Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Methodology for Testing a Joint Cartilage

Mańkowska-Snopczyńska Anita, Piekoszewski Witold, Szczerek Marian, Tuszyński Waldemar, Kotela Ireneusz, Kotela Andrzej, Diem Tadeusz

Tribologia

|

2020

|

nr 6

29--38

EN

A research method was developed to analyse the tribological properties of cartilage tissue. Based on the literature data and the possibility of obtaining samples of appropriate dimensions, the frequency and amplitude of friction tests were adopted. Based on the previously conducted preliminary tests, other test parameters were proposed, such as the frictional contact load and the number of test runs. It was assumed that the results of the research will be the friction coefficient and the wear intensity of the tribological system. According to the developed method, a series of verification tests was carried out in which the friction contact was lubricated in various ways with the selected lubricants. The results of tests of animal cartilage in non lubricated contact were used as the reference basis for all the tested associations. The friction tests showed good method resolution and satisfactory repeatability. In the case of wear characteristics, a greater scatter of test results was observed. It is probably related to the varied geometrical structure of the cartilage surface as well as the elastic properties of the bone on which the tissue was placed. The correctness of the obtained results and a relatively good resolution of the tribological test method were found.

PL

Opracowano metodę badań w zakresie analizy właściwości tribologicznych tkanki chrzęstnej. W oparciu o dane literaturowe i możliwości pozyskania próbek o odpowiednich wymiarach przyjęto częstotliwość i amplitudę badań tarciowych. Na podstawie wcześniej prowadzonych badań wstępnych zaproponowano pozostałe parametry badań, takie jak obciążenie styku tarciowego i liczbę cykli biegu badawczego. Przyjęto, że rezultatem badań będą współczynnik tarcia i intensywność zużywania systemu tribologicznego. Zgodnie z opracowaną metodą przeprowadzono serię badań weryfikacyjnych, w których styk tarciowy smarowany był w zróżnicowany sposób wytypowanymi do badań środkami. Jako bazę odniesienia dla wszystkich badanych skojarzeń przyjęto wyniki badań zwierzęcej tkanki chrzęstnej w styku niesmarowanym. Badania tarciowe wykazały dobrą rozdzielczość metody oraz satysfakcjonującą powtarzalność, biorąc pod uwagę charakterystyki tarciowe. W przypadku charakterystyk zużyciowych zaobserwowano większy rozrzut wyników badań. Prawdopodobnie związane jest to ze zróżnicowaną strukturą geometryczną powierzchni tkanki chrzęstnej, jak również z własnościami sprężystymi kości. Stwierdzono poprawność uzyskanych wyników i stosunkowo dobrą rozdzielczość metody badań tribologicznych.

2

Application of acoustic signal processing methods in detecting differences between open and closed kinematic chain movement for the knee joint

Karpiński Robert, Machrowska Anna, Maciejewski Marcin

Applied Computer Science

|

2019

|

Vol. 15, no 1

36--48

EN

The paper presents results of preliminary research of analysis of signals recorded for open and closed kinematic chain in one volunteer with chondromalacia in both knees. The preliminary research was conducted in order to establish the accuracy of the proposed method and will be used for formulating further research areas. The aim of the paper is to show how FFT, recurrence plots and recurrence quantification analysis (RQA) can help in bioacoustic signals analysis.

3

Procedura przygotowania próbki ludzkiej chrząstki stawu biodrowego do ilościowego oznaczenia metali metodą Atomowej Spektrometrii Absorpcyjnej

Merchut Natalia, Reczyński Witold

Analit

|

2019

|

Nr 7

44--50

PL

Niniejsza praca dotyczy oznaczania stężeń wapnia, magnezu, cynku, żelaza oraz ołowiu w ludzkiej chrząstce stawowej. Została w niej przedstawiona procedura przygotowania próbki oraz ilościowej analizy wybranych metali w materiale biologicznym. W pierwszej części pracy przedstawiono, z czego składa się i jak funkcjonuje układ ruchu człowieka oraz morfologię chrząstki stawowej. Opisano również zawartość badanych pierwiastków oraz ich rolę w organizmie człowieka. Druga część odnosi się do przygotowania próbki, wybrania metody i dobrania odpowiednich parametrów pomiaru.

EN

This project to determine the concentrations of calcium, magnesium, zinc, iron and lead in human joint cartilage. It will be presented the procedure for preparing the sample for the determination and the development of the related procedure with the designation of complex biological material. The first part of the project presents of which consists the system of human motion, or function, morphology of cartilage damage. The content of studied elements and their role in the human body are also described. The second part refers to sample preparation, selection of the method and selection of appropriate measurement parameters.

4

Microscopic tribological analysis of the knee joint

Ryniewicz A. M., Ryniewicz A., Pukaluk A., Pałka P.

Tribologia

|

2017

|

nr 3

147--154

EN

The aim of the conducted research was the evaluation of the topography and the structure of the superficial layer of meniscus and articular cartilage. These are surfaces that optimise the friction and lubrication process in the knee joint. The animal samples of the menisci and the articular cartilage were examined. The research was performed using scanning electron microscopes and an atomic force microscope. The structure of the surface of meniscus and articular cartilage is very regular. The collagenous fibres, which are embedded in the ground substance, are parallel to the surface. The undulation of the surface was observed. In the area of the anterior horn on tibia side of both menisci as well as in the anterior area of tibial plateau, the concavity and convexity pattern is evident. The observed cavities enable the accumulation of the synovial fluid. The synovial fluid plays the role of the lubricant in the knee joint, and its presence is highly desired during the load transmission.

PL

Celem przeprowadzonych badań była ocena topografii i struktury łąkotek oraz powierzchni stawowych, które zabezpieczają i optymalizują proces tarcia i smarowania w stawie kolanowym. Materiałem badań były łąkotki pobrane z prawidłowych stawów zwierzęcych oraz tkanka chrzęstna wypreparowana z powierzchni stawowych. Badania były realizowane na mikroskopach skaningowych oraz mikroskopie sił atomowych. Struktura warstwy wierzchniej chrząstki włóknistej oraz szklistej wykazała dużą regularność. Włókna kolagenowe biegnące równolegle do powierzchni i zatopione w substancji podstawnej tworzą łagodnie pofalowaną strukturę. Układ wgłębień i wzniesień jest najbardziej wyraźny na części przedniej plateau kości piszczelowej oraz w obszarze rogu przedniego łąkotek, po stronie kontaktującej się z plateau kości piszczelowej. W zaobserwowanych wgłębieniach może gromadzić się ciecz synowialna, która pełni rolę środka smarnego, i której obecność jest wysoce pożądana podczas przenoszenia obciążeń wewnątrz stawu kolanowego.

5

The influence of the load and joint cartilage elasticity modules on synovial fluid viscosity

Wierzcholski K., Sójka M.

Tribologia

|

2016

|

nr 2

159--171

EN

During classical journal bearing lubrication the lubricant viscosity is independent of physical properties of cooperating bodies, which is well known by virtue of Hersey-Stribeck (H-S) curve presenting friction coefficient vs. Hersey number = viscosity×velocity/pressure. The result obtained by the H-S is valid for two cooperating bodies with homogeneous, isotropic properties, and for Newtonian oils omitting the elastohydrodynamic effects. In the presented paper, we take into account the two cooperating human joint cartilage surfaces, which, after new AFM measurements, have non-homogeneous hypo- or hyper-elastic properties, and the synovial fluid Has non-Newtonian features. Moreover, the cartilage surface during human limb motion and during the squeezing and boosted squeezing effects gains important small deformations. From the above mentioned description, it follows that the H-S result cannot be acceptable in human joint lubrication [L. 1–6]. During human joint hydrodynamic lubrication, we observe the influence of the material coefficients of the hypo- and hyper-elastic cartilage tissue on the apparent viscosity of non-Newtonian synovial fluid occupying the thin joint gap limited by the two cartilage superficial layers. This problem has not been considered in scientific papers describing the hydrodynamic lubrication of the human joint. This problem attains significant meaning because, after numerous AFM laboratory measurements confirmed by the literature achievements, it follows that the joint cartilage tissue with a thin polar membrane made of two lipid molecules has no isotropic but anisotropic properties in general. These membranes are flat sheets that form a continuous barrier around the cartilage cells. Non homogeneous, anisotropic biological bodies as distinct from classical isotropic materials have the various values of elasticity, hypoelasticity, or hyper-elasticity modules on individual places and directions. These places, loaded by the same forces, tend to various displacements and strains. In consequence, mutually connected physical implications caused by virtue of synovial fluid flow velocity and shear rates changes, indicate to us the conclusion that the dynamic viscosity of synovial fluid gains value variations caused by the cartilage’s physical properties during human joint lubrication.

PL

Model zmiany współczynnika tarcia w zależności od liczby Herseya, czyli stosunku iloczynu lepkości i prędkości do ciśnienia, świadczy o niezależności lepkości czynnika smarującego od własności fizycznych smarowanych powierzchni w klasycznych łożyskach ślizgowych. Jednak ważny rezultat Herseya-Stribecka H-S obowiązuje przede wszystkim dla dwóch jednorodnych, izotropowych współpracujących ciał oraz cieczy smarującej o newtonowskich właściwościach przy pominięciu elasto-hydro-dynamicznych efektów. Niniejsza praca dotyczy smarowania dwóch współpracujących powierzchni pokrytych chrząstką stawową, która według najnowszych pomiarów przeprowadzonych za pomocą mikroskopu sił atomowych AFM ma zmienne, niejednorodne, anizotropowe, a w szczególności nadsprężyste właściwości uzależnione od położenia i kierunku. Ciecz synowialna jest nienewtonowska. Ponadto ruch kończyn człowieka, siadanie, klękanie, skoki powodują wzmożone wyciskanie (boosted squeezing) cieczy synowialnej w warstewce chrząstki stawowej skutkujące chociaż małymi, ale jednak bardzo istotnymi niepomijalnymi deformacjami. Stąd wynika hipoteza o braku akceptacji rezultatów H-S w zakresie smarowania stawów. Podczas smarowania stawów człowieka prawie zawsze występuje problem wpływu modułów nadsprężystych chrząstki stawowej na lepkość pozorną nienewtonowskiej cieczy synowialnej zalegającej w szczelinie stawu. Według informacji autora rozpatrywanie tego ważnego problemu nie jest uwzględniane we współczesnej literaturze naukowej z zakresu hydrodynamiki stawów. Problem ten nabiera jednak szczególnie dużego znaczenia w świetle najnowszych własnych badań chrząstek stawowych w mikro- i nanoskali potwierdzonych również w literaturze naukowej. Chrząstka stawowa pokryta dwuwarstwą fosfolipidów o różnym stopniu upakowania ma właściwości anizotropowe. Biologicznie niejednorodne ciała anizotropowe w odróżnieniu od klasycznych jednorodnych izotropowych materiałów mają różne wartości współczynników sprężystości i nadsprężystości w poszczególnych miejscach oraz kierunkach. Wskazane miejsca obciążone jednakowymi siłami odznaczają się wtedy różnymi przemieszczeniami i odkształceniami. W konsekwencji opisanych w niniejszej pracy wzajemnych implikacji związków fizycznych wywołanych zmianami prędkości przepływu oraz deformacji dochodzi się do wniosku, że lepkość dynamiczna cieczy synowialnej ulega zmianom w trakcie smarowania stawów w zależności od fizycznych właściwości chrząstki stawowej.

6

Określanie współczynnika tarcia pary ciernej: chrząstka stawowa – biomateriał

Andrzejewska A., Mazurkiewicz A.

Aktualne Problemy Biomechaniki

|

2016

|

z. 11

15--20

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań współczynnika tarcia pary ciernej chrząstka stawowa – biomateriał. Przeprowadzone badania pozwoliły wyznaczyć współczynnik tarcia tkanki chrzęstnej oraz wzorca (przeciwpróbki), wykonanego z biomateriału szklanego i biopolimeru. W badaniach zaobserwowano wpływ tarcia suchego oraz hydrodynamicznego na zmiany współczynnika tarcia różnych biomateriałów.

EN

This paper presents results of the friction coefficient of friction pair: cartilage and biomaterial. In this investigation was determine friction coefficient of cartilage and counterspecimen made of glass and biopolimer. Also was observed influence of dry and hydrodynamic friction to changes friction coefficient for different biomaterials.

7

Investigation of the biomechanical behaviour of articular cartilage in hindfoot joints

Venturanto C., Pavan P. G., Forestiero A., Carniel E. L., Natali A. N.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2014

|

Vol. 16, no. 2

57--65

EN

Numerical models represent a powerful tool for investigating the biomechanical behavior of articular cartilages, in particular in the case of complex conformation of anatomical site. In the literature, there are complex non-linear-multiphase models for investigating the mechanical response of articular cartilages, but seldom implemented for the analysis of high organized structure such as the foot. In the present work, the biomechanical behavior of foot cartilage is investigated by means of a fiber-reinforced hyperelastic constitutive model. The constitutive parameters are obtained through the comparison between in vitro experimental indentation tests on cartilage and numerical analysis data interpreting the specific experimental conditions. A finite element model of the hindfoot region is developed. Particular attention is paid to model cartilage in order to respect its morphometric configuration, including also the synovial capsule. The reliability of the procedure adopted is evaluated by comparing the numerical response of tibio-talar joint model with in vivo experimental tests mimicking the foot response in stance configuration.

8

Pomiary parametrów morfologiczno-czynnościowych stawu kolanowego z wykorzystaniem obrazowania rezonansem magnetycznym

Ryniewicz A., Ryniewicz A. M., Sładek J., Knapik R.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2013

|

R. 59, nr 3

200--203

PL

Celem była identyfikacja kształtu i położenia struktur stawu kolanowego obrazowanego rezonansem magnetycznym (MR) w stabilizowanej pozycji, w aspekcie rozkładu grubości chrząstki stawowej. Badano prawidłowe stawy kolanowe. Obrazowanie przeprowadzono przy wykorzystaniu aparatu MR typu otwartego ze stabilizatorem kąta zgięcia kolana w przekrojach strzałkowych, czołowych i horyzontalnych, w wybranych pozycjach kątowych. Pomiary chrząstki budującej powierzchnie stawowe stawu kolanowego wykazały znaczne zróżnicowanie jej grubości oraz pofalowania z charakterystycznym przesunięciem fali.

EN

The aim of the study was to use the MRI to identify the shape and position of the structures of knee joints in a stabilized position, in terms of the analysis of joint cartilage thickness on femoral condyles, tibia condyles and the patella. There were studied normal knee joints. Imaging was performed with use of an open-type gradient coil MR apparatus with a knee bending angle stabilizer. The research strategy consisted of imaging: sagittal sections in a fixed position of the femoral bone relative to tibia, in selected sagittal sections for stabilized position of the femur relative to tibia for angles ranged from -10 degrees to 50 degrees, at 5 degree intervals, in the frontal sections with physiological extension, in the horizontal sections with physiological extension. Based on the MR imaging, there was measured the distribution of the thickness of joint cartilage that covered the femoral condyles, condyles of tibia and patella. The measurements of the cartilage building the surfaces of the knee joint showed significant variation in its thickness and folds with a characteristic wavelength shift in the tested sections. Variable thickness and uneven structures can substantially affect the conditions of joint lubrication and transfer of the locomotive load. Introduction of the stabilized position of the femur relative to tibia to the MR imaging allows useful identification of particular cartilage layers that work together.

