On the Important Meaning of Bio-Liquid Dynamic Viscosity Variations in the Lubrication Flows

• Autorzy: Wierzcholski Krzysztof , Gospodarczyk Jacek

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.8987

Warianty tytułu

PL

O ważnym znaczeniu zmian lepkości dynamicznej cieczy biologicznej w przepływach smarujących

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main topic of this paper refers to the numerous relations between the decrements of the dynamic viscosity of non-Newtonian bio-liquid lubricated human joints on the one hand and, on the other hand, with consequences resulting from various diseases such as low fitness and low skills of human limbs, joint unfitness, large wear of cooperating cartilage bio-surfaces. Additionally, this paper indicates the pharmacology methods performed in vivo to enhance the bio-liquid lubricant dynamic viscosity. After numerous experimental measurements, it directly follows that the collagen fibre, hyaluronate acid particle, power hydrogen ion concentration pH in lubricating bio-liquid and absorbability features of lubricated bio-surface have a direct and indirect significant influence on the bio-liquid dynamic viscosity values variations with interfacial energy distribution across the film thickness. The results presented in this paper are confirmed based on experimental measurements and analytical, numerical solutions of the load-carrying capacity, friction coefficient and bio-liquid dynamic variations performed for various human joints. These effects were simply disregarded in previous studies. The aforementioned problem has not been considered in contemporary research literature in the medical tribology domain to the Author's best knowledge. The results obtained should enable one to introduce more effective and accurate therapeutic protocols into the human joint treatment regimen. The results obtained have applications on a wide scale in spatiotemporal models in bio-tribology, biology and health science.

PL

Główny temat pracy dotyczy licznych związków pomiędzy spadkiem lepkości dynamicznej nienewtonowskiej biocieczy smarującej stawy człowieka z jednej strony a konsekwencjami powodowanymi przez różne choroby z drugiej strony, takimi jak: mała sprawność oraz zręczność kończyn, brak sprawności stawów, znaczne zużycie powierzchni chrząstki. Niniejsza praca przedstawia dodatkowo farmakologiczne metody powiększania in vivo lepkości dynamicznej smarującej cieczy biologicznej. Z licznych eksperymentalnych pomiarów wynika, że włókna kolagenowe, cząsteczki kwasu hialuronowego, potęgowa koncentracja jonów wodorowych pH w biologicznej cieczy smarującej oraz właściwości absorbcji smarowanej powierzchni chrząstki, mają istotny pośredni i bezpośredni wpływ na zmiany lepkości dynamicznej oraz rozkład energii wewnętrznej w poprzek grubości warstwy cieczy biologicznej. Przedstawione w pracy rezultaty potwierdzone zostały na podstawie eksperymentalnych pomiarów oraz analityczno-numerycznych obliczeń siły nośnej, współczynnika tarcia, zmian lepkości dynamicznej smarującej cieczy biologicznej, przeprowadzonych dla różnych stawów człowieka. We wcześniejszych badaniach takie efekty były pomijane. Według informacji autorów, rozpatrywany problem nie był rozpatrywany we współczesnych badaniach literaturowych tribologii medycznej. Przedstawione rezultaty umożliwią wykonywanie bardziej dokładnych leczniczych protokołów w trakcie wykonywania zabiegów dla stawów człowieka. Wyniki uzyskane w pracy znajdują zastosowanie na szeroką skalę w czasowo-przestrzennych modelach biotribologii oraz nauki o zdrowiu.

Słowa kluczowe

EN

bio-liquid dynamic viscosity variations; bio-liquid dynamic viscosity; hip joint; human hip joint; hip joint disease; viscosity of the joint lubricant biofluid; lubrication of joint surfaces; biological surface area of ponds; experimental research on hip joints

PL

lepkości dynamicznej biocieczy; zmiany; staw biodrowy; człowiek; choroby stawów biodrowych; lepkość biocieczy smarującej stawy; smarowanie; powierzchnia biologiczna stawów; badania eksperymentalne stawów biodrowych

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 1
• Strony: 83--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.,, tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Wierzcholski Krzysztof

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

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

autor

Gospodarczyk Jacek

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

• 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, 201436 (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, pp. 1–38, doi :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/bpasts2021.135834.
• 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., Miszczak A.: Mathematical principles and methods of biological surface lubrication with phospholipids bilayers2019, www.elsevier.com.Biosystems, https://doi.org/10.1016/j.biosystems2018.
• 9. Chizhik S., Wierzcholski K., Trushko A., Zhytkowa M., Miszczak Andrzej: Properties of cartilage on macro and nanolevel. Advances in Tribology, Hindawi Publishing Corporation, New York 2010,http://www.hindawi.com/journals/at/2010/243150/.
• 10. Wierzcholski K.: The Elements of Technical Biomechanics Monograph (pp. 1–127), Published by K. Wierzcholski, Koszalin University of Technology, ISBN 978-83-923367-6-3, Koszalin 2011/2012.
• 11. Wierzcholski K.,Gospodarczyk J.: On Random Expected Values Variations of Tribology Parameters in Human Hip Joints Surfaces. Tribologia 3/2021, pp.45–56, Doi :10.5604/01.3001.0015.6898, ISSN
• 12. Wierzcholski K.: Nanotribology impact of run-walk, electro-magnetic hydrodynamic human joint and skin lubrication on the slimming and metabolic process. Annals of Nanoscience & Nanotechnology2017, vol. 1, issue 1, artic. 1, pp. 1–7, http://remedypublications.com/annals-of-nanoscience-andnamotechnology-articles/pdfs /folder/ annt-v1-id1001.pdf.
• 13. Wierzcholski K., Miszczak A.: Electro-Magneto-Hydrodynamic Lubrication Open Physics, 2018, 16(1), pp. 285–291.
• 14. Wierzcholski K.: Joint cartilage lubrication with phospholipids bilayer, Tribologia 2016, 2 (265),pp. 145–157.
• 15. 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.
• 16. 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.
• 17. Ziegler B., Wierzcholski K., A new measurements method of friction forces regarding slide journal bearing by using AE. Tribologia 2010, 1(229), pp. 149–156.
• 18. 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.
• 19. Petelska A.D., Figaszewski Z.A.: Effect of pH on interfacial tension of bilayer lipid membrane, Biophysical Journal 2000, 78, pp. 812–817.
• 20. https://en.wikipedia.org/wiki/sound intensity.
• 21. Wierzcholski K.: Acoustic Emission Diagnosis For Human Joint Cartilage Diseases Acta of Bioengineering and Biomechanics 2015, vol. 17, No. 4, doi :105277/abb-00256,pp.www.actabio.pwr.wroc.p, vol. 17, no. 4, pp. 139–148.
• 22. Ziegler B., Wierzcholski K., Miszczak A.:A new method of measuring the operating parameters of slide journal bearing by acoustic emission, Tribologia 2009, 6, (228), pp.165–174.
• 23. Ziegler B.: Application of acoustic emission to identification of lubrication conditions of slide journal bearing (Zastosowanie emisji akustycznej do identyfikacji warunków smarowania łożysk ślizgowych), PhD. Dissertation Thesis, Technical University Koszalin, 12 October 2010.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).