Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Determination of Random Friction Forces on the Biological Surfaces of a Human Hip Joint with a Phospholipid Bilayer

Wierzcholski Krzysztof

Tribologia

|

2019

|

nr 2

131--142

EN

The paper presented concerns a new mathematical form of the stochastic theory of hydrodynamic friction forces occurring on real human hip joint surfaces with a phospholipids bilayer. This paper particularly presents a new review of stochastic analytical considerations realized by the authors for friction forces estimation during hydrodynamic lubrication of biological surfaces performed on the basis of the gap height measurements in the human hip joint. After numerous experimental measurements, it directly follows that the random unsymmetrical increments and decrements of the gap height of human joints have an important influence on the load carrying capacities and finally on the friction forces and wear of cooperating cartilage surfaces. The main topic demonstrates the impact of the variations of expectancy values and the standard deviation of the human joint gap height on the friction forces occurring in the human joint. Moreover, an evident connection is observed between the apparent dynamic viscosity and the features of the cartilage surface coated by the phospholipid cells. Hence, after the abovementioned remarks, follows the corollary that the influence of the gap height stochastic variations and random surfaces coated by the PL cells tend indirectly from the apparent viscosity into the friction force variations. The synthetic, complex elaborations of the results obtained indicate the influence of the random roughness and stochastic growth of living biological cartilage surfaces on the friction forces distribution.

PL

Celem badawczym podjętym w pracy jest wpływ zmian losowych wysokości szczeliny stawu na zmiany wartości sił nośnych oraz sił tarcia i współczynników tarcia. Do oddziaływań losowych zaliczamy między innymi: ciągłe zmiany architektury kształtów mikrochropowatości powierzchni chrząstki stawowej z udziałem komórek fosfolipidów, ciągły wzrost żywych komórek chrząstki stawowej, mikrometrowej wielkości odkształcenia hipersprężystej warstwy wierzchniej chrząstki stawowej. Głównym rezultatem pracy jest oszacowanie funkcji oczekiwanej sił tarcia i współczynników tarcia dla biołożysk w postaci ogólnych wzorów analitycznych w zależności od pomierzonych wartości funkcji gęstości prawdopodobieństwa. Według informacji autora przedstawiony w niniejszej pracy model stochastyczny układu równań ruchu i energii dla hydrodynamicznej teorii smarowania jest nowy, ponieważ ujmuje losowe zmiany wszystkich parametrów jednocześnie w odróżnieniu od dotychczasowych modeli probabilistycznych ograniczających się jedynie do zmian losowych wysokości szczeliny biołożyska. W pracy wprowadzono nowe pojęcie funkcji oczekiwanej w odróżnieniu od wartości oczekiwanej. Przedstawiony cel badawczy jest w niniejszej pracy realizowany poprzez badanie rozwiązań analitycznych stochastycznego modelu hydrodynamicznego smarowania stawu w postaci układu równań ruchu oraz przez probabilistyczną analizę parametrów smarowania stawu w zakresie odchyleń standardowych w powiązaniu z wynikami doświadczalnie pomierzonych wysokości szczeliny stawu. W pracy uwzględnia się wpływ wysokości i kształtu mikroszczeliny stawu na wartość lepkości pozornej cieczy synowialnej o własnościach nienewtonowskich w ruchu ustalonym pomiędzy dwoma współpracującymi powierzchniami chrząstek stawowych.

2

Geometrical structure for endoprosthesis surface lubrication and wear prognosis

Wierzcholski K.

Journal of KONES

|

2017

|

Vol. 24, No. 4

335--341

EN

It can be stated that over the last ten years in the European Union, the number of bone fractures caused by osteoarthritis has increased twofold. More than 100,000 hip or knee joints in total were implanted in Germany during one year. Within ten years, 5% of them have failed by aseptic loosening. The non-invasive determination of friction forces and control of their values during lubrication of cartilage cells on the superficial layer of human joint surfaces before implantation has a significant but not sufficient impact on the observation of the early abrasive wear of the cartilage joint and development of osteoporosis. From this fact was drawn the inspiration for the performed investigations related to the endoprosthesis surface parameters because knowledge of the roughness of prosthesis surfaces and friction forces and their control methods permits provision of a necessary standard deviation of the gap height and finally information about the implantation possibility. This article has been prepared based on the objective of European Project UE Grant IRSES,612593, 2013-2016 to represent the methodology and goal of the idea described in and make a wider discussion possible on this subject for further developments during the realization. To the research methods and materials used in this article realization belong: Rank Taylor Hobson-Talyscan 150 Apparatus implemented by Talymap Expert and Microsoft Excel Computer Program connected with the Mathcad 15 Professional Program and a new semi-analytical methods of probabilistic and statistic prognosis applied for theory of hydrodynamic lubrication of the curvilinear orthogonal surface and coordinates extended to the friction and wear problems of the endoprosthesis surfaces during the exploitation.

