Joint cartilage lubrication with phospholipid bilayer

• Autorzy: Wierzcholski K.

Warianty tytułu

PL

Smarowanie chrząstki stawowej z dwuwarstwą fosfolipidową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The surface of an articular cartilage human joint, coated with phospholipid bilayers or multi-layers, plays an important role in the surface-active phospholipid lubrication, friction, and wear during human limb movement. The biological bi-layer is a thin polar membrane composed of two layers of phospholipids that have a hydrophilic phosphate head (from the outside) and a hydrophobic tail (from the inside) consisting of two fatty acid chains. These membranes are flat sheets that form a continuous barrier around all cells. Synovial fluid (SF) in the human joint gap contains glycoprotein, lubricin (proteinglycan 4), and hyaluronidase, i.e. an enzyme that produces hialuron acid and ±10% phospholipids. Because the mechanism of surface articular phospholipid lubrication (SAPL) has been a frequently controversial subject in the past decade, this fact requires showing the hydrodynamic description in the form of a mathematical model of the abovementioned problem and its particular solution. To give a description of this model, it is necessary to recognize the variations of the dynamic viscosity of synovial fluid as a function of parameters depending on the presence of many phospholipid particles. To these parameters belong power (exponent) concentration of hydrogen ions (pH), cartilage wet ability (We), collagen fibre concentration in synovial fluid, and a created electrostatic field on the phospholipid membrane. Based on the Young-Laplace-Kelvin Law, initial achievements presented in scientific papers and our own investigations illustrated in this paper, the decrements, and increments of synovial fluid dynamic viscosities versus pH and wet ability (We) increases, simultaneously taking into account the influence of the intensity of charges in the electrostatic field. Moreover, this study considers the influence of collagen fibre concentration on the dynamic viscosity of synovial fluid. Based on initial considerations performed by virtue of the developed SAPL, it May be stated that the charge increments from low to high values of the electrostatic field is connected with viscosity increases of synovial fluid but only simultaneously with the pH index and cartilage wet ability variations.

PL

Dwie kostne powierzchnie trące pokryte chrząstką stawową oddzielone są cieczą synowialną w szczelinie stawu. Hydrodynamiczne smarowanie stawów z udziałem dwuwarstwy fosfolipidów zakłada, że w warstwie wierzchniej chrząstki stawowej istnieją dwie warstwy fosfolipidów o grubości ok. 2 nm w postaci dobrze zorganizowanych molekuł. Dwuwarstwa lipidowa składa się z dwóch przeciwnie uporządkowanych warstw cząsteczek lipidu z hydrofobowymi końcami węglowodorowymi zwróconymi do środka warstwy oraz polarnymi hydrofilowymi grupami fosforytowymi na zewnątrz. Dwuwarstwa lipidowa jako spontanicznie ukształtowana błona w roztworach wodnych nie przepuszcza związków organicznych i nieorganicznych oraz posiada zdolność gromadzenia równomiernego ładunku elektrycznego po obu stronach, jeśli w roztworze znajdują się jony nieorganiczne . Ciecz synowialna (SF) zalegająca w szczelinie stawu zawiera glikoproteiny, lubrycynę (proteogikan 4), hialuronidazę, czyli enzym produkujący kwas hialuronowy oraz mniej jak 10% fosfolipidów ukształtowanych w postaci liposomów. Na podstawie badań doświadczalnych dotyczących smarowania stawów naturalnych człowieka z uwzględnieniem fosfolipidów liczni autorzy, wykorzystując przeprowadzone eksperymenty natury fizykochemicznej sugerują wzrost sił nośnych oraz zmniejszenie współczynnika tarcia. Nie ma jednak badań podstawowych dotyczących zmian lepkości cieczy synowialnej od jej zwilżalności, pH, prędkości deformacji. Dlatego też w niniejszej pracy autor przedstawił własne badania wstępne odmienne od dotychczasowych. Jako przyczynek do dalszych badań autor wyznacza lepkość mazi stawowej cieczy synowialnej, natomiast nie koncentruje się na wyznaczaniu energii powierzchniowej celem obliczania poszukiwanych parametrów tribologicznych. Wyznacza się zmiany lepkości cieczy synowialnej w zależności od koncentracji jonów pH i od zwilżalności chrząstki oraz profile rozkładu prędkości i lepkości cieczy synowialnej po grubości szczeliny stawu. Praca niniejsza stanowi wstęp do dalszych badań.

Słowa kluczowe

EN

hydrophilic cartilage; lubrication; bi-layer lamellate phospholipids; geometrical data; physical data; variations of viscosity of synovial fluid; new effect prognosis

PL

chłonna chrząstka; smarowanie; dwuwarstwa fosfolipidowa; dane geometryczne; dane fizyczne; zmiany lepkości prognozy nowych efektów

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 2
• Strony: 145--157
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

• Technical University of Koszalin, Institute of Technology and Education, ul. Śniadeckich 2, 75-453 Koszalin, Poland

Bibliografia

• 1. Bhushan B.: Nanotribology and nanomechanics of MEMS/NEMS and BioMEMS/NEMS materials and devices, Microel. Eng., 2007, 84, pp. 387–412.
• 2. Pawlak Z., Figaszewski Z.A., Gadomski A., Urbaniak A., Oloyede Adekundle: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, 43, (2010), 1719–1725.
• 3. Hills B.A.: Boundary lubrication in vivo: Proc. Inst. Mech. Eng. Part H: J. Eng. Med. 214 (2000) 83.
• 4. Pawlak Z., Urbaniak W., Hagner-Derengowska M.W.: The probable explanation for the low friction of nature joints.Cell Biochemistry and Biophysics. vol. 70, 3, 2015.
• 5. Pawlak Z., Urbaniak W., Gadomski A., Kehinde Q. Fusuf, Isaak O. Afara, Adekundle Oloyede: The role of lamellate phospholipid bilayers in lubrication of joints. Acta of Bioengineering and Biomechanics, Vol, 14, No. 4, 2012.
• 6. Andersen Olaf S., Roger E., et.al.: Bilayer thickness and Membrane Protein Function: An Energetic Perspective.Annular Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 36 (1), 107–130, doi:10.1146: annuref.biophys. 36.040306.132643.Retrieved 12 December 2014.
• 7. Mashaghi et.al.:Hydraton strongly affects the molecular and electronic structure of membrane phospholipids.136.114709, 2012.
• 8. Gadomski A., Bełdowski P., Miguel Rubi J., Urbaniak W., Wayne K. Auge, I.S. Holek, Pawlak Z.: Some conceptual thoughts toward nano-scale oriented friction in a model of articular cartilage, Mathematical Biosciences,244 (2013) 188–200.
• 9. Petelska Ad., Figaszewski Z.A.: Effect of pH on interfacial tension of bilayer lipid membrane. Biophys.J. 2000, 78, 812-7.
• 10. Syrek P.: Analiza parametrów przestrzennych aplikatorów małogabarytowych, wykorzystywanych w magnetoterapii. AGH Kraków, praca doktorska, 2010.
• 11. https://en.wikipedia.org/Wiki/Electroviscous_effects, Electric_fields.

Uwagi

PL

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