Development of a cartilage-on-chip model for the combined application of controlled compressive and shear stimuli

Osteoarthritis is the most common musculoskeletal disorder worldwide, causing substantial pain and disability, with knee osteoarthritis (KOA) being the most prevalent and debilitating form. OA is recognized as a whole-joint disease with a complex etiology, characterized by a combination of mechanical, biological, metabolic and genetic factors. Among these, mechanical dysfunction plays a central role in KOA onset and progression. Despite extensive research, current OA treatments remain mainly palliative, as no disease-modifying therapies are available. A major limitation in therapeutic development is the lack of reliable and biomechanically relevant preclinical models. In particular, most cartilage-on-chip (CoC) platforms apply a single loading mode, such as compression or shear, failing to recapitulate the multidirectional mechanical environment of the knee joint. In this study, we technologically advanced a validated CoC platform originally developed for the strain-controlled compression of 3D cartilage microtissues. By exploiting two-photon 3D printing, new microfluidic platforms were developed enabling the simultaneous application of both compression and shear strain. The shear strain was applied to the cartilage microtissues by means of two alternative technological solutions: (i) a vertical burst valve (VBV) which, thanks to the meniscus pinning effect, allows a flow-induced surface shearing at the fluid-microtissue interface; or (ii) an asymmetrical cell-culture compartment designed to produce spatially-defined shear strain regions within the cartilage microtissue. Numerical simulations and technical characterizations confirmed that both the newly developed technological solutions provide microtissue confinement and tunable compressionshear profiles. Preliminary results converge to indicate that these platforms are able to reproduce multi-modal biomechanical stimulations that move toward a more faithful mimicry of the knee mechanical environment, which makes them promising tools for preclinical investigation of OA.

L’osteoartrosi (OA) è il disturbo muscoloscheletrico più diffuso globalmente e rappresenta una delle principali cause di disabilità, con l’osteoartrosi del ginocchio che ne costituisce la forma più comune e invalidante. L’OA è riconosciuta come una malattia dell’intera articolazione, con un’eziologia complessa e multifattoriale. Tra i fattori coinvolti, la disfunzione meccanica svolge un ruolo centrale nell’insorgenza e nella progressione della patologia. Nonostante gli sforzi di ricerca, i trattamenti disponibili per l’OA sono prevalentemente palliativi, poiché non esistono terapie in grado di modificarne il decorso. Lo sviluppo di terapie efficaci è infatti ostacolato dalla mancanza di modelli preclinici biomeccanicamente rilevanti. In particolare, la maggior parte delle piattaforme di cartilage-on-chip (CoC) applica una sola modalità di carico, come compressione o taglio, non riuscendo a ricapitolare l’ambiente meccanico multidirezionale tipico del ginocchio. In questo studio abbiamo evoluto una piattaforma CoC esistente, sviluppata per la compressione controllata di microtessuti cartilaginei 3D. Sfruttando la stampa 3D a due fotoni, sono state sviluppate nuove piattaforme microfluidiche in grado di consentire l’applicazione simultanea di compressione e deformazione da taglio. La deformazione da taglio è stata applicata ai microtessuti cartilaginei mediante due soluzioni alternative: (i) una valvola verticale a scoppio (vertical burst valve) che, grazie al meniscus pinning effect, permette l’applicazione di uno shear superficiale indotto dal flusso all’interfaccia fluidomicrotessuto; oppure (ii) un compartimento di coltura cellulare asimmetrico progettato per generare regioni di deformazione spazialmente definite all’interno del microtessuto. Simulazioni numeriche e caratterizzazioni tecniche hanno confermato che entrambe le soluzioni sviluppate garantiscono il confinamento del microtessuto e profili modulabili di compressione e taglio. I risultati preliminari indicano che queste piattaforme sono in grado di riprodurre stimolazioni biomeccaniche multimodali più fedeli all’ambiente meccanico del ginocchio, rendendole strumenti promettenti per studi preclinici sull’OA.