Pozorování mechanismů mazání v náhradě kolenního kloubu: Pilotní studie

Observation of lubrication mechanisms in knee replacement: A pilot study

journal article in Scopus

en

The present study introduces a unique experimental approach for in situ observation of lubricant film formation in knee joint replacements. A knee joint simulator was designed and equipped with optical module based on fluorescent optical method for film thickness observation. The contact between the femoral knee metal implant and real-shaped polymer insert mimicking actual contact nature is observed. The shape of the polymer insert was fabricated with respect to the shape of original polyethylene insert to ensure corresponding contact conformity. Simple solutions of albumin and γ-globulin proteins as well as its mixture were used while the film thickness was studied as a function of time considering simplified flexion/extension motion with variable load over the cycle. Adequate fluorescent markers were employed enabling to observe one particular protein during each measurement. The results showed a clear importance of the interaction of proteins since the mixtures showed different results compared to simple solutions. Especially considering albumin protein, its behaviour was substantially affected by adding γ-globulin. Moreover, a satisfactory compliance with previous findings related to hip joint lubrication in terms of the behaviour of both proteins was found. Finally, the motivation for future experimental work is highlighted.

Studie představuje unikátní experimentální přístup pro přímé in situ pozorování formování mazacího filmu v kolenní náhradě. Pro tento účel byl vyvinut kolenní simulátor, který byl vybaven optickým modulem na principu fluorescenční mikroskopie pro pozorování tloušťky mazacího filmu. Kontaktní dvojice je tvořena kovovou femorální komponentou a polymerovou vložkou, což odpovídá skutečné mechanice kontaktu. Tvar vložky byl vytvořen s ohledem na tvar originální vložky pro zajištění skutečné konformity. Byly použity jak jednoduché, tak smíšené proteinové roztoky albuminu a γ-globulinu, přičemž tloušťka filmu byla sledována v závislosti na čase při uvažování zjednodušeného pohybu flexe/extenze a proměnného zatížení v průběhu cyklu. Díky využití vhodných fluorescenčních barviv bylo možné pozorovat konkrétní proteiny v průběhu každého měření. Výsledky poukázaly na jasnou interakci proteinů, jelikož smíšená maziva vykazovala rozdílné výsledky oproti jednoduchým roztokům. Zejména v případě albuminu bylo pozorováno zásadní ovlivnění chování přidáním γ-globulinu. Navíc, ve smyslu chování obou proteinů byla pozorována dobrá shoda s předchozími zjištěními ohledně mechanismů mazání v kyčelních kloubech. Na závěr studie je zmíněna motivace pro další experimentální práci.

The present study introduces a unique experimental approach for in situ observation of lubricant film formation in knee joint replacements. A knee joint simulator was designed and equipped with optical module based on fluorescent optical method for film thickness observation. The contact between the femoral knee metal implant and real-shaped polymer insert mimicking actual contact nature is observed. The shape of the polymer insert was fabricated with respect to the shape of original polyethylene insert to ensure corresponding contact conformity. Simple solutions of albumin and γ-globulin proteins as well as its mixture were used while the film thickness was studied as a function of time considering simplified flexion/extension motion with variable load over the cycle. Adequate fluorescent markers were employed enabling to observe one particular protein during each measurement. The results showed a clear importance of the interaction of proteins since the mixtures showed different results compared to simple solutions. Especially considering albumin protein, its behaviour was substantially affected by adding γ-globulin. Moreover, a satisfactory compliance with previous findings related to hip joint lubrication in terms of the behaviour of both proteins was found. Finally, the motivation for future experimental work is highlighted.

Kolenní náhrada; mazání; proteiny; fluorescence

Knee replacement; lubrication; proteins; fluorescence

01.03.2019

Elsevier

United Kingdom

2352-5738

17

2019

1–7

7