Studium mechanismů mazání v náhradách kyčelního kloubu. Část I: Měkké kloubní páry

On the observation of lubrication mechanisms within hip joint replacements. Part I: Hard-on-soft bearing pairs

journal article in Web of Science

en

The present study describes the lubrication mechanisms within artificial hip joints considering real conformity of rubbing surfaces. Part I is focused on hard-on-soft material combination, introducing the fundamentals of lubrication performance. These pairs have not been explored in terms of in situ observation before. The contact of metal femoral component articulating with transparent polymer acetabular cup was studied using a hip joint simulator. The film formation was evaluated by fluorescent microscopy method. Various model synovial fluids were employed while the key constituents, i.e. albumin, γ-globulin, and hyaluronic acid were fluorescently stained to determine its role in film formation process. Two types of the tests were performed. The first dynamic test aimed on the development of film thickness under constant load during motor driven swinging motion mimicking flexion-extension. Subsequently, a combined test was designed consisting of the three phases; static part with loading/unloading phase (1), pendulum swinging till spontaneous damping of the motion due to friction (2), and static observation under the constant load (3). The results clearly confirmed that the interaction of constituents of synovial fluid plays a dominant role and substantially influences the lubrication conditions. In particular, the main finding coming from the present study is that γ-globulin together with hyaluronic acid form relatively thin stable boundary layer enabling the enhanced adsorption of albumin, thus increasing the lubricant film. Part II of the present study is focused on hard-on-hard pairs while the main differences in film formation process are highlighted among others.

Studie se zabývá popisem mechanismů mazání v umělých kyčelních náhradách při uvažování reálné konformity stykových ploch. Část I je zaměřena na tzv. měkké kloubní páry, přičemž jsou představeny fundamentální aspekty mazání těchto implantátů. Tyto kloubní páry nebyly doposud podrobeny přímému in situ pozorování. S využitím kyčelního simulátoru na principu kyvadla byl studován kontakt kovové femorální hlavice artikulující s průhlednou polymerní jamkou. Vývoj mazacího filmu byl vyhodnocen pomocí metody na principu fluorescenční mikroskopie. Byly použity různé modelové kapaliny, přičemž klíčové složky, tj. albumin, γ-globulin a kyselina hyaluoronová byly fluorescenčně označeny, aby bylo možné stanovit jejich roli v procesu mazání. Byly provedeny dva typy testů. První, dynamický test, byl zaměřen na vývoj tloušťky filmu při konstantním zatížení při řízeném kývavém pohybu napodobující flexi-extenzi. Následně byl navržen kombinovaný test, který se skládal ze tří částí; statické části se střídajícím se zatížením a odtížením (1), spontánního kývavého pohybu do utlumení v důsledku tření (2), a statické části při konstantním zatížení (3). Výsledky jasně poukázaly na skutečnost, že vzájemná interakce jednotlivých složek synoviální kapaliny hraje zásadní roli a významně ovlivňuje podmínky mazání. Konkrétním hlavním poznatkem z této studie je, že γ-globulin společně s kyselinou hyaluronovou formuje tenkou stabilní meznou vrstvu, která zlepšuje následnou adsorpci albuminu, což v konečném výsledku vede k nárůstu tloušťky mazací vrstvy. Část II této studie je zaměřena na tvrdé kloubní páry, přičemž jsou, mimo jiné, zdůrazněny hlavní rozdíly v procesu mazání mezi měkkými a tvrdými páry.

The present study describes the lubrication mechanisms within artificial hip joints considering real conformity of rubbing surfaces. Part I is focused on hard-on-soft material combination, introducing the fundamentals of lubrication performance. These pairs have not been explored in terms of in situ observation before. The contact of metal femoral component articulating with transparent polymer acetabular cup was studied using a hip joint simulator. The film formation was evaluated by fluorescent microscopy method. Various model synovial fluids were employed while the key constituents, i.e. albumin, γ-globulin, and hyaluronic acid were fluorescently stained to determine its role in film formation process. Two types of the tests were performed. The first dynamic test aimed on the development of film thickness under constant load during motor driven swinging motion mimicking flexion-extension. Subsequently, a combined test was designed consisting of the three phases; static part with loading/unloading phase (1), pendulum swinging till spontaneous damping of the motion due to friction (2), and static observation under the constant load (3). The results clearly confirmed that the interaction of constituents of synovial fluid plays a dominant role and substantially influences the lubrication conditions. In particular, the main finding coming from the present study is that γ-globulin together with hyaluronic acid form relatively thin stable boundary layer enabling the enhanced adsorption of albumin, thus increasing the lubricant film. Part II of the present study is focused on hard-on-hard pairs while the main differences in film formation process are highlighted among others.

Náhrada kyčelního kloubu; měkké páry; mazání; fluorescenční mikroskopie; synoviální kapalina

Hip joint replacements; hard-on-soft pairs; lubrication; fluorescent microscopy; synovial fluid

01.01.2019

Elsevier

Nizozemsko

1751-6161

89

1

237–248

12