Tribological properties and tribochemical conversion of bionic lubricants based on sodium hyaluronate

• Autorzy: Molenda J.

Warianty tytułu

PL

Właściwości tribologiczne i konwersja tribochemiczna bionicznych kompozycji smarowych zawierających hialuronian sodu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the study was to investigate the influence of the sodium hyaluronate in water on the tribological properties of the composition as well as an instrumental analysis of changes in the molecular structure of the bionic lubricant during friction. Tribological tests were carried out using a MCR 102 rheometer in a ball-plate combination made of bearing steel. Based on the recorded friction coefficient values, it was found that a significant improvement in friction conditions may be achieved using a composition containing 0.5% (m / m) of sodium hyaluronate in water. In this case, the value of the friction coefficient can be even below 0.1. This effect was also reflected in the minimization of material loses by about 24% compared to the wear of a friction pair lubricated only with water. During friction, the active component of the lubricant is subjected to tribo-chemical conversion and the resulting products are deposited on the working surfaces of the friction pair. The chemical structure of the resulting products was examined using SEM/EDS, XPS and FTIR. It was found that the active chemical moieties undergoing chemical conversion are the oxygen and nitrogen functional groups present in sodium hyaluronate.

PL

Celem pracy było zbadanie wpływu stężenia soli sodowej kwasy hialuronowego w wodzie na właściwości tribologiczne kompozycji oraz instrumentalna analiza zmian struktury cząsteczkowej zastosowanego bionicznego środka smarowego przebiegających podczas tarcia. Badania tribologiczne przeprowadzono za pomocą reometru MCR 102 w skojarzeniu typu kula–płytki, wykonanym ze stali łożyskowej. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów współczynnika tarcia stwierdzono, iż istotną poprawę warunków tarcia uzyskano w przypadku stosowania kompozycji zawierającej 0,5% (m/m) hialuronianu sodu w wodzie. W tym przypadku wartość współczynnika tarcia może wynosić nawet poniżej 0,1. Efekt ten przekłada się też na minimalizację zużycia materiałowego o około 24% w porównaniu z zużyciem węzła smarowanego jedynie wodą. Podczas tarcia zastosowany aktywny komponent środka smarowego podlega konwersji tribochemicznej, a powstające produkty są deponowane na roboczych powierzchniach węzła tarcia. Strukturę chemiczną powstających produktów zbadano za pomocą SEM/EDS, XPS oraz FTIR. Stwierdzono, iż aktywnymi ugrupowaniami strukturalnymi podlegającymi konwersji chemicznej są tlenowe i azotowe grupy funkcyjne, obecne w hialuronianie sodu.

Słowa kluczowe

EN

bionic lubricants; sodium hyaluronate; anti-wear properties; tribochemical conversion

PL

bioniczne środki smarowe; hialuronian sodu; właściwości przeciwzużyciowe; konwersja tribochemiczna

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 1
• Strony: 71--80
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Molenda J.

• Institute for Sustainable Technologies – NRI, 26-600 Radom, ul. Pułaskiego 6/10, Poland

Bibliografia

• 1. Stodolnik B.: Biological and material tests of Endocast and Endocast SL cobalt alloys for medical usage. Mechanika w Medycynie, 2002, 6, pp. 159–165 (in Polish).
• 2. Madej M., Kowalczyk J., Ozimina D.: Tribological wear of polythene UHMWPE applied in biotribological systems. Tribologia, 2012, 1, pp. 93–108 (in Polish).
• 3. Shi B., Ajayi B. O., Fenske G., Erdemir A., Liang H.: Tribological performance of some alternative bearing materials for artificial joints. Wear, 2003, 255, pp. 1015–1021.
• 4. Niemczewska-Wójcik M., Piekoszewski W.: The analysis of the tribological processes occurring in the socketand-ball friction pair of a hip joint endoprosthesis. Tribologia, 2015, 6, pp. 81–92 (in Polish).
• 5. Gierzyńska-Dolna M., Wiśniewska-Weinert H., Adamus J.: Tribological and material conditionings of the hip endoprostheses application. Tribologia, 2009, 1, pp. 47–62 (in Polish).
• 6. Niemczewska-Wójcik M., Mańkowska-Snopczyńska A., Piekoszewski W.: The tribological research of materials for use in a medical technique. Tribologia, 2015, 4, pp. 111–122 (in Polish).
• 7. Wierzcholski K.: Tribological aspects of bionics, 2010, 6, pp. 199–208 (in Polish).
• 8. Mastykowska J., Karpiński M., Klekotka M., Popko J., Dąbrowski J.: Rheological and tribological properties of synovial fluids, 2013, XVI, pp. 122–123, 64–65.
• 9. Orczykowska M., Dziubiński M.: Hyaluronic acid as liquid determining sliding characteristics of synovia. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2006, 6s, pp. 173–174 (in Polish).
• 10. Cong-Truyen Dong, Duc-Nam Nguyen: Microscale tribological response of human osteoarthritic articular cartilage under the boundary lubrication of hyaluronic acid. 5th Int. Conf. on Biomedical Eng. (Vietnam), IFMBE Proceedings, 2015, 46, pp. 235–238.
• 11. Park J.B., Duong C. T., Chang H. G, Sharma A. R., Thompson M. S., Park S., Kwak B. C., Kim T. Y., Lee S. S., Park S.: Role of hyaluronic acid and phosholipid in the lubrication of cobalt-chromium head for total hip arthroplasty. Biointerphases, 2014, 9, 3, 031007.
• 12. Valle-Delgado J. J., Johansson L-S., Ӧsterberg M.: Bioinspired lubricating films of cellulose nanofibrils and hyaluronic acid. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2016, 138, pp. 86–93.
• 13. Wu T. T., Gan X. Q., Cai Z. B., Zhu M. H., Qiao M. T., Yu H. Y.: The lubrication of hyaluronic acid and chondroitin sulfate on the natural temporomandibular cartilage under torsional fretting wear. Lubr. Sci., 2015, 27, 1, pp. 29–44.
• 14. Lee D. W., Banquy X., Das S., Cadirov N., Jay G., Israelachvili J.: Effects of molecular weight of grafted hyaluronic acid on wear initiation. Acta Biomaterialia, 2014, 10, pp. 1817–1823.
• 15. Scholes S., College C., Taylor A., Mahdi M., Smith A., Joyce T.: Potential synthetic biolubricants as alternative to bovine serum. Lubricants 2016, 4, 38.
• 16. Hua Z. K., Su S. H., Zhang J. H: Tribological study on new therapeutic bionic lubricants. Trib. Lett., 2007, 28, pp. 51–58.
• 17. Yang Y., Sun C., Wilhelm M. E., Fox L.J., Zhu J., Kauffman L.J.: Influence of chondroitin sulfate and hyaluronic acid on structure, mechanical properties, and glioma invasion of collagen I gels. Biomaterials, 2011, 32, pp. 7932–7940.
• 18. Hyemin Kim, Hyeonseon Jeong, Seulgi Han, Songeun Beack, Byung Woo Hwang, Myeonghwan Shin, Seung Soo Oh, Sei Kwang Hahn: Hyaluronate and its derivatives for customized biomedical applications. Biomaterials, 2017, 123, pp. 155–171.
• 19. Molenda J.: Rheological properties of bionic lubricant compositions. Tribologia, 2017, 6, pp. 53–58.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).