Karl Fischer titration and coulometry for measurement of water content in small cartilage specimens / Bestimmung des Wassergehalts in kleinen Knorpelproben durch Karl-Fischer-Titration und Coulometrie
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Gunter Spahn
Abstract
This study evaluated the efficiency of Karl Fischer titration and coulometry for measurement of water content in small intact and defective cartilage specimens. Cartilage from the main weight-bearing zone of the medial condyle of 38 fresh sheep knees was used. Of these, 20 condyles had an intact cartilage, while defects (14 grade I and 4 grade II) were found in the rest. The mechanical hardness was determined as Shore A. Cartilage specimens of approximately 5 mg were analyzed in special devices for moisture measurement and then continuously heated up to 105°C. The actual measurement was performed in an electric cell (coulometry). An electrode was laminated with hygroscopic phosphorus pentoxide. In the electrochemical reaction, H and O are liberated from the electrode. The requirement for electric energy correlates with the amount of water in the specimen. The water content in intact cartilage was 66.9%. Grade I (72.6%) and grade II (77.8%) defects had significantly higher water content. Significantly higher and faster spontaneous evaporation was observed in cartilage defects at room temperature. The water content and spontaneous water evaporation correlated with significantly lower mechanical hardness. The experimental design (combined method of thermogravimetry, Karl Fischer titration, and coulometry) was sufficient for evaluating the water content in small cartilage specimens. It is also possible to measure the temperature-dependent water liberation from cartilage specimens.
Zusammenfassung
Die Untersuchungen wurden mit dem Ziel durchgeführt, den Wassergehalt in intaktem und geschädigtem hyalinen Knorpel mit der Karl-Fischer-Titration und der Coulometrie zu bestimmen. Knorpelproben wurden aus der Hauptbelastungszone des medialen Femurkondyls von 38 frischen Schafsknien entnommen. Zwanzig Kondylen waren intakt, 14-mal wurde ein erstgradiger und 4-mal ein zweitgradiger Knorpelschaden gefunden. Die mechanische Härtemessung wurde mit dem Shore Härtetester (Shore A) bestimmt. Danach wurden Proben von ca. 5 mg entnommen und mit einem speziellen Feuchtigkeitsanalysegerät untersucht. Es erfolgte eine kontinuierliche Erwärmung der Proben von Raumtemperatur bis auf 105°C. Währendessen erfolgte eine kontinuierliche, elektrische Messung der Wasserfreisetzung aus den Proben durch Coulometrie. Dabei wird das freigesetzte Wasser an einer mit dem extrem hygroskopischen Phosphorpentoxid vorbeigeleitet. Durch die elektrochemische Reaktion werden H und O aus der Elektrode freigesetzt. Diese Freisetzung korreliert mit der freigesetzten Wassermenge. Der Wassergehalt in intaktem Knorpel betrug 66,9%. In erstgradig geschädigtem Knorpel (72,6%) und zweitgradig geschädigtem Knorpel (77,8%) war der Wassergehalt signifikant höher. In geschädigtem Knorpel fand sich zudem eine signifikant höhere und schnellere spontane Verdunstung bei Raumtemperatur. Der erhöhte Wassergehalt und die spontane Verdunstung korrelierten signifikant mit dem Verlust der mechanischen Härte. Das experimentelle Design (Kombination von Thermogravimetrie, Karl-Fischer-Titration und Coulometrie) ist geeignet zur Wassergehaltsbestimmung in sehr kleinen Knorpelproben. Dabei ist es zudem möglich, die temperaturabhängige Wasserfreisetzung aus den Knorpelproben zu messen.
References
1 Appleyard RC, Burkhardt D, Ghosh P, et al. Topographical analysis of the structural, biochemical and dynamic biomechanical properties of cartilage in an ovine model of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage2003; 11: 65–77.10.1053/joca.2002.0867Suche in Google Scholar PubMed
2 Armstrong CG, Mow VC. Variations in the intrinsic mechanical properties of human articular cartilage with age, degeneration, and water content. J Bone Joint Surg Am1982; 64: 88–94.10.2106/00004623-198264010-00013Suche in Google Scholar
3 Bollett AJ, Nance JL. Biochemical findings in normal and osteoarthritic articular cartilage. 2. Chondroitin sulfate concentration and chain length, water and ash content. J Clin Invest1966; 45: 1170–1177.10.1172/JCI105423Suche in Google Scholar PubMed PubMed Central
4 Brittberg M, Winalski CS. Evaluation of cartilage injuries and repair. J Bone Joint Surg Am2003; 85-A (Suppl 2): 58–69.10.2106/00004623-200300002-00008Suche in Google Scholar PubMed
5 Buckwalter JA, Mankin HJ. Articular cartilage: tissue design and chondrocyte-matrix interactions. Instr Course Lect1998; 47: 477–486.Suche in Google Scholar
6 Comper WD, Lyons KC. Non-electrostatic factors govern the hydrodynamic properties of articular cartilage proteoglycan. Biochem J1993; 289: 543–547.10.1042/bj2890543Suche in Google Scholar PubMed PubMed Central
7 Jaffe FF, Mankin HJ, Weiss C, Zarins A. Water binding in the articular cartilage of rabbits. J Bone Joint Surg Am1974; 56: 1031–1039.10.2106/00004623-197456050-00014Suche in Google Scholar
8 Milentijevic D, Torzilli PA. Influence of stress rate on water loss, matrix deformation and chondrocyte viability in impacted articular cartilage. J Biomech2005; 38: 493–502.10.1016/j.jbiomech.2004.04.016Suche in Google Scholar PubMed
9 Nagel H. Thermogravimetric moisture analysis of materials. Principles and practical applications. Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie 2002.Suche in Google Scholar
10 Roughley PJ, Lee ER. Cartilage proteoglycans: structure and potential functions. Microsc Res Technol1994; 28: 385–397.10.1002/jemt.1070280505Suche in Google Scholar PubMed
©2006 by Walter de Gruyter Berlin New York
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