On random expected values variations of tribology parameters in human hip joint surfaces

• Autorzy: Wierzcholski Krzysztof , Gospodarczyk Jacek

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.6898

Warianty tytułu

PL

O zmianach losowych wartości parametrów tribologicznych na powierzchniach stawów biodrowych człowieka

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents recent progress in the knowledge concerning the stochastic theory of bio- hydrodynamic lubrication with a phospholipids bilayer. On the basis of experimental measurements and analytical solutions, the research concerns the determination of the random expectancy values of load carrying capacity, the friction coefficient, and synovial fluid dynamic variations. After numerous measurements, it directly follows that the random density function of the gap height in the human joint usually indicates a disorderly increases and decreases in the height. Such irregular gap height variations have an important influence on the random synovial bio-fluid dynamic viscosity. This finally leads to the friction coefficient and cartilage wear changes of cooperating bio- surfaces. The main topic of this paper relates to the expectancy values of the tribology parameters localized inside the variable stochastic standard deviation intervals of the human joint gap height. The results obtained finally indicate the influence of the random roughness and growth of living biological cartilage surfaces on the expectancy values of the synovial fluid dynamic viscosity, load carrying capacity and friction forces in human hip joints.

PL

Niniejsza praca przedstawia ostatnie osiągnięcia wiedzy w zakresie losowej teorii biohydrodynamicznego smarowania z udziałem fosfolipidów. Badania dotyczą losowych wartości oczekiwanych dla nośności, współczynników tarcia, zmian lepkości dynamicznej cieczy synowialnej, przeprowadzone na podstawie pomiarów doświadczalnych i obliczeń analitycznych. Z przeprowadzonych pomiarów doświadczalnych wynika, że losowa funkcja gęstości wysokości szczeliny w stawach człowieka wykazuje zazwyczaj nieprzewidywalne zmiany wysokości szczeliny. Takie nieregularne zmiany mają istotny wpływ na wartość lepkości cieczy biologicznej. Dlatego zmienia się współczynnik tarcia oraz zużycie biopowierzchni. Głównym celem pracy jest wyznaczenie losowej wartości oczekiwanej parametrów tribologicznych umiejscowionych wewnątrz zmiennego losowego przedziału odchylenia standardowego wysokości szczeliny stawu człowieka. Końcowe rezultaty uzyskane w pracy wykazują wpływ losowych chropowatości oraz wzrostu żywych powierzchni chrząstki stawowej na losowe wartości oczekiwane lepkości dynamicznej cieczy synowialnej, nośności, siły tarcia w stawie biodrowym człowieka.

Słowa kluczowe

EN

human hip joint; random load carrying capacity; friction forces; random synovial bio-fluid dynamic viscosity; stochastic expected values variations; phospholipids bilayer; analytical stochastic solutions; experimental; measurements

PL

staw biodrowy człowieka; losowa siła nośna; siły tarcia; losowa lepkość dynamiczna biocieczy; zmiany wartości oczekiwanych; dwuwarstwa fosfolipidowa; losowe rozwiązania analityczne; pomiary eksperymentalne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2021
• Tom: nr 3
• Strony: 45--56
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Wierzcholski Krzysztof

• University of Economy (WSG)

• https://orcid.org/0000-0002-9074-4200

autor

Gospodarczyk Jacek

• University of Economy (WSG)

