Biotribologia Wykład 7,8 Bio-węzły tarcia w organizmie ludzkim dr inż. Piotr Kowalewski Instytut Konstrukcjii EksploatacjiMaszyn, Zakład PodstawKonstrukcjiMaszynI Tribologii Bio-węzeł tarcia Węzły tarcia są podstawowymi systemami tribologicznymi w maszynach i urządzeniach. Węzły tarcia decydują o trwałości i niezawodności urządzeń. O jakości węzłów tarcia decydują czynniki materiałowe, konstrukcyjne, technologiczne oraz eksploatacyjne. Bio-węzeł tarcia system tribologiczny występujący w organizmach żywych. 1
Obszary tarcia występującego w organizmie żywym staw biodrowy, jama ustna. staw kolanowy skóra (uchwyt), zębodoły stawy maziowe, tarcie zębów stawy maziowe, tarcie zębów ciecz synowialna, krew Z. Lawrowski Stawy synowialne Stawy synowialne (maziowe, wolne) są najbardziej ruchomym połączeniem pomiędzy kośćmi. Stałe składowe stawu: chrząstka stawowa pokrywająca powierzchnie stawowe torebka stawowa składająca się z warstwy zewnętrznej włóknistej i warstwy wewnętrznej maziowej, która wydziela lepką substancję zwaną mazią stawową, jama stawowa Niestałe składowe stawu: więzadła stawowe zbudowane z tkanki łącznej włóknistej obrąbek stawowy - wał chrząstki włóknistej,np. w stawie barkowym powoduje pogłębienie panewki, chroni główkę przed uderzeniem krążki stawowe zbudowane z chrząstki włóknistej łąkotki stawowe kaletki maziowe 2
Budowa stawu ruchomego synowialnego Wikipedia Rodzaje stawów synowialnych Ze względu na złożoność stawy można podzielić na: stawy proste - w budowie biorą udział tylko dwie kości stawy złożone - złożone z więcej niż dwóch kości 3
Rodzaje stawów synowialnych Ze względu na budowę stawy można podzielić na: staw maziówkowy staw łąkotkowy staw z krążkiem stawowym Kaletka maziowa rodzaj wytworu błony maziowej, mający postać zbudowanego z tkanki łącznej worka o pęcherzykowatym kształcie. Łąkotka- elastyczna, zbudowana z tkanki chrzęstnej włóknistej (staw kolanowy) Krążek stawowy - zbudowany ze zbitej tkanki łącznej włóknistej, dopasowuje powierzchnie stawowe, dzieli jamę stawową na dwie komory (staw mostkowoobojczykowy). Ruchy występujące w stawach ślizganie - jedna powierzchnia stawowa dotyka stale tą samą częścią nowych części drugiej powierzchni (np. stawy nadgarstka), toczenie - nowe części jednej powierzchni stawowej dotykają nowych części drugiej powierzchni (np. staw kolanowy), obracanie - dwie powierzchnie stawowe o kształcie wycinków kuli przylegają do siebie w jednym punkcie i w tym miejscu jedna kość obraca się na drugiej (np. staw ramieniowo-promieniowy). 4
Rodzaje stawów ze względu na kształt powierzchni ślizgowych stawