Articular cartilage is a tissue with a highly specialized extracellular matrix (ECM) that covers the end of long bones. The interplay of collagen fibers, proteoglycan macromolecules and interstitial fluid within the ECM allow for redistribution of complex mechanical loads and wear resistant and lowfrictional motion. Under normal circumstances, the tissue withstands millions of cycles of loading during one’s lifetime. However, overuse or traumatic incidents are often associated with progressive ECM breakdown and loss of function eventually resulting in joint diseases such as osteoarthritis (OA). As OA is accompanied with a high social and economic burden, research has been conducted in order to understand the pathological processes from a mechanical and biological point of view.

Various in vitro and in vivo models have been developed aiming to simulate the mechanical processes leading to cartilage ECM degradation under mechanical load. Mostly uni-axial compression or shear forces have been applied to small cartilage explant before investigating the cartilage’s biological response. While these studies undoubtably revealed many basic mechanism of joint degeneration, their uni-axial modeling of joint mechanics is a limitation. As has become increasingly clear, articular joints are subjected to a complex combination of compressive and tribological stimuli.

Therefore, the goal of the present thesis was to apply multi-axial mechanical stimuli to the surface of articular cartilage explants. Focus was put on a thorough analysis of the strains and stresses imposed on the cartilage ECM which was subsequently correlated with the studied biological changes. The multi-axial load consisted of the application of simultaneous compression and transversal motion of an indenter over the cartilage surface in order to mimic the complex mechanical environment of an articular joint. Focus was put on the investigation of different axial forces, sliding speeds and indenter curvatures and their effect on the mechanobiological response of the tissue. After the application of the load, the biological response of the tissue was quantified by analyzing matrix integrity, gene expression changes and the loss of matrix components. Attempts were made to correlate the mechanical impact on the ECM with the observed biological changes in order to determine loading schemes that have a detrimental effect on the cartilage tissue. This thesis encloses three studies;​ one was conducted on bovine nasal septum cartilage and the other two with articular cartilage obtained from bovine femoral condyles. The latter two are considered an improvement over the first study as the account for the curvature of articular cartilage.

We found that an increase in axial load resulted in increasing ECM strains, contact stresses and effective moduli. In addition, according to the poro-elastic nature of the cartilage, increasing the sliding speed of the indenter from 1 mm/s to 20 mm/s resulted in decreasing deformation and increasing contact stresses and effective moduli. However, no changes in these parameters were found once sliding speeds where further increased. Furthermore, reducing the curvature of the indenter resulted in similar results. From a biological perspective, sliding resulted in alterations of gene expression patterns with the regulation of catabolic markers and the loss of proteoglycan molecules. This response was particularly observed at high deformations in combination with high contact stresses around 10 MPa.

In conclusion, this thesis presents a new model to investigate mechanically-driven degenerative changes in articular cartilage. The application of physiologically more relevant cues is a clear advantage over previous studies. The results obtained will provide further knowledge to understand articular cartilage’s reaction to mechanical loads. A profound understanding of the tribological characteristics of articular motion is essential to understand degenerative joint diseases, and to develop therapies for their treatment.

Der Gelenkknorpel ist ein Gewebe mit einer hochspezialisierten extrazellulären Matrix (EZM) und ein essentieller Bestandteil jedes Gelenkes. Das Zusammenspiel von Kollagenfasern, Proteoglykanen und Interstitialflüssigkeit ermöglicht die Verteilung von komplexen mechanischen Kräften sowie eine widerstandsfähige und reibungslose Artikulation.

Unter normalen Umständen hält das Gewebe Millionen von Belastungszyklen stand. Traumatische Vorfälle und Überbelastung sind jedoch häufige Faktoren, die zu einem progressiven Abbau der EZM und dadurch zum Verlust ihrer Funktionen führt, was in schwerwiegenden Fällen in Osteoarthrose (OA) resultieren kann. OA kann zu einer grossen Einschränkung der Lebensqualität und hohen finanziellen Kosten führen. Aus diesem Grund wurde in den letzen Jahren viel Forschung betrieben um die Entstehungsmechanismen der Knorpeldegeneration aus einer mechanischen und biologischen Perspektive besser zu verstehen.

