Identification of friction conditions in human joints

• Autorzy: Ryniewicz A. , Ryniewicz A. M.

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja warunków tarcia w stawach człowieka

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of the paper is to explain the friction conditions and the lubrication mechanism in healthy joints, based on rheological tests of synovial fluid and the identification of structures and the shape of articular surfaces. The tests were performed on cadaver preparations of large lower limp joints: hip, knee, and ankle joints. The analysis included combined experimental activities with the use of modern research and test techniques in the area of viscosity and microscopy as well as diagnostic imaging, image analysis, modelling, and FEM simulation. The tests performed allowed for the analysis of lubrication process which can be described as bioelastohydrodynamic lubrication (BEHL). The most important are viscoelasticity properties of the synovial fluid and the process whereby the external load is taken over by the pressure generated by a set of oil wedges of synovial fluid formed by naturally wavy articular surface. The multi-layer structure of the joints is characterised by variable wavy shape of cartilaginous surfaces and of bone tissue and by the variable wavy thickness of the cartilage.

PL

Celem opracowania jest wyjaśnienie warunków tarcia i mechanizmu smarowania w stawach prawidłowych na podstawie badań reologicznych cieczy synowialnej i identyfikacji struktur oraz kształtu powierzchni stawowych. Materiałem badań były stawy z preparatów kadawerskich. Badano duże stawy kończyny dolnej: biodrowe, kolanowe i skokowe górne. Analiza obejmowała skojarzone działania eksperymentalne z wykorzystaniem nowoczesnych technik badawczych w obszarze lepkości i mikroskopii oraz diagnostyki obrazowej, analizy obrazu, modelowania i symulacji numerycznej MES. Przeprowadzone badania pozwoliły na analizę procesu smarowania, który może być określony bioelastohydrodynamicznym smarowaniem (BEHL). Dominujące znaczenie mają lepkosprężyste właściwości mazi stawowej oraz proces polegający na przejęciu obciążenia zewnętrznego przez ciśnienie generowane w układzie klinów smarnych wypełnionych mazią a utworzonych przez anatomicznie pofalowane powierzchnie stawowe. W wielowarstwowej budowie stawów występuje falista zmiana kształtu powierzchni chrzęstnych, falista zmiana kształtu powierzchni kostnych oraz falista zmiana grubości tkanki chrzęstnej.

Słowa kluczowe

EN

biobearing; structural and anatomical identification; biomechanics; BEHL

PL

biołożysko; identyfikacja strukturalna i anatomiczna; modelowanie; biomechanika; BEHL

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 3
• Strony: 127--136
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Ryniewicz A.

• Cracow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Laboratory of Coordinate Metrology, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków, Poland

autor

Ryniewicz A. M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, al. A. Mickiewicza 30, 31-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• 1. Choudhury D., Ghosh S., Ali F., Vrbka M., Hartl M., Krupka I.: The Influence of Surface Modification on Friction and Lubrication Mechanism Under a Bovine Serum–Lubricated Condition. Tribology Transactions, 59, 2, 2016, 316–322.
• 2. Li F., Wang A., Wang C.: Analysis of friction between articular cartilage and polyvinyl alcohol hydrogel artificial cartilage. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 27, 5, 2016, 1–8.
• 3. Moore A. C., Burris D. L.: Tribological rehydration of cartilage and its potential role in preserving joint health. Osteoarthritis and Cartilage, 25, 1, 2017, 99–107.
• 4. Tian Q., Lou J., Mikkola A.: A new elastohydrodynamic lubricated spherical joint model for rigid-flexible multibody dynamics. Mechanism and Machine Theory, 107, 2017, 210–228.
• 5. Ryniewicz A.M.: Identification, modelling and biotribology of human joints, AGH University of Science and Technology Press, Kraków 2011.
• 6. Ryniewicz A. M.: Analysis of the lubrication mechanism of the human hip joint. Monograph No. 111, UWND AGH, Kraków 2002.
• 7. Murakami T., Yarimitsu S., Sakai N., Nakashima K., Yamaguchi T., Sawae, Y.: Importance of Adaptive Multimode Lubrication Mechanism in Natural Synovial Joints. Tribology International, 2016.
• 8. Singh N.: Synovial Joints and Lubrication mechanisms. International Journal of Computational and Applied Mathematics, 12, 1, 2017, 29–33.
• 9. Opinion No. 146 KBL/OIL/2003 of the 11th of June 2003, the Bioethics Committee of the District Medical Chamber in Cracow.
• 10. Opinion No. 146 KBET/434/B/2003 of 29 May 2003 of the Bioethics Commission of the Jagiellonian University.
• 11. Jahn S., Seror J., Klein J.: Lubrication of articular cartilage. Annual Review of Biomedical Engineering, 18, 2016, 235–258.
• 12. Ermakov S., Beletskii A., Eismont O., Nikolaev V.: Modern Concepts of Friction, Wear and Lubrication of Joints. In Liquid Crystals in Biotribology Springer International Publishing, 2016, 99 121.
• 13. Ermakov S., Beletskii A., Eismont O., Nikolaev V.: Effect of Liquid Crystals on Biological Mechanisms of Reducing Joint Friction. In Liquid Crystals in Biotribology. Springer International Publishing, 2016, 123–166.
• 14. Wu Y., Ferguson S. J.: The influence of cartilage surface topography on fluid flow in the intra-articular gap. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2016, 1–10.
• 15. Ryniewicz A. M., Ryniewicz A., Lekka M.: The analysis of surface layer of the articular cartilage using modern microscopic techniques, Przegląd Lekarski, 64, 2007, 140–146.
• 16. Andreisek G., Weiger M.: T2* mapping of articular cartilage: current status of research and first clinical applications. Invest Radiol., 49, 1, 2014, 57–62.
• 17. Ryniewicz A.: Accuracy assessment of biobearings elements shape mapping in in vivo and in vitro analysis, Publishing House of the Warsaw University of Technology, Warszawa 2013.
• 18. Tuan R. S., Korkusuz F. : Joint Cartilage. In Musculoskeletal Research and Basic Science. Springer International Publishing, 2016, 367–386.
• 19. Orozco L., Munar A., Soler R., Alberca M., Soler F., Huguet M., Sentis J., Sanches A., García-Sancho J.: Treatment of knee osteoarthritis with autologous mesenchymal stem cells: a pilot study, Transplantation, 95, 12, 2013, 1535–1541.
• 20. Camp C. L., Stuart M.J., Krych A. J., Levy B. A., Bond J. R., Collins M. S., Dahm D. L.: CT and MRI measurements of tibial tubercle–trochlear groove distances are not equivalent in patients with patellar instability, The American journal of sports medicine, 41, 8, 2013, 1835–1840.
• 21. Rodriguez-Merchan E., Regeneration of articular cartilage of the knee: basic concepts, Articular Cartilage Defects of the Knee, Wydawnictwo Springer-Verlag, Italia 2012, 1–16.
• 22. Windt T. D., Welsch G. H., Brittberg M., Vonk L. A., Marlovits S., Trattnig S., Saris D. B. F.: Is magnetic resonance imaging reliable in predicting clinical outcome after articular cartilage repair of the knee? American journal of sports medicine, 41, 7, 2013, 1695–1702.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).