Tribological and mechanical characterization of bovine articular cartilage after treatment in EDTA

Articular cartilage is a connective tissue present in human and animal joints. Its main functions include the transmission of load across the surface to allow smooth articulation, and shock absorption. In order to pursue this aim, lubrication and low friction are provided by the tissue thanks to its complex structure and components. Its mechanical properties include high tensile and shear strength, in addition to elasticity and a fluid pressurization mechanism that provides a good resistance to compressive loads. However, joint damage is very frequent and subsequent cartilage deterioration plays a big role in this phenomenon. The mechanisms that leads to failures in cartilage are still poorly understood, especially regarding the initiation, and cartilage studies are complicated by the anisotropic properties, which are depth and strain-rate dependent. Articular cartilage, in fact, owes its properties to its complex structure that can be treated as a biphasic tissue with a solid phase (containing chondrocytes, collagen, preoteolgycans and other non collagenous proteins) and a fluid phase (water). In addition, ions have been identified as a third phase and investigated. The importance of ions, in fact, stands in their ability to move across the selective membrane, neutralizing the negative charges of proteoglycans in order to reach the Donnan equilibrium. To this aim, many studies have been conducted on the relationship between cartilage properties and ions and one previous finding motivated this work. The experiment performed was included in a study on divalent ions, using EDTA as a ion-chelator, and a custom made bioreactor to apply shear stress on cartilage. After 3 hours of test the tissue showed loss of integrity and a high level of deterioration compared to a control group treated in CaCl2, suggesting the necessity of conducting further investigation. Therefore, the present study investigated cartilage properties in tissue treated in EDTA, which should chelate divalent ions. Subsequently, the tissue was characterized at different levels of depth to relate some results to the anisotropy of the tissue. This work suggests a major role of divalent ions on the mechanical properties of articular cartilage. Also, it became evident that depth is an important variable to take into consideration for mechanical analysis of the tissue. Wear tests were performed to conduct a tribological analysis on samples treated in EDTA. A custom made bioreactor has been used to this aim to run shear test on cartilage, showing the loss of integrity of the tissue when divalent ions were chelated. Tensile tests were performed on 80µm thick dogbone shaped cartilage samples after EDTA treatment. The depth ranged from 30µm to 900µm, exhibiting a stiffer behavior in the superficial (30-110µm) and deeper(300-900µm) zones compared to the middle one (120-300µm). This work raises attention to the particular role of divalent cations in cartilage, which is still poorly understood, but appears crucial for the preservation of the tribological and mechanical properties of the tissue. In addition, this study supports the depth-dependent analysis of cartilage, which is necessary in order to understand the mechanisms that occur in the tissue.

La cartilagine articolare è un tipo di tessuto connettivo presente nelle articolazioni. Le sue funzioni principali comprendono la trasmissione del carico attraverso la superficie in modo da permettere un'adeguata articolazione e l'assorbimento degli impatti. A tale scopo, meccanismi di lubrificazione e un basso coefficiente di frizione sono garantiti dal tessuto grazie alla sua struttura complessa e ai suoi componenti. Le proprietà meccaniche includono un'alta resistenza agli sforzi di tensione e di taglio, buona elasticità e un meccanismo di pressurizzazione del fluido che fornisce una buona resistenza agli sforzi di compressione. Nonostante le buone proprietà meccaniche, i danni alle articolazioni sono molto frequenti e di conseguenza il deterioramento della cartilagine influisce su questo fenomeno. Inoltre, i motivi che portano ai danni del tessuto cartilagineo sono ancora in buona parte sconosciuti e la loro ricerca è complicata dalle caratteristiche anisotropiche del tessuto, il quale dipende da fattori come la profondità e la velocità di deformazione. La cartilagine articolare deve dunque le sue proprietà alla sua complessa struttura, che può essere semplificata con un modello bifase. Tale modello comprende una fase solida (composta da condrociti, collagene, proteoglicani a altre proteine non collaginee) e una fase fluida (costituita da acqua). Altri studi inoltre hanno identificato una terza fase composta da ioni, la quale è stata investigata. L'importanza degli ioni, infatti, risiede nella loro abilità di spostarsi attraverso una membrana selettiva, neutralizzando la carica negativa dei proteoglicani in modo da raggiungere lo stato di equilibrio di Donnan. A tale scopo, diversi studi sono stati condotti per comprendere la relazione tra le proprietà del tessuto e gli ioni, e una ricerca precedente ha motivato lo sviluppo di questo lavoro di ricerca. L'esperimento faceva parte di uno studio sugli ioni divalenti e utilizzava EDTA come ione-chelante, e un bioreattore customizzato per applicare sforzi di taglio sulla cartilagine. Dopo 3 ore di test, il tessuto ha mostrato una grande perdita di integrità e deterioramento del tessuto paragonato ad un gruppo di controllo trattato in CaCl2, suggerendo la necessità di approfondire le ricerche. Pertanto, il presente studio va ad investigare le proprietà della cartilagine quando il tessuto è trattato in EDTA, il quale si ipotizza chelare gli ioni divalenti. Successivamente, il tessuto è stato caratterizzato in relazione al livello di profondità in modo da tenere in considerazione l'anisotropia di questo. In generale questo lavoro suggerisce un ruolo rilevante degli ioni divalenti sulle proprietà meccaniche della cartilagine articolare. Inoltre, evidenzia come la profondità sia una variabile fondamentale da tenere in considerazione quando si effettua un'analisi meccanica del tessuto. Test di usura sono stati inclusi nella ricerca per effettuare un'analisi tribologica su campioni trattati in EDTA. Per tale analisi, un bioreattore customizzato è stato utilizzato per applicare sforzi di taglio sulla cartilagine, risultando in perdita di integrità del tessuto quando gli ioni divalenti erano rimossi. Inoltre, test di trazione sono stati effettuati su campioni di cartilage dalla forma a 'dogbone' e spessore di 80µm, dopo essere stati pretrattati in EDTA. Il range di profondità dei campioni usati è stato scelto tra 30µm e 900µm, mostrando un comportamento più rigido nella zona più superficiale (30-110µm) e in quella più profonda (300-900µm) rispetto alla zona di transizione (120-300µm). Questo studio infine richiama l'attenzione sul ruolo degli ioni divalenti nella cartilagine, ancora poco compreso, e che appare di cruciale importanza nella conservazione delle properietà tribologiche e meccaniche del tessuto. Inoltre, questa ricerca supporta un'analisi della cartilagine condotta per ordini di profondità, la quale è necessaria per comprendere a pieno i meccanismi coinvolti.