Mit dem Ziel die Vorgänge zu simulieren, die unter mechanischer Last zum Knorpelabbau führen, wurden verschiedenartige in vitro und in vivo Modelle erarbeitet. Das Prinzip der Modelle besteht darin, uniaxiale Kompression und Scherkräfte auf Knorpelexplantate zu übertragen um die darauffolgend biologischen Veränderungen im Gewebe zu analysieren. Während diese Studien viel dazu beitrugen grundlegende Mechanismen der Knorpeldegeneration zu verstehen, haben sie den Nachteil, dass sie die multi-axiale Kräfte welche auf den Knorpel wirken nur eingeschränkt repräsentieren.

Das Ziel dieser Doktorarbeit war darum, die multi-axialen Gleit-, Roll und Kompressionsbewegungen zu simulieren und auf Knorpelexplantate zu übertragen. Eine gründliche Analyse der dadurch hervorgerufenen Verformungen und Spannungen geht einer Analyse der biologischen Veränderungen voraus.

Die multi-axiale Gelenksbewegung wurde durch einen Indenter erzeugt, welcher auf eine Knorpeloberfläche gepresst und gleichzeitig horizontal verschoben wird. Bei unseren Versuchen beschränkten wir uns auf den Einfluss von axialer Kraft, Gleitgeschwindigkeit und Indentergeometrie auf die biomechanische Reaktion des Knorpels. Gleich nach dem mechanischen Test wurde die biologische Antwort des Gewebes mithilfe von gängigen Techniken wie histologischen Färbungen, Genexpressionsanalysen und der Analyse von EZM Komponenten quantifiziert. Das Ziel war, die biologische Antwort mit dem mechanischen Input zu korrelieren um Informationen über den schädlichen Effekt verschiedener Bewegungsmodelle zu erhalten. Diese Arbeit enthält Daten aus 3 verschiedenen Studien, wovon eine mit Knorpel der bovinen Nasenscheidewand und zwei mit Knorpel der bovinen Kondyle des Femurs durchgeführt wurden.

Wir fanden, dass eine Erhöhung der Axialkraft eine erhöhte Matrixverformung, -spannung sowie ein erhöhtes dynamisches Elastizitätsmodul hervorruft. Im Einklang mit der Poroelastizität des Knorpels wurde bei Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit des Indenters von 1 mm/s auf 20 mm/s eine Verminderung der Matrixverformung sowie eine Erhöhung der Matrixspannungen und des Elastizitätsmodul festgestellt. Bei einer weiteren Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit (bis 70 mm/s) wurden jedoch keine weiteren Veränderungen mehr beobachtet. Durch eine Reduktion des Indenterradius wurden ähnliche Trends beobachtet. Von der biologischen Sichtweise her führte die Anwendung von multiaxialen Bewegungsmustern auf Knorpelexplantate zu einer Veränderung der Genexpression und der Regulierung von Genen, welche mit katabolischen Prozessen in Verbindung gebracht werden, sowie zum Verlust von strukturellen EZM Proteinen. Grosse Verformungen und Spannung der EZM um die 10 MPa führten zu erhöhten katabolischen Prozessen.

Zusammenfassend präsentiert diese Dissertation eine neue Methode um mechanisch-induzierte Veränderungen des Knorpelmetabolismus zu untersuchen. Die Anwendung von physiologisch relevanten Bewegungsmustern ist ein klarer Vorteil gegenüber früheren Studien. Die Resultate liefern neues Wissen über die Reaktion von Knorpelgewebe auf mechanischem Input. In Zukunft wird es wichtig sein, in biomechanischen Studien physiologisch exaktere Bewegungsmuster anzuwenden um ein genaues Verständnis der mechanisch induzierten Knorpeldegeneration zu erhalten. Dies ist unumgänglich um degenerative Gelenkserkrankungen zu verstehen und Therapien dafür zu entwickeln.