisto-zwrotny oraz obciążenie normalne na dwie stykające się biologiczne powierzchnie przeciwstawne, co rozszerza jego możliwości poza analizę tkanek nieożywionych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomechanika
- Biomateriały
- Zdrowie stawów
Wprowadzenie
- Badania nad tarciem tradycyjnie koncentrowały się na tkankach nieżyjących.
- Zrozumienie sił tarcia jest kluczowe dla zdrowia stawów.
- Tkanki żywe wykazują inne właściwości mechaniczne w porównaniu do ich nieżyjących odpowiedników.
- Urządzenie jest modułowe, co pozwala na testowanie różnych biologicznych powierzchni przeciwstawnych.
Cel badania
- Ocena oddziaływań tarcia w żywych tkankach.
- Ocena odpowiedzi mechanicznych i mechanicobiologicznych chrząstki oraz błony maziowej.
- Opracowanie strategii utrzymania zdrowia stawów.
Zastosowane metody
- Pozyskiwanie błony maziowej z młodego bydła.
- Wyznaczenie obszaru zainteresowania za pomocą skalpela.
- Stosowanie ruchu posuwisto-zwrotnego i obciążenia ściskającego.
- Testowanie różnych biologicznych przeciwpłaszczyzn za pomocą urządzenia modułowego.
Główne wyniki
- Urządzenie z powodzeniem testuje eksplanty żywej tkanki.
- Uzyskano informacje na temat sił tarcia wpływających na żywe tkanki.
- Zidentyfikowano potencjalne nowe strategie utrzymania zdrowia stawów.
Wnioski
- Urządzenie do badania tarcia pozwala na lepsze zrozumienie oddziaływań biologicznych.
- Stanowi ono platformę dla przyszłych badań nad zdrowiem stawów.
- Dalsze studia mogą prowadzić do opracowania ulepszonych metod leczenia schorzeń stawowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowe badanie tarcia w żywych eksplantatach błony maziowej i chrząstki wypełnia krytyczną lukę we wczesnej walidacji celów układu mięśniowo-szkieletowego, umożliwiając bezpośredni pomiar odpowiedzi biomechanicznych i mechanobiologicznych przy obciążeniu fizjologicznym. Możliwość ta zwiększa wiarygodność prognostyczną w badaniach nad zdrowiem stawów i dostarcza informacji niezbędnych do dostosowania ryzyka przy rozwoju modeli istotnych dla choroby zwyrodnieniowej stawów oraz schorzeń pokrewnych. Modułowa platforma bioreaktora sprawia, że kwantyfikacja siły tarcia staje się zasobem wielokrotnego użytku w celu minimalizacji ryzyka mechanistycznego oraz rozwoju testów w całym portfolio badawczym.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia bezpośrednią weryfikację hipotez biomechanicznych na poziomie tkankowym w kontekście zdrowia stawów.
- Wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka poprzez ilościowe określanie efektów tarcia w żywej chrząstce i błonie maziowej.
- Ułatwia funkcjonalną walidację celów terapeutycznych poprzez kontrolowane, fizjologicznie istotne schematy obciążania.
- Zapewnia platformę do badań porównawczych nad środkami smarującymi i odpowiedziami tkankowymi.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia standaryzowane i powtarzalne pomiary współczynnika tarcia dla eksplantów żywej tkanki.
- Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszego przesiewowego badania smarów lub kandydatów na leki.
- Umożliwia ilościową ocenę wyników testu, takich jak współczynnik tarcia i histereza na cykl.
- Wspiera skalowalność i modułową adaptację dla różnych konfiguracji tkanek stawowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodny z biomechanicznymi modelami chorób istotnymi dla choroby zwyrodnieniowej stawów oraz degeneracji stawów.
- Umożliwia zachowanie ciągłości od mechanistycznych badań na etapie odkryć do przedklinicznej walidacji interwencji.
- Wspiera ocenę zmian biologicznych w tkankach i środowiskach smarnych przed i po przeprowadzonych testach.
- Dostarcza danych prognostycznych służących do opracowania translacyjnych strategii biomarkerów w badaniach nad zdrowiem stawów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ten bioreaktor do testowania tarcia wpisuje się w kontinuum od etapu odkryć po badania przedkliniczne, umożliwiając prowadzenie biomechanicznych badań opartych na hipotezach, opracowywanie testów oraz walidację modeli translacyjnych w badaniach nad tkanką stawową.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotezy zerowej w zakresie wpływu tarcia na żywe tkanki stawowe pod wpływem kontrolowanego obciążenia.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki współczynnika tarcia w celu standaryzacji analizy.
- Analityka: Generuje rozdzielone w czasie wykresy tarcia i histerezy do analizy porównawczej różnych warunków.
- Badania translacyjne: Łączy ustalenia mechanistyczne z przedklinicznymi modelami chorób stawów i testowaniem interwencji.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje modułową, adaptowalną platformę do wielokrotnego zastosowania w różnych typach tkanek stawowych i schematach doświadczalnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad biomechaniką stawów.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przepływy pracy w testach tarcia i umożliwia reprodukowalne, skalowalne generowanie danych.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) w odniesieniu do celów i interwencji dotyczących zdrowia stawów, co poprawia efektywność kapitałową.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację modeli istotnych dla danej choroby oraz potencjalnych terapii z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w pobieraniu tkanek, badaniach biomechanicznych i analizie danych.
- Wymaga dostępu do modułowej aparatury do badania tarcia oraz oprogramowania analitycznego (np. MATLAB).
- Wymaga standaryzacji protokołów przygotowania tkanek i obciążania pomiędzy zespołami.
- Dzięki modułowym komponentom metoda jest możliwa do dostosowania do różnych typów tkanek stawowych i środowisk smarujących.
- Ograniczenia praktyczne obejmują zakres pomiarowy przetwornika obciążenia oraz żywotność tkanek podczas przedłużonych testów.