• https://orcid.org/+0000-0001-8248-9329

Bibliografia

• 1. Andersen O.S., Roger E., et.al.: Bilayer thickness and Membrane Protein Function: An Energetic Perspective, “Annular Review of Biophysics and Biomolecular Structure” 2014, 36 (1), pp. 107–130.
• 2. Bhushan B.: Handbook of Micro/Nano Tribology, second ed. CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington D.C. 1999.
• 3. Bhushan B.: Nanotribology and nanomechanics of MEMS/NEMS and BioMEMS/BioNEMS materials and devices, “Microelectronic Engineering” 2007, 84, pp. 387–412.
• 4. Wierzcholski K.: A New Progress in Random Hydrodynamic Lubrication for Movable Non-Rotational Curvilinear Biosurfaces with Phospholipid Bilayers, Lidsen Publishing Inc, Recent Progress in Materials, 2021, volume 3, issue 2, p.1-38doi:10.21926/rpm.2102023, http://www.lidsen.com/journals/rpm/rpm-03-02-023.
• 5. Wierzcholski K., Miszczak A.: Estimation of Random Bio-Hydrodynamic Lubrication Parameters for Joints with Phospholipid Bilayers, “Bulletin of Polish Academy of Sciences Technical Sciences” vol. 69 (1) e135834, DOI:10.24425/bpasts. 2021.135834.
• 6. Cwanek J.: The usability of the surface geometry parameters for the evaluation of the artificial hip joint wear. Rzeszów University Press, Rzeszów 2009.
• 7. Mow V.C., Ratcliffe A., Woo S.: Biomechanics of Diarthrodial Joints, Springer Verlag, Berlin–Heidelberg New York 1990.
• 8. Wierzcholski K.: Time depended human hip joint lubrication for periodic motion with stochastic asymmetric density function, “Acta of Bioengineering and Biomechanics”, 2014 16 (1), pp. 83–97.
• 9. Chagnon G., Rebouah M., Favier D.: Hyper-elastic Energy Densities for Soft Biological Tissues: A Review. “Journal of Elasticity” 2015 Aug., 120 (2), pp. 129–160.
• 10. Gadomski A., Bełdowski P., Miguel Rubi J., Urbaniak W., Wayne K., Auge W.K., Holek I.S.,Pawlak Z.: Some conceptual thoughts toward nano-scale oriented friction in a model of articular cartilage, “Mathematical Biosciences” 2013, 244, pp. 188–200.
• 11. Hills B.A.: Oligolamellar lubrication of joint by surface active phospholipid, “Journal of Reumatology” 1989, 16, pp. 82–91.
• 12. Hills B.A.: Boundary lubrication in vivo, “Proc. Inst. Mech. Eng. Part H: J. Eng. Med.” 2000, 214, pp. 83–87.
• 13. Marra J., Israelachvili J.N.: Direct measurements of forces between phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine bilayers in aqueous electrolyte solutions, “Biochemistry” 1985, 24, pp. 4608–4618.
• 14. Schwarz I.M., Hills B.A.:Synovial surfactant: Lamellar bodies in type B synoviocytes and proteolipid in synovial fluid and the articular lining, “British Journal of Rheumatology” 1966, 35 (9), pp. 821–827.
• 15. Pawlak Z., Urbaniak W., Hagner-Derengowska M.W.: The Probable Explanation for the Low Friction of Natural Joints, “Cell Biochemistry and Biophysics” 2015, 71 (3), pp. 1615–1621.
• 16. Wierzcholski K., Miszczak A.: Mathematical principles and methods of biological surface lubrication with phospholipids bilayers, 2019, www.elsevier.com.Biosystems, https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2018 11,002
• 17. Petelska A.D., Figaszewski Z.A.: Effect of pH on interfacial tension of bilayer lipid membrane, “Biophysical Journal” 2000, 78, pp. 812–817.
• 18. Fisz M.: Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka matematyczna, PWN, Warszawa 1958.
• 19. Wierzcholski K., Miszczak A.: Electro-Magneto-Hydrodynamic Lubrication, “Open Physics” 2018, 16 (1), pp. 285–291.
• 20. Wierzcholski K.: Joint cartilage lubrication with phospholipids bilayer, “Tribologia” 2016, 2 (265), pp. 145–157.
• 21. Wierzcholski K.: Topology of calculating pressure and friction coefficients for time-dependent human hip joint lubrication, “Acta of Bioengineering and Biomechanics“ 2011, 13 (1), pp. 41–56.
• 22. Pawlak Z., Petelska A.D., Urbaniak W., Fusuf K.Q., Oloyede A.: Relationship Between Wettability and Lubrication Characteristics of the Surfaces of Contacting Phospholipids-Based Membranes, “Cell Biochemistry and Biophysics“ 2012, 65 (3), pp. 335–345.
• 23. Syrek P.: Analiza parametrów przestrzennych aplikatorów małogabarytowych, wykorzystywanych w magnetoterapii. AGH University of Sciences and Technology, Kraków 2010, doctor thesis.
• 24. Pawlak Z., Figaszewski Z.A., Gadomski A., Urbaniak W., Oloyede A.: The ultra–low friction of the articular surface is pH-dependent and is built on a hydrophobic underlay including a hypothesis on joint lubrication mechanism, “Tribology International” 2010, 43, pp. 1719–1725.
• 25. Gospodarczyk J. et all: Estimating Vehicle Speed Based on Image Camera, “Health and Sport“ 2016; 6(4):122-126,doi.http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.49880, http://ojs.ukw.edu.ol/index.php/johs/article/view/3456.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).