This thesis examines aspects of solute partitioning and diffusion in articular cartilage and solute adsorption to its surfaces, and discusses their potential applications in functional assessment of cartilage. Investigation of temperature dependence of solute transport in cartilage showed general trends of increased partition coefficient and diffusivity with increasing temperature for a range of fluorescent solutes including fluorescein isothiocyanate, 4 and 40 kDa dextrans, myoglobin, insulin and chondroitin sulfate. Unexpected behaviours of some solutes and small but significant changes in water and glycosaminoglycan contents of explants underscored the importance of solute– matrix interactions. Examining solute adsorption onto cartilage surfaces revealed that ignoring adsorption effects results in measurements of apparent partition coefficients (K_a) significantly greater than actual ones (K). The differences between K_a and K increased with increasing explant surface-to-volume ratio. Solutes studied included 3 or 4 kDa and 40 kDa dextrans, chondroitin sulfate, insulin and myoglobin labeled with three different fluorophores and fluorophores alone. A theoretical model was also developed to predict the resulting errors in K measurements and to estimate K based on K_a data. Finally, solute adsorption onto cracked surfaces of mechanically injured and sliced cartilage explants was observed to be significantly lower than intact surfaces. Studied solutes included fluorescently labeled native dextran, dextrans modified with aldehyde groups or a chondroitin sulfate (CS)-binding peptide and the peptide alone. Adsorption at intact surfaces of injured and sliced explants was found to be less reversible than at surfaces of uninjured explants. Modification of dextrans with aldehyde groups or the peptide enhanced the adsorption with the same level of differential adsorption to cracked and intact surfaces. These findings indicate that solute adsorption to cartilage is sensitive to structural or biochemical changes at otherwise healthy-looking tissue surfaces which may be exploited as a potential mechanism for detection of focal injuries.

Cette thèse examine les aspects de la partitionnement et de la diffusion des solutés dans le cartilage articulaire ainsi que l’adsorption des solutés sur ses surfaces et discute leurs applications potentielles dans l'évaluation fonctionnelle du cartilage. Étude de la dépendance de la température de transport de soluté dans le cartilage a montré une tendance générale de l'augmentation du coefficient de partage et de la diffusivité à température croissante pour une gamme de solutés fluorescents y compris l'isothiocyanate de fluorescéine, 4 et 40 kDa dextranes, la myoglobine, l'insuline et du sulfate de chondroïtine. Comportements inattendus de certains solutés et des variations faibles mais significatives du contenu de l'eau et des glycosaminoglycanes dans les explants ont souligné l'importance des interactions soluté-matrice. L'examen de l'adsorption du soluté sur les surfaces de cartilage a révélé qu’ignorer les effets d'adsorption donne lieu à des mesures de coefficients de partage apparent (K_a) significativement plus grandes que celles réelles (K). Les différences entre K_a et K ont augmenté en augmentant le ratio de la surface sur volume des explants. Solutés étudiés comprenaient 3 ou 4 kDa et 40 kDa dextranes, sulfate de chondroïtine, l'insuline et la myoglobine conjugués avec trois fluorophores différents et des fluorophores seuls. Un modèle théorique a également été développé pour prédire les erreurs dans les mesures de K et d'estimer le K à partir des données de Ka. Enfin, l’adsorption de soluté à les fissures du cartilage blessé mécaniquement et tranché a été observée d’être significativement moins que les surfaces intactes. De plus, il a été trouvé que l'adsorption sur les surfaces intactes des explants blessés et tranchés était moins réversible que sur les surfaces des explants indemnes. Ces résultats suggèrent que l’adsorption de soluté sur les surfaces de cartilage peut être exploitée comme un mécanisme potentiel pour la détection des lésions de surface et aussi des changements structurels ou biochimiques au niveau des surfaces qui ressemblent visuellement sain. Les solutés étudiés ont été dextrane natif, dextranes modifiés par l'aldéhyde ou par un peptide de liaison de sulfate de chondroïtine (CS) et le peptide seul, tout conjugué avec les fluorophores. Modification de dextranes avec l'aldéhyde ou le peptide a amélioré l'adsorption avec le même niveau d'adsorption différentielle sur des surfaces fissurées et intactes.