Vliv složení synoviální kapaliny, rychlosti a zatížení na tření kloubní chrupavky

The effect of synovial fluid composition, speed and load on frictional behaviour of articular cartilage

journal article in Web of Science

en

Articular cartilage ensures smooth motion of natural synovial joints operating at very low friction. However, number of patients suffering from joint diseases, usually associated with cartilage degradation, continuously increases. Therefore, an understanding of cartilage tribological behaviour is of great interest in order to minimize its degradation, preserving the reliable function of the joints. The aim of the present study is to provide a comprehensive comparison of frictional behaviour of articular cartilage, focusing on the effect of synovial fluid composition (i), speed (ii), and load (iii). The experiments were realized using pin-on-plate tribometer with reciprocating motion. The articular cartilage pin was loaded against smooth glass plate while the tests consisted of loading and unloading phases in order to enable cartilage rehydration. Various model fluids containing albumin, γ-globulin, hyaluronic acid, and phospholipids were prepared in two different concentrations simulating physiologic and osteoarthritic synovial fluid. Two different speeds, 5 mm/s and 10 mm/s were applied and the tests were carried out under 5 N and 10 N. It was found that protein based solutions exhibit nearly no difference in friction coefficient, independently of the concentration of the constituents. However, the behaviour is considerably changed when adding hyaluronic acid and phospholipids. Especially when interacting with γ-globulin, friction coefficient decreased substantially. In general, an important role of the interaction of fluid constituents was observed. On the other hand, a limited effect of speed was detected for most of the model fluids. Finally, it was shown that elevated load leads to lower friction which well corresponds to previous observations. Further study should concentrate on specific explored phenomena focusing on the detailed statistical evaluation.

Kloubní chrupavka zajišťuje hladký pohyb synoviálních kloubů při zachování velmi nízkého součinitele tření. Neustále však narůstá počet pacientů trpících nemocemi kloubů, přičemž obtíže jsou často spjaty právě s poškozením chrupavky. Proto je nutné porozumět tribologickým vlastnostem chrupavky při snaze zabránit její degradaci a tím zachovat spolehlivou funkci kloubů. Cílem této studie je poskytnout rozsáhlé srovnání tření kloubní chrupavky s ohledem na vliv složení synoviální kapaliny (i), rychlosti (ii) a zatížení (iii). Experimenty byly provedeny s využitím pin-on-plate tribometru s recipročním pohybem. Pin extrahované kloubní chrupavky byl přitlačován ke skleněné destičce, přičemž testy se skládaly z několik fází zatížení a odtížení při snaze umožnit rehydrataci chrupavky. Byly využity různé modelové kapaliny obsahující albumin, γ-globulin, kyselinu hyaluronovou a fosfolipidy. Obecně byly studovány kapaliny o dvou rozdílných koncentracích jednotlivých složek simulující fyziologickou a osteoartritickou synoviální kapalinu. Testy byly provedeny při dvou rozdílných rychlostech 5 mm/s a 10 mm/s a byly uvažovány dvě úrovně zatížení, 5 N, respektive 10 N. Bylo zjištěno, že kapaliny obsahující výhradně proteiny vykazují velmi malé rozdíly v součiniteli tření, nezávisle na koncentraci jednotlivých složek. Nicméně, chování se významně změnilo při přidání kyseliny hyaluronové a fosfolipidů. Zejména v případě interakce s γ-globulinem tření výrazně pokleslo. Obecně byla pozorována velmi důležitá role interakce jednotlivých složek. Oproti tomu byl pro většinu testovaných kapalin pozorován jen nepatrný vliv rychlosti. Konečně, byl pozorován pokles tření při zvyšujícím se zatížení, což odpovídá předchozím studiím. Další výzkum by se měl zaměřit na specifické jevy pozorované v této studii při uvažování detailního statistického zpracování dat.

Articular cartilage ensures smooth motion of natural synovial joints operating at very low friction. However, number of patients suffering from joint diseases, usually associated with cartilage degradation, continuously increases. Therefore, an understanding of cartilage tribological behaviour is of great interest in order to minimize its degradation, preserving the reliable function of the joints. The aim of the present study is to provide a comprehensive comparison of frictional behaviour of articular cartilage, focusing on the effect of synovial fluid composition (i), speed (ii), and load (iii). The experiments were realized using pin-on-plate tribometer with reciprocating motion. The articular cartilage pin was loaded against smooth glass plate while the tests consisted of loading and unloading phases in order to enable cartilage rehydration. Various model fluids containing albumin, γ-globulin, hyaluronic acid, and phospholipids were prepared in two different concentrations simulating physiologic and osteoarthritic synovial fluid. Two different speeds, 5 mm/s and 10 mm/s were applied and the tests were carried out under 5 N and 10 N. It was found that protein based solutions exhibit nearly no difference in friction coefficient, independently of the concentration of the constituents. However, the behaviour is considerably changed when adding hyaluronic acid and phospholipids. Especially when interacting with γ-globulin, friction coefficient decreased substantially. In general, an important role of the interaction of fluid constituents was observed. On the other hand, a limited effect of speed was detected for most of the model fluids. Finally, it was shown that elevated load leads to lower friction which well corresponds to previous observations. Further study should concentrate on specific explored phenomena focusing on the detailed statistical evaluation.

Biotribologie, kloubní chrupavka, koeficient tření, tribologické vlastnosti, synoviální kapalina

Biotribology; articular cartilage; coefficient of friction; tribological properties; synovial fluid

15.03.2020

MDPI

Basilej, Švýcarsko

1996-1944

13

6

1–16

16