9

Badania własności ruchowych zdegenerowanych stawów synowialnych

Koziarski C., Trzaskacz T., Ferenc Z.

Tribologia

|

2012

|

nr 5

55--63

PL

W ludzkim organizmie chrząstka stawowa jest jednym z tych elementów, które są najbardziej narażone na zmiany przeciążeniowo-zwyrodnieniowe. W pracy przedstawiono wyniki badań, które mają na celu określenie własności tribologicznych zdegenerowanych chrząstek stawowych człowieka, a co się z tym wiąże stopnia zużycia biologicznego węzła ciernego. Badania przeprowadzono na drodze doświadczalnej, z wykorzystaniem modeli fizycznych. W badaniach próbka i przeciwpróbka wykonują ruch ślizgowo-toczny, co odpowiada możliwie wiernie ruchowi wzajemnemu powierzchni ciernych w stawie. Pomiary momentu tarcia realizowano dla ruchu wahadłowego, przy zachowaniu warunków płynnego tarcia toczno-ślizgowego. Badania realizowano przy sile nacisku Fn = 0÷105[N] i prędkości poślizgu vs = {0, 3, 6, 9}[mm/s] przy prędkości obrotowej w punkcie pomiarowym ω = 0,33[s-1] Materiał badawczy klasyfikowano pod względem uszkodzeń powierzchni chrząstki stawowej. Pozwoliło to na porównanie kolejnych stadiów degeneracji chrząstki i odniesienie ich do zmian parametrów tribologicznych w postaci momentu tarcia i współczynnika tarcia na badanych powierzchniach.

EN

Joint cartilage in the human body is one of those elements that is most vulnerable to overload and degenerative changes. These changes are influenced by factors such as traffic accidents, lack of physical activates or metabolic disturbances. In this paper, the results of research aimed at the determination of the degeneration rate of the cartilage of a human joint on its tribological properties are presented. This experimental research was carried out using physical models. To carry out this research, a test stand modelling a fundamental scheme of loading and motion for the knee joint had been constructed. The measurements of the friction moment were realised for the fluctuate motion, with the proceeding of the time of rolling- sliding fluid friction. The research was realised for load force Fn = 0÷105[N]. (Sliding velocity vs = {0, 3, 6, 9}[mm/s], and the speed of rotation in measuring point ω = 0.33[s-1]) The specimen and counter specimen used in the testing are in sliding/rolling contact, which reflects, to a maximum degree possible, the relative motion of frictional surfaces in a joint. The results of this research were used for the evaluation of the influence of degenerative changes on tribological changes in the joint cartilage.

10

The role of lamellate phospholipid bilayers in lubrication of joints

Pawlak Z., Urbaniak W., Gadomski A., Yusuf K.Q., Afara I.O., Oloyede A.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2012

|

Vol. 14, no. 4

101-106

EN

This study aims to determine the effect of progressive loss of the surface active phospholipids on the characteristics, and hence tribological function of articular cartilage. In accordance to Hill's hypothesis, 3-7 lipid bilayers at pH 7.4 operate as the solid lubricant in the cartilage-cartilage interface during physiological function. These bilayers are known to be depleted during cartilage degeneration. This study models this loss of phospholipid bilayers, studying experimentally both wet and dry cartilage surfaces, measuring surface wettability, and friction coefficient under a constant stress of 1.2 MPa. The results demonstrate that the friction coefficient increases gradually with loss of the phospholipid bilayers, and gains in value with decrease in wettability.

11

Biomaterials for the replacement and regeneration of articular cartilage

Święszkowski W.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Materiałowa

|

2010

|

z. 24

3-134

EN

The aim of the monograph is to develop novel biomaterials and scaffolds wich may by used for the repair of cartilage damage arising from sports or occupational traumas or to overcome degenerative osteoarthritis. Two new engineering solutions are proposed: (1) an artificial cartilage consisting of nondegradable, modified Polyvinyl Alcohol (PVA) hydrogel, infiltrated into porous titanium, to replace the function of natural cartilage and stop further growth of cartilage defects; (2) a bioactive degradable hybrid 3D tissue engineered product (TEP) to support self regeneration to overcome osteochondral defects. The results of numerical and experimental evaluation of the both solutions lead to conclusion that the artificial cartilage as well as hybrid scaffold show high potential to be used for the replacement and regeneration of the articular cartilage.

