Osteochondral allograft transplantation can treat full thickness cartilage and bone lesions in the knee and other joints, but the lack of widespread articular cartilage banking limits the quantity of cartilage available for size and contour matching. To address the limited availability of cartilage, vitrification can be used to store harvested joint tissues indefinitely. Our group's reported vitrification protocol [Biomaterials 33 (2012) 6061-6068] takes 9.5 h to load cryoprotectants into intact articular cartilage on bone and achieves high cell viability, but further optimization is needed to shorten this protocol for clinical use. Herein, we use engineering models to calculate the spatial and temporal distributions of cryoprotectant concentration, solution vitrifiability, and freezing point for each step of the 9.5-h protocol. We then incorporate the following major design choices for developing a new shorter protocol: (i) all cryoprotectant loading solution concentrations are reduced, (ii) glycerol is removed as a cryoprotectant, and (iii) an equilibration step is introduced to flatten the final cryoprotectant concentration profiles. We also use a new criterion-the spatially and temporally resolved prediction of solution vitrifiability-to assess whether a protocol will be successful instead of requiring that each cryoprotectant individually reaches a certain concentration. A total cryoprotectant loading time of 7 h is targeted, and our new 7-h protocol is predicted to achieve a level of vitrifiability comparable to the proven 9.5-h protocol throughout the cartilage thickness.

中文翻译：

---

使用工程模型缩短关节软骨玻璃化冷冻保护剂的加载时间

同种异体骨软骨移植可以治疗膝关节和其他关节的全层软骨和骨病变，但缺乏广泛的关节软骨储备限制了可用于大小和轮廓匹配的软骨数量。为了解决软骨的有限可用性，玻璃化冷冻可用于无限期地储存收获的关节组织。我们小组报告的玻璃化方案 [Biomaterials 33 (2012) 6061-6068] 需要 9.5 小时才能将冷冻保护剂加载到骨骼上完整的关节软骨中并实现高细胞活力，但需要进一步优化以缩短该方案以供临床使用。在此，我们使用工程模型来计算 9.5 小时协议每个步骤的冷冻保护剂浓度、溶液玻璃化率和冰点的空间和时间分布。然后，我们采用以下主要设计选择来开发新的更短的协议：（i）降低所有冷冻保护剂加载溶液的浓度，（ii）去除甘油作为冷冻保护剂，以及（iii）引入平衡步骤以压平最终的冷冻保护剂浓度分布。我们还使用了一个新的标准——溶液玻璃化能力的空间和时间分辨预测——来评估协议是否会成功，而不是要求每个冷冻保护剂单独达到一定的浓度。目标冷冻保护剂的总加载时间为 7 小时，预计我们新的 7 小时方案将在整个软骨厚度上实现与经过验证的 9.5 小时方案相当的玻璃化水平。(i) 所有冷冻保护剂加载溶液浓度都降低，(ii) 甘油作为冷冻保护剂被去除，以及 (iii) 引入平衡步骤以压平最终的冷冻保护剂浓度曲线。我们还使用了一个新的标准——溶液玻璃化能力的空间和时间分辨预测——来评估协议是否会成功，而不是要求每个冷冻保护剂单独达到一定的浓度。目标冷冻保护剂的总加载时间为 7 小时，预计我们新的 7 小时方案将在整个软骨厚度上实现与经过验证的 9.5 小时方案相当的玻璃化水平。(i) 所有冷冻保护剂加载溶液浓度都降低，(ii) 甘油作为冷冻保护剂被去除，以及 (iii) 引入平衡步骤以压平最终的冷冻保护剂浓度曲线。我们还使用了一个新的标准——溶液玻璃化能力的空间和时间分辨预测——来评估协议是否会成功，而不是要求每个冷冻保护剂单独达到一定的浓度。目标冷冻保护剂的总加载时间为 7 小时，预计我们新的 7 小时方案将在整个软骨厚度上实现与经过验证的 9.5 小时方案相当的玻璃化水平。(iii) 引入平衡步骤以压平最终的冷冻保护剂浓度曲线。我们还使用了一个新的标准——溶液玻璃化能力的空间和时间分辨预测——来评估协议是否会成功，而不是要求每个冷冻保护剂单独达到一定的浓度。目标冷冻保护剂的总加载时间为 7 小时，预计我们新的 7 小时方案将在整个软骨厚度上实现与经过验证的 9.5 小时方案相当的玻璃化水平。(iii) 引入平衡步骤以压平最终的冷冻保护剂浓度曲线。我们还使用了一个新的标准——溶液玻璃化能力的空间和时间分辨预测——来评估协议是否会成功，而不是要求每个冷冻保护剂单独达到一定的浓度。目标冷冻保护剂的总加载时间为 7 小时，预计我们新的 7 小时方案将在整个软骨厚度上实现与经过验证的 9.5 小时方案相当的玻璃化水平。