3

Surface Random Parameters for Endoprosthesis Lubrication

Wierzcholski K.

Tribologia

|

2016

|

nr 1

117--127

PL

Na podstawie danych statystycznych WHO przeprowadzonych w Unii Europejskiej stwierdzono, że system tribologiczny, jaki tworzy endoproteza, doznaje ponad milion obciążeń o charakterze udarowym. Obciążenia dynamiczne mogą w wielu przypadkach przekraczać czterokrotną wartość ciała pacjenta. Znaczna część takich niepożądanych impulsów kończy się koniecznością ponownej wymiany endoprotezy biodra. Badania doświadczalne wielu badaczy potwierdzają, że po wszczepieniu endoprotezy stawu biodrowego mamy często do czynienia z obszarami przeciążenia i niedociążenia. Zarówno jedne, jak i drugie są niekorzystne w trakcie eksploatacji endoprotezy. Po wszczepieniu trzpienia do kanału kości udowej pod wpływem siły mogą pojawić się pewne mikrometrowe przemieszczenia trzpienia względem cementu kostnego. Zarówno opisane przemieszczenia, jak też obszary przeciążenia i niedociążenia są na ogół powodowane niestosowną geometrią powierzchni zewnętrznych i wewnętrznych endoprotezy uzależnioną od chropowatości powierzchni, która ma bezpośredni wpływ na wysokość szczeliny. Klasyczne generowanie procesu produkcji i wytwarzania endoprotez o optymalnej strukturze geometrycznej powierzchni jest bardzo trudne, a w wielu przypadkach wręcz niemożliwe. Dlatego niezbędne jest uprzednie stochastycznekształtowanie struktury geometrycznej projektowanych endoprotez polegające na oszacowaniu losowych wartości oczekiwanych, czyli średnich wartości probabilistycznych oraz odchyleń standardowych optymalnych wysokości mikrochropowatości powierzchni, które mają bezpośredni wpływ na pożądaną wysokość szczeliny, siły nośne, siły tarcia, wartości zużycia, a w końcu na optymalną możliwość implantacji endoprotezy stawu biodrowego człowieka. Wyniki niniejszej pracy uzyskano na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych dotyczących pomiarów struktur geometrycznych powierzchni endoprotez oraz z wykorzystaniem wiedzy teoretyczno-numerycznej. Ukazane w niej rezultaty prezentują metodologię i cele opisanej idei badawczej, umożliwiając szeroką dyskusję potrzebną do dalszych badań w zakresie projektów bioinżynierii.Przedstawiony został również parametryczny opis parametrów powierzchni endoprotez. Mogą one również znaleźć zastosowania przy probabilistycznej ocenie parametrów struktur geometrycznych powierzchni rozmaitych implantów.

EN

Within the last ten years in the European Union the number of bone fractures caused by the osteoarthritis increased twofold. More than 100000 hip or knee joints in total have been implanted in Germany during one year. Within ten years, 5% of them have failed by aseptic loosening. The non-invasive determination of friction forces and the control of their values during lubrication of cartilage cells on the superficial layer of human joint surfaces before implantation have a significant but not sufficient influence on the observation of the early abrasive wear of cartilage joint and the development of osteoporosis. From this fact was drawn the inspiration for the performed investigations referring the endoprosthesis surface parameters, because knowledge of the roughness of prosthesis surfaces and friction forces and their control methods makes it possibile to provide the necessary random standard deviation of gap height and finalny information about implantation possibility. This paper has been prepared based on the objective knowledge gained from the author’s experimental and theoretical experiences to represent the methodology and goal of the idea described in the study and to make possible a wider discussion on this subject for further developments during the realization of various bioengineering projects in the field of hydrodynamic artificial human and humanoid robots joints.