PL

Chrząstka stawowa jest tkanką łączną, która pokrywa powierzchnie stykających się ze sobą kości w stawach. Zbudowana jest miedzy innymi z wody, komórek chrzęstnych zwanych chondrocytami oraz substancji międzykomórkowej, często określanej mianem macierzy. Macierz stanowią nanowłókna kolagenowe, proteoglikany i białka niekolagenowe. Dzięki takiej budowie, chrząstka stawowa posiada zdolność pochłaniania i rozkładu sił działających w stawie, oraz zapewnia niemal beztarciowy ruch powierzchni stawowych. W wyniku urazów i chorób zwyrodnieniowych stawów chrząstka traci powyższe właściwości. W przeciwieństwie do tkanki kostnej chrząstka nie ma możliwości regeneracji samoistnej; raz uszkodzona może tylko wypełnić się blizną łącznotkankową. Szacuje się, że około15% ludzi na świecie cierpi z powodu chorób chrząstki stawowej. Liczbę osób w Polsce dotkniętych chorobami chrząstki ocenia się na około 5 milionów. Objawami klinicznymi tych chorób są ból i ograniczenie funkcji stawu. Do obecnie stosowanych metod leczenia chorób chrząstki należą: leczenie farmakologiczne, przeszczepy własnej chrząstki (np. z powierzchni nieobciążanej), przeszczepy allogeniczne (pobrane ze zwłok), przeszczepy okostnej i/lub komórek szpiku oraz techniki stymulujące powstawanie blizny chrząstkopodobnej: nawiercanie i mikrozłamania. Przy większych ubytkach chrząstki konieczne jest stosowanie alloplastyki stawu. Większość stosowanych metod pomimo zaawansowania technicznego ma znikomą skuteczność terapeutyczną i ograniczone wskazania. Z tego powodu konieczne jest poszukiwanie nowych rozwiązań leczenia chorób chrząstki. Dzięki znaczącym postępom w inżynierii materiałowej i nanotechnologii opracowywane są nowe, doskonalsze rozwiązania materiałowe do zastosowań w medycynie. Powstają nowe biomateriały - substancje naturalne lub syntetyczne, które służą do wytworzenia elementów uzupełniających lub zastępujących tkanki i/lub narządy człowieka. Używane są między innymi do wytwarzania zespoleń kostnych, sztucznych stawów, naczyń krwionośnych oraz produktów inżynierii tkankowej. W związku z zastosowaniem biomateriałów w organizmie ludzkim powinny one charakteryzować się wysoką biozgodnością, świetnymi właściwościami mechanicznymi oraz budowa zbliżonej do zastępowanych tkanek i narządów. W zależności od strategii leczenia wymaga się od nich także wysokiej odporności chemicznej, bądź przeciwnie, dużej reaktywności, aż do resorpcji w środowisku fizjologicznym. W świetle istniejących osiągnięć w zakresie biomateriałów stosowanych w leczeniu chrząstki stawowej w niniejszej pracy przedstawiono oryginalne rozwiązania materiałowe, które mogą wspomagać zastępowanie ubytków tkanki chrzęstnej oraz regenerację i odbudowę uszkodzonej tkanki chrzęstnej. Opracowanie nowych rozwiązań materiałowych poprzedzone jest w pracy rozważaniami poznawczymi na temat potencjalnych mechanizmów uszkodzeń sztucznych stawów człowieka. Dokonano analizy uszkodzeń implantów i ich przyczyn na postawie symulacji numerycznych oraz badań eksperymentalnych. Analizy numeryczne wykazały znaczący wpływ materiału i geometrii implantów na stań naprężeń i odkształceń w sztucznym stawie barkowym. Wykazano, że wartości naprężeń w implantach często przekraczają dopuszczalne naprężenia do stosowanych materiałów, co może prowadzić do ich uszkodzeń, np. zużycia materiału. Występowanie mechanizmów niszczenia materiałów implantacyjnych tj. zużycie, korozja, pękanie i utlenianie, potwierdzone zostało w szczegółowych badaniach protez usuniętych w operacjach rewizyjnych stawów człowieka. Dodatkowe badania na opracowanym stanowisku do testów trybologicznych endoprotez stawu barkowego pozwoliły wyznaczyć wpływ geometrii implantu i naprężeń kontaktowych na zużycie materiału polimerowego. Jednym z proponowanych oryginalnych rozwiązań materiałowych jest opracowanie nowego biozgodnego materiału na bazie hydrożelu alkoholu poliwinylowego z zastosowaniem metody termicznej (cyklicznego zamrażania i odmrażania) oraz porowatego tytanu (porowatość otwarta 75%) otrzymanego metodą metalurgii proszków. Materiał hydrożelowy stanowić będzie "sztuczną chrząstkę" implantowaną w miejscu ubytku chrząstki naturalnej. Częściowa infiltracja porowatego tytanu hydrożelem, pozwoli na mocowanie "sztucznej chrząstki" w miejscu ubytku poprzez wrastanie tkanki kostnej w porowatą strukturę metalu. Dzięki zastosowaniu takiej metody uzyskano prototyp implantu chrząstki składający się z warstwy hydrożelu i porowatego tytanu. Przeprowadzone badania eksperymentalne oraz analizy numeryczne wykazały, że opracowany implant charakteryzuje się korzystniejszymi właściwościami trybologicznymi oraz mechanicznymi w porównaniu z obecnie stosowanymi rozwiązaniami. Właściwości mechaniczne i strukturalne otrzymanego hydrożelu są zbliżone do właściwości naturalnej chrząstki. Należy przypuszczać, że dzięki tym cechom nowy implant na długo przywróci funkcję chrząstki stawowej. Drugi wątek badań aplikacyjnych dotyczy obiecującej metody regeneracji chrząstki poprzez zastosowanie inżynierii tkankowej. Metoda ta zakłada wykorzystanie komórek pacjenta, które po wyizolowaniu i namnożeniu są hodowane na trójwymiarowym rusztowaniu i wraz z nim wszczepiane w miejsce ubytku tkanki. Po pewnym czasie komórki te tworzą nową tkankę a rusztowanie ulega degradacji. W pracy opracowano prototyp nowego bioaktywnego rusztowania dla komórek, który ma za zadanie wspomagać proces regeneracji chrząstki stawowej. Oryginalność proponowanego rozwiązania przejawia się w jednoczesnym zastosowaniu mikro i nano włókien do wytworzenia hybrydowej konstrukcji rusztowania. Hybrydowe rusztowanie powstaje w procesie powstałym z połączenia metody szybkiego prototypowania i elektroprzędzenia. Do wytworzenia rusztowania zastosowano materiały polimerowe o wysokiej czystości i biozgodności tj. polimer kwasu mlekowego oraz polikaprolakton. Wstępne badania biologiczne na komórkach mezenchymalnych szpiku kostnego potwierdzają biozgodność i bioaktywność opracowanego rusztowania. Podsumowując, przedstawiona praca przedstawia stan obecny badań w zakresie biomateriałów stosowanych w leczeniu uszkodzeń i chorób chrząstki stawowej oraz dwa nowe rozwiązania: sztuczną chrząstkę i hybrydowe rusztowanie. Mimo zadowalających wyników badań zastosowanie powyższych rozwiązań w praktyce klinicznej nadal wymaga szeregu badań przedklinicznych, w tym badań biologicznych na komórkach oraz badań na zwierzętach.

12

Three dimensional polyethersulphone scaffold for chondrocytes cultivation - the future supportive material for articular cartilage regeneration

Dudziński K., Chwojnowski A., Gutowska M., Płończak M., Czubak J., Łukowska E., Wojciechowski C.

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2010

|

Vol. 30, no. 3

65-76

EN

The this paper method of obtaining broad-pore membranes for application as scaffolds for chondrocyte cultivation is described. These membranes were obtained from polyethersulfone. They are characterized by the presence of both macropores of relatively large diameter, as well as micropores. These membranes are intended first of all for use in cultivation of the cartilage cells (chondrocytes). The membranes are obtained by the phase inversion method followed by dissolving cellulose present in the membrane. Cellulose is a macropore precursor. Cellulose is dissolved by means of a copper hydroxide ammonia complex. The membranes obtained are not cyto-toxic. The culture of chondrocytes derived from White New Zeeland breed rabbits developed very well on these membranes. The cell cultures were studied by observation under an optical microscope and scanning electron microscope. The protein mass increase on the membrane was determined by flame analysis. The results of these experiments did not show any negative effects of the membranes on the cell culture. Just the opposite, the cartilage cells development on the membranes proceeded very well. The results obtained show that the membrane developed is a very good scaffold for cell cultivation.

13

The initial bearing capacities of subchondral bone replacements considerably contributing to chondrogenesis

Petryl M., Danesova J., Lisal J., Senolt L., Hulejova H., Polanska M., Bastl Z., Krulis Z., Cerny P.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2010

|

Vol. 12, no. 3

59-65

EN

The degeneration of articular cartilage results from osteoarthritis and many other forms of severe arthritis. Current treatments for cartilage repair are less than satisfactory, and rarely restore a full function or return the tissue to its natural state. The leading strategies in the treatment are aimed at the transplantation of cells and/or the use of various biological grafts, bioactive agents, or biologically compatible implant matrices. The insertion of a crushed autologous bone graft has been reported as a possible therapy. However, the regenerative quality of the tissue was less than 70% of healthy cartilage for fragments and controls. The implantation of cycloolefin-blend 3D-cylinders with hydrogel scaffolds on their proximal parts and with the applications of type I collagen films is one of several surgical therapies. The replacement and continuous biomechanical properties of the subchondral bone play an important role in the morphology and the quality of chondrogenesis. The initial biomechanical stability of COC-blend polymer replacements in the subchondral bone contributes to the formation of a new cartilage tissue. The initial bearing capacities of the implanted tissue/replacements and vertical positions of the replacements have a principal influence upon both the quality and the quantity of new articular cartilage.

14

A biochemical model for characterising the surface-active phospolipid bilayer of articular cartilage relative to acid-base equilibrium

Pawlak Z., Kotynska J., Figaszewski Z., Gadomski A., Gudaniec A., Oloyede A.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2008

|

Vol. 29, nr 1

24-29

EN

Purpose: This paper, addresses the question of how changes in acid - base equilibrium influence change in the charge density of the phospholipid bilayer on articular cartilage surfaces during lubrication. Design/methodology/approach: Liposomes have been used to mimic biological phospholipid membranes on articular cartilage surface where proteins are bounded, ions are transported, energy is transducted, and cellular processes take place. The charge density of the membrane was determined as a function of pH and electrolyte concentration from the microelectrophoretic method. Liposome membrane was prepared as an aqueous solution of NaCl under various pH conditions. Microelectrophoresis was used to examine the local acid-base equilibrium of the electrolytes with the membrane surface, which can be considered to model the phospholipids interface in articular cartilage. Findings: The adsorbed ions (H+, OH-, Na+, Cl-) which are present in the electrically charged solutions of liposome membrane comprising phosphatidycholine (PC), were found to exhibit pH-responsive quasi-periodic behavior. Research limitations/implications: We have established that the acid-base dissociation behavior in phospholipid bilayers of articular cartilage is a key to understanding biolubrication processes. For example,previous investigators found that the formation of the multilayer of polyisopeptide/hyaluronic acid depends on surface properties such as film thickness, surface friction, surface wetability; wetness and swelling behavior. Future work should consider the adsorption of polyelectrolyte ions, e.g., the glycoprotein lubricin and hyaluronan, on the liposome membrane surface in the presence of H+ and OH- ions. Originality/value: A novel model of the joints’ phospholipid bilayers has been created using liposome membrane This model can be applied in the investigation of polyelectrolyte ions such as lubricin, in articular cartilage. We have demonstrated that the acid-base processes on charged surfaces is a key mechanism in facilitating lubrication in human joints.

15

Impact of the charge density of phospholipid bilayers on lubrication of articular cartilage surfaces

Pawlak Z., Kotynska J., Figaszewski Z. A., Oloyede A., Gadomski A., Gudaniec A.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2007

|

Vol. 23, nr 1

47-50

EN

Purpose: We attempt to answer the question how some changes in acid - base equilibrium have an impact on the charge density of a phospholipid bilayer formed during lubrication occurring at articular cartilage surfaces. Design/methodology/approach: Liposomes have been used to mimic biological phospholipid membranes on articular cartilage surface where proteins are bounded, ions are transported, energy is transducted, and cellular processes are taking place. The charge density of the membrane was determined as a function of pH and electrolyte concentration from the microelectrophoretic method. Liposome membrane has been prepared as an aqueous solution of NaCl under various pH conditions. Microelectrophoresis was used to examine the local acid-base equilibrium of the electrolytes with the membrane surface, which can be considered to be an interface of phospholipids in articular cartilage. Findings: The effects of the adsorption of ions (H+, OH- ; Na+, CI-), which are present in solution upon electric charge of the liposome membrane assembled of phosphatidycholine (PC), have also been found to exhibit pH-responsive (quasi-periodic) behavior. Research limitations/implications: We hypothesized that the acid-base dissociation behavior in phospholipid bilayers of articular cartilage is a key to understanding biolubrication processes. For example, similar previous investigators found that the behavior of a multilayer made of polyisopeptide/hyaluronic acid depends on some of the surface properties such as film thickness, surface friction, surface wetness and swelling conditions. Future work should consider the adsorption of polyelectrolyte ions, e.g., the glycoprotein lubricin and hyaluronan, at the liposome membrane surface involved, assumed that besides the H+ and OH- ions, the polyelectolyte ions were also engaged. Originality/value: This liposome membrane is a model for phospholipid bilayers and will be applied for the investigation of polyelectrolyte ions, e.g. lubricin, in articular cartilage conditions. We demonstrate that knowledge on the acid-base processes on charged surface is the key to understanding phenomena occurring at interfaces in human joints lubrication, thus pointing to the biolubrication as a charged interface-controlled process.

16

A new concept of measuring the friction forces for cartilage and polymers with viscoelastic properties

Chizhik S. A., Ghaemi H. M.

Tribologia

|

2006

|

nr 4

37-48

EN

This paper presents a new method for measuring the low magnitude friction forces in biojoints and polymers. It provides a basis for facilitating the control of friction and viscoelastic properties of biomaterials, especially for tissue cultivation process in bioreactors. This method is based on forced vibration of a two-ball actuator and sensor which are directed parallel to the sample surface. A tuning piezoelectric fork device is introduced for exciting the system, when simultaneously it is used as a sensor. Variation of vibration parameters are induced through energy dissipation of indentor system which has the same friction force and viscoelastic behaviour as the sample. In this regard, the mathematical model of excited oscillations including variation of generated friction forces and viscolelastic characteristics is presented.

PL

Referat przedstawia nową koncepcję dotyczącą pomiaru małych sił tarcia oraz właściwości materiałów lepko-sprężystych. Zaprezentowano: ogólny zarys metody pomiaru, wskazania dotyczące projektowania i budowy urządzenia pomiarowego, model matematyczny oraz sposób identyfikacji parametrów modelu. Metoda ta jest szczególnie przydatna w przypadku analizy właściwości materiałowej polimerów oraz tkanki chrząstki stawowej człowieka zarówno in vitro, jak i podczas hodowania w bioreaktorach.

17

Tribological properties of tissue in biobearings and bioreactors as the histotribological parameters.

Wierzcholski K., Ghaemi M.H.

Zagadnienia Eksploatacji Maszyn

|

2005

|

Vol. 40, nr 3

17-30

EN

This paper presents the main ideas behind a Transfer of Knowledge (ToK) project funded by European Commission, called "BioBearing". BioBearing is designed to be run for the period of 2005-2008. The main field of research is tribology of tissue. Tissue is considered as a histotribological element. Particularly, lubrication of human joints by non-Newtonian synovial fluids in unsteady state condition is considered. In this relation, stochastic behavior of cartilage deformation in human joints is described. Additionally, the cultivation process of cartilage tissues of human joints in bioreactors and possibility of shear force and shear rate control during this process will be investigated.

