A New Contribution in Stochastic Hydrodynamic Lubrication for Arbitrary Bio-surfaces

• Autorzy: Wierzcholski Krzysztof , Maciołek Ryszard

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0014.4766

Warianty tytułu

PL

Nowy wkład do losowego hydrodynamicznego smarowania dowolnych powierzchni biologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper shows a recent progress described in curvilinear, orthogonal coordinates of the method of estimation of stochastic bio-hydrodynamic lubrication parameters. Here are discussed real arbitrary movable, non-rotational living biological surfaces coated with phospholipid bi-layers and lubricated with biological liquids. Non-rotational, curvilinear cooperating biological surfaces take the place in various biological nods for example in sacra bone, femoral bone, knee cap, calf bone and hip joint, elbow joint, knee joint, jump joint. Moreover are assumed biological non-rotational friction nods between human skin and tightly sport dress lubricated with the sweat. The main focus of the paper was to demonstrate the influence of expected values variations and standard deviation of the human joint gap height on the hydrodynamic lubrication parameters occurring during the friction process. It is very important to notice that the random gap height variations imply on the apparent dynamic viscosity of biological fluid or synovial fluid.

PL

Niniejsza praca ujmuje nowe osiągnięcia autorów w zakresie metod oszacowywania losowych wartości hydrodynamicznych parametrów smarowania dla biologicznych powierzchni opisanych w krzywoliniowych ortogonalnych współrzędnych. Badania dotyczą dowolnych, ruchomych nieobrotowych, żywych powierzchni biologicznych pokrytych dwuwarstwą fosfolipidów, smarowanych cieczą biologiczną, fizjologiczną. Omawiane powierzchnie smarowane cieczą synowialną występują w węzłach tarcia biologicznego w stawach człowieka takich jak biodro, kolano, łokieć, paliczki, skok oraz między innymi na kości obojczykowej, łopatkowej, promieniowej, piszczelowej. Ponadto smarowanie potem występuje w węźle tarcia pomiędzy skórą człowieka a obcisłym dresem sportowym. Główne wysiłki autorów koncentrują się na badaniu wpływu zmian wartości oczekiwanej oraz odchylenia standardowego wysokości szczeliny smarnej na parametry tarcia i smarowania w węzłach tarcia biologicznego. Należy wyraźnie podkreślić, że losowe zmiany wysokości szczeliny mają wpływ na zmiany lepkości biologicznego czynnika smarującego.

Słowa kluczowe

EN

movable non-rotational bio-surfaces; curvilinear bio-surfaces; hydrodynamic stochastic lubrication; non-Newtonian bio-fluid; phospholipids bilayer; dynamic viscosity; random gap height variations; estimation of semi analytical solutions

PL

ruchome nieobrotowe powierzchnie biologiczne; krzywoliniowe powierzchnie biologiczne; smarowanie losowe; zmiana lepkości po grubości warstwy; dwuwarstwa fosfolipidowa; oszacowania wartości semi-analitycznych rozwiązań

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 3
• Strony: 63--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Wierzcholski Krzysztof

• University of Economy (WSG). Garbary 2 Street, 85-229 Bydgoszcz, Poland

autor

Maciołek Ryszard

• University of Economy (WSG). Garbary 2 Street, 85-229 Bydgoszcz, Poland

Bibliografia

• 1. Cwanek J.: The usability of the surface geometry parameters for the evaluation of the artificial hip joint wear. Rzeszów University Press, Rzeszów 2009.
• 2. Mow VC., Ratcliffe A., Woo S.: Biomechanics of Diarthrodial Joints. Springer Verlag, Berlin, N. Y. 1990.
• 3. 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.
• 4. 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.
• 5. Bhushan B.: Nanotribology and nanomechanics of MEMS/NEMS and BioMEMS/BioNEMS materials and devices. Microelectronic Engineering, 2007, 84, pp. 387–412.
• 6. Bhushan B.: Handbook of Micro/Nano Tribology, second ed. CRC Press. Boca Raton, London, New York, Washington D.C. 1999.
• 7. Chagnon G., Rebouah M., Favier D.: Hyperelastic Energy Densities for Soft Biological Tissues, A Review. Journal of Elasticity, 2015, 120 (2), pp. 129–160.
• 8. 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.
• 9. Hills B.A.: Oligolamellar lubrication of joint by surface active phospholipid. J. of Reumatology, 1989, 16, pp. 82–91.
• 10. Hills B.A.: Boundary lubrication in vivo. Proc. Inst. Mech. Eng. Part H: J. Eng. Med., 2000, 214, pp. 83–87.
• 11. Marra J., Israelachvili J.N.: Direct measurements of forces between phosphatidylcholine and phosphatidylethanolamine bilayers in aqueous electrolyte solutions, Biochemistry, 1985, 24, pp. 4608–4618.
• 12. 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.
• 13. 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.
• 14. Pawlak Z., Urbaniak W., Oloyede A.: The relationship between friction and wettability in aqueous environment of natural joints, Wear, 2011, 271, pp. 1745–1749.
• 15. Pawlak Z., Urbaniak W., Gadomski A., Kehinde Q., Fusuf K.Q., Afara I.O., Oloyede A.: The role of lamellate phospholipid bilayers in lubrication of joints. Acta of Bioeng.and Biomech., 2012, 14 (4), pp. 101–106.
• 16. 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.
• 17. Pawlak Z., Gadomski A., Sojka M., Urbaniak W., Bełdowski P.: The amphoteric effect on friction between the bovine cartilage/cartilage surfaces under slightly sheared hydration lubrication model,.Colloidsand Surfaces B: Biointerfaces, Octo. 1, 146:452–8, doi: 10.1016/j.colsurfb., 2016,06.027.
• 18. Petelska A.D., Figaszewski Z.A.: Effect of pH on interfacial tension of bilayer lipid membrane. Biophysical Journal, 2000, 78, pp. 812–817.
• 19. Wierzcholski K., Miszczak A.: Electro-Magneto-Hydrodynamic Lubrication. Open Physics, 2018, 16 (1), pp. 285–291.
• 20. Wierzcholski K., Miszczak A.: Mathematical principles and methods of biological surface lubrication with phospholipids bilayers,www.elsevier.com. Biosystems, 2019, 178 (2019), pp. 32–40.
• 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. Wierzcholski K.: Joint cartilage lubrication with phospholipids bilayer. Tribologia, 2016, 2 (265), pp. 145–157.
• 23. Wierzcholski K.: Determination of the random friction forces on the biological surfaces of human hip joint with phospholipid bilayer. Tribologia, 2019, 2, pp. 131–142.
• 24. Helwig Z.: Elements of probability calculations and mathematical statistics, in Polish: Elementy rachunku prawdopodobieństwa i statystyki matematycznej. PWN, Warszawa 1977.
• 25. Fisz M.: Probabilisty calculation and mathematical statistics, in Polish: Rachunek prawdopodobiństwa i statystyka matematyczna. PWN, Warszawa 1967.
• 26. Yuan C.Q., Peng Z., Yan X.P., Zhou X.C.: Surface roughness evaluation in sliding wear process. Wear, 2008, 265, pp. 341–348.
• 27. Syrek P.: Analiza parametrów przestrzennych aplikatorów małogabarytowych, wykorzystywanych w magnetoter- apii. AGH University of Sciences and Technology, Kraków, doctor thesis, 2010.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).