Micro- and nano-level of bio-joint lubrication

• Autorzy: Wierzcholski K. , Chizhik S.A.

Warianty tytułu

PL

Smarowanie biołożysk na poziomie mikro i nano

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the view of many bio-joints lubrication problems in the micro- and nano- level scale. Hydrodynamic lubrication by rotation, weeping and boosted squeezing hydrodynamic lubrication of human joints is taken into account. The geometry of soft human joint surfaces distribution and its deformations must be formulated in nano- level. The solution of very important problems occurring in the field of the human joint lubrication is not possible without micro and nano- level description of geometrical structure of two cooperating cartilage surfaces. Therefore this problem is exactly determined in this paper. The analytical, and experimental research methods are taken into account. Micro- and nano-levels of problems are performed with the help of atomic force microscopy. Moreover presented paper shows the aspects of proper, suitable viscosity of synovial fluid and friction forces control to make butter possible the human joints lubrication process. Viscosity of synovial fluid and friction forces, and parameters of elasticity and hyper-elasticity module of human joint cartilage are the main parameters during the human joint lubrication. Elasticity modulus of superficial layer of cartilage has influence on the value of dynamic viscosity of synovial fluid. Moreover the synovial fluid has non-Newtonian properties. Apparent viscosity depends on share rate during the human joint lubrication.

PL

Smarowanie stawów człowieka koncentruje się w głównej mierze na tarciu granicznym oraz na tarciu mieszanym w cienkiej warstwie cieczy synowialnej, zalegającej pomiędzy łatwo odkształcalnymi powierzchniami miękkiej chrząstki stawowej, na której wysokości chropowatości zmieniają się z czasem trwania procesu smarowania. Wartości sił tarcia granicznego ulegają zmianie w przypadku zmian wysokości nierówności dochodzących do dziesiątych, nawet setnych części mikrometra. W przypadku tarcia granicznego dla powierzchni stawów, istotne są nie tylko depresje oraz największe wartości chropowatości powierzchni, ale również kształt geometryczny struktury powierzchni pomiędzy tymi miejscami. Tak więc rzeczywisty stan smarowania powierzchni stawowych uzyskamy tylko w tym przypadku, jeżeli wyznaczymy strukturę geometryczną powierzchni chrząstki stawowej w mikro-, a nawet w nano-skali. Niezbędnym warunkiem opisu rzeczywistego stanu smarowania stawu jest również opracowanie mechanizmu dużych deformacji miękkiej i łatwo odkształcalnej chrząstki stawowej w trakcie trwania smarowania. W tym czasie ma również miejsce wnikanie cieczy synowialnej do porów chrząstki stawowej. Zmiany wysokości powierzchni a także kształt tych zmian pozwoli opracować numerycznie rzeczywisty kształt szczeliny stawu, a następnie wyznaczyć rzeczywiste wartości ciśnienia hydrodynamicznego, a także wartości sił tarcia występujące w stawach.

Słowa kluczowe

EN

bio-joint; friction forces; macrostructure; microstructure; nanostructure; lubrication; scanning probe microscopy

PL

biostaw; współczynnik tarcia; makrostruktury; mikrostruktury; nanostruktury; smarowanie; mikroskop skaningowy

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2006
• Tom: nr 4
• Strony: 167--179
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

autor

Chizhik S.A.

• Gdansk University of Technology,

Bibliografia

• 1. Ahn H.-S., Chizhik S.A., Dubravin A.M., Kazachenko V.P., Popov A.V.: Application of phase contrast imaging atomic force microscopy to tribofilms on DLC coatings, Wear, 2001, 249, pp. 617-625.
• 2. Chizhik S.A., Gorbunov V.V., Myshkin N.K.: The analysis of molecular scale roughness effect on contact of solids based on computer modelling, Precision Engineering, 1995, 17, pp. 186-191.
• 3. Chizhik S.A., Gaiduk N.B., Myshkin N.K.: Computer simulation of precision contact with account of microgeometrical and mechanical heterogeneity of surfaces, Metrology & properties of engineering surfaces, in Proceedings of the 8th International conference. UK, April 2000, pp. 65-69.
• 4. Dowson D.: Bio-Tribology of Natural and Replacement Synovial Joints. In: Van Mow C, Ratcliffe A., Woo S.L-Y.: Biomechanics of Diarthrodial Joint, Springer-Verlag, New York, Berlin, Londyn, Paris, Tokyo, Hong Kong 1990, Vol. 2, Chap.29, pp. 305-345.
• 5. Johnson K.L.: Contact mechanics, Cambridge University Press, Cambridge, 1992.
• 6. Kupchinov B.I., Ermakov S.F., Beloenko E.D.: Bio Tribology of Synovial Joints, Minsk, 1997 (in Russian).
• 7. Mow V.C, Guilak F.: Cell Mechanics and Cellular Engineering, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1994.
• 8. Pascovici M.D., Cicone T.: Squeeze-film of unconformal, comliant and layered contacts, Tribology International, 2003, 36, pp. 791-799.
• 9. Podra P., Andersson S.: Wear simulation with the Winkler surface model, Wear, 1997, 207, pp. 79-85.
• 10. Scherge M., Gorb S.: Bio- Vicro- Nanotribology, Natural solutions, 2000
• 11. Sviridenok A.I., Chizhik S.A., Petrokovets M.I.: Mechanics of discrete frictional contact, Minsk, 1990 (in Russian).
• 12. Varadi K., Neder Z., Friedrich K.: Evaluation of real contacts areas, pressure distributions and contact temperatures during sliding contact between real metal surfaces, Wear, 1996, 200, pp. 55-62.
• 13. Wierzcholski K., Pytko S.: Analytical calculations for experimental dependences between shear rate and synovial fluid viscosity, Proc. of Internat. Tribology Conference, Japan Yokohama, 1995, Vol. 3, pp. 1975-1980.
• 14. Wierzcholski K.: Hydrodynamic lubrication Theory of Human Joint Gap, Russian Journal of Biomechanics, Perm, 2002, Vol. 6, No 1, pp. 34-55.