PL

Autorzy przedstawiają zarys głównych celów badawczych podjętych w unijnym projekcie badawczym zatwierdzonym przez komisję Europejską do realizacji w latach 2005-2008. Koordynatorem projektu jest K. Wierzcholski, autor niniejszego artykułu. Badania teoretyczne, numeryczne i eksperymentalne dotyczyć będą problemów tribologii tkanek jako elementów histotribologii a w szczególności smarowania stawów nienewtonowskimi cieczami synowialnymi w warunkach nieustalonych z uwzględnieniem deformacji chrząstki stawowej w opisie stochastycznym. Ponadto rozpatrywany będzie problem hodowli chrząstki stawowej w bioreaktorze z uwzględnieniem możliwości sterowania siłami tarcia.

18

Geometrical identification of form of biobearings working surfaces and defect of joint cartilage.

Ryniewicz A.

Advances in Manufacturing Science and Technology

|

2005

|

Vol. 29, nr 4

45-57

EN

In the paper there is presented the own method identification of form of biobearings working surfaces and of geometrical estimation of the articulation cartilage defects imaged using magnetic nuclear resonance. There were examined three animal and three human specimen knees using computer tomography (CD, magnetic resonance (MR) and coordinate control machine (CCM). The joint cartilage was artificial destroyed and the loss was measured. Visualization of working surfaces and assessment of geometry and size of cartilage damages using MR were performed. Then, measurements of shape joint surfaces and damages were conducted using CCM, followed by damage modelling using finite elements method in Ansys, FEMAP and NE Nastran packages. Research into CT was carried out to identify form and position of bone structures and to verify bone defects.

PL

W pracy przedstawiono własną metodę identyfikacji kształtu powierzchni roboczych biołożysk i geometrycznego szacowania rozległości uszkodzeń chrząstki stawowej obrazowanej metodą magnetycznego rezonansu jądrowego. Badaniu poddano trzy preparaty stawowe zwierzęce i trzy preparaty ludzkie stawów kolanowych, w których uszkodzono chrząstkę stawową. Preparaty zbadano z użyciem spiralnej tomografii komputerowej (TK), magnetycznego rezonansu jądrowego (MR) i współrzędnościowej maszyny pomiarowej (WMP). Przeprowadzono wizualizację powierzchni roboczych oraz oceniono geometrię i rozmiar uszkodzenia chrząstki, stosując MR. Następnie wykonano pomiary kształtu powierzchni stawowych i uszkodzenia z zastosowaniem WMP. Ubytki modelowano metodą elementów skończonych w pakietach Ansys, FEMAP i NE Nastran. Badanie TK przeprowadzono celem identyfikacji kształtu i położenia struktur kostnych oraz zweryfikowania rozmiarów ubytków kostnych.

19

Unsteady liquid flows in bioreactors

Wierzcholski K.

Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej / Politechnika Śląska

|

2004

|

z. 23

433-438

EN

The aim and new element of presented paper is the description of cartilage cultivation in the scaffold inside bioreactor under hydrodynamic, unsteady, viscoelastic, non-Newtonian flow of nutrient fluid in the thin layer around the tissue surface. Stress- strain dependencies for the non-Newtonian viscoelastic, nutrition media in unsteady flow are described by the Ericksen-Rivlin dependencies.

PL

Celem oraz nowym elementem niniejszej pracy jest opis hodowli chrząstki stawowej w bioreaktorze podczas hydrodynamicznego, niestacjonarnego, laminarnego opływu powierzchni tkanki na rusztowaniu bioreaktora, lepką, biologiczną, nie newtonowską cieczą odżywczą w warstwie przyściennej. Zależności pomiędzy naprężeniami a odkształceniami dla nie Newtonowskiej lepkosprężystej cieczy odżywczej w ruchu nieustalonym zostały opisane zależnościami Rivlina-Ericksena.

20

Some solutions of unsteady flow in bioreactor

Wierzcholski K., Franke R.

Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej / Politechnika Śląska

|

2004

|

z. 23

439-444

EN

The articular cartilage is considered a tissue without the capacity to repair, thus mechanical wear of tissue joint is often designated as a normal tribute to increasing age. The tissue engineering of cartilage implants of human joints has very important significance for treatments by transplantation of various cartilage diseases. The tissue is gained from resected fragments of human joint during total knee replacement. Dynamic, unsteady flow of nutrient liquids in bioreactor provides efficient oxygen supply and hence secures the best overall tissue structure and composition for engineered cartilage. The aim and new element of presented paper is the method of some particular solutions of unsteady flow parameters in bioreactor.

PL

Czas regeneracji chrząstki stawowej po urazie jest bardzo długotrwały. Czasem nawet tkanka chrząstki stawowej nie regeneruje się. Dlatego też wszczepianie przeszczepów chrząstki nabiera bardzo ważnego znaczenia. Przeszczepy hodujemy w bioreaktorach. Najlepsze efekty hodowli uzyskujemy w bioreaktorach wykonujących ruch obrotowy i zapewniających nieustalony charakter przepływu cieczy odżywczej. Dlatego tematem niniejszego artykułu są pewne metody i rozwiązania nieustalonego przepływu cieczy w warstwie przyściennej hodowanej chrząstki stawowej w bioreaktorze.