Vliv složek maziva na mechanismy mazání v náhradách kyčelního kloubu

The effect of lubricant constituents on lubrication mechanisms in hip joint replacements

journal article in Web of Science

en

The aim of the present paper is to provide a novel experimental approach enabling to assess the thickness of lubricant film within hip prostheses in meaning of the contribution of particular proteins. Thin film colorimetric interferometry was combined with fluorescent microscopy finding that a combination of optical methods can help to better understand the interfacial lubrication processes in hip replacements. The contact of metal femoral head against a glass disc was investigated under various operating conditions. As a test lubricant, the saline solution containing the albumin and γ-globulin in a concentration 2:1 was employed. Two different mean speeds were applied, 5.7 and 22 mm/s, respectively. The measurements were carried out under pure rolling, partial negative and partial positive sliding conditions showing that kinematic conditions substantially affects the formation of protein film. Under pure rolling conditions, an increasing tendency of lubricant film independently on rolling speed was detected, while the total thickness of lubricant film can be attributed mainly to albumin. When the ball was faster than the disc (negative sliding), a very thin lubricant film was observed for lower speed with no significant effect of particular proteins. The increase in sliding speed led to the increase of film thickness mainly caused due to the presence of γ-globulin. On the contrary, when the disc was faster than the ball (positive sliding), the film formation was very complex and time dependent while both of the studied proteins have shown any qualitative change during the test, however the effect of albumin seems to be much more important. Since a very good agreement of the results was obtained, it can be concluded that the approach consisting of two optical methods can provide the fundamental information about the lubricant film formation in meaning of particular proteins while the simultaneous presence of other constituents in model synovial fluid.

Cílem této studie je představit nový experimentální přístup umožňující popsat tloušťku filmu v kloubních náhradách z hlediska vlivu jednotlivých proteinů. Kolorimetrická interferometrie tenkých filmů byla kombinována s fluorescenční mikroskopií, přičemž se ukázalo, že kombinace těchto optických metod může pomoci lépe porozumět procesům mazání mezi povrchy kloubních náhrad. Za různých provozních podmínek byl studován kontakt kovové femorální hlavice a skleněného disku. Jako mazivo byl využit solný roztok obsahující proteiny albumin a γ-globulin v poměru 2:1. Byly vyšetřovány dvě různé rychlosti; 5,7 a 22 mm/s. Měření byla realizována za čistého valení, částečného negativního a částečného pozitivního prokluzu, kdy se ukázalo, že kinematické podmínky mají na formování mazacího filmu zásadní vliv. Za podmínek čistého valení byla obecně pozorována narůstající tendence mazacího filmu nezávisle na rychlosti valení. Celková tloušťka filmu pak může být připsána především nárůstu tloušťky albuminu. V případě, kdy byla kulička rychlejší než disk (negativní prokluz) byl při nižší rychlosti pozorován velmi tenký mazací film, přičemž efekt jednotlivých proteinů byl zanedbatelný. Nárůst kluzné rychlosti vedl k nárůstu tloušťky filmu způsobeného zejména nárůstem tloušťky γ-globulinu. Naopak, když byl disk rychlejší než kulička (pozitivní prokluz), formování filmu bylo velice komplexní a časově závislé, kdy oba z uvedených proteinů vykazovaly určitou kvalitativní změnu ve smyslu jejich tloušťky, přičemž však albumin se z tohoto pohledu zdál být důležitější. Jelikož byla shledána velmi dobrá shoda výsledků, je možné konstatovat, že přístup sestávající z využití dvou optických metod může přinést fundamentální informace o formování mazacího filmu ve smyslu jednotlivých proteinů při současné přítomnosti jiného proteinu v modelové synoviální kapalině.

The aim of the present paper is to provide a novel experimental approach enabling to assess the thickness of lubricant film within hip prostheses in meaning of the contribution of particular proteins. Thin film colorimetric interferometry was combined with fluorescent microscopy finding that a combination of optical methods can help to better understand the interfacial lubrication processes in hip replacements. The contact of metal femoral head against a glass disc was investigated under various operating conditions. As a test lubricant, the saline solution containing the albumin and γ-globulin in a concentration 2:1 was employed. Two different mean speeds were applied, 5.7 and 22 mm/s, respectively. The measurements were carried out under pure rolling, partial negative and partial positive sliding conditions showing that kinematic conditions substantially affects the formation of protein film. Under pure rolling conditions, an increasing tendency of lubricant film independently on rolling speed was detected, while the total thickness of lubricant film can be attributed mainly to albumin. When the ball was faster than the disc (negative sliding), a very thin lubricant film was observed for lower speed with no significant effect of particular proteins. The increase in sliding speed led to the increase of film thickness mainly caused due to the presence of γ-globulin. On the contrary, when the disc was faster than the ball (positive sliding), the film formation was very complex and time dependent while both of the studied proteins have shown any qualitative change during the test, however the effect of albumin seems to be much more important. Since a very good agreement of the results was obtained, it can be concluded that the approach consisting of two optical methods can provide the fundamental information about the lubricant film formation in meaning of particular proteins while the simultaneous presence of other constituents in model synovial fluid.

Náhrada kyčelního kloubu; fluorescenční mikrkoskopie, kolorimetrická interferometrie, albumin, y-globulin, tloušťka mazacího filmu

Hip replacement; Fluorescent microscopy; Colorimetric interferometry; Albumin; γ-globulin; Lubricant film thickness

01.03.2016

Elsevier Ltd.

United Kingdom

1751-6161

55

3

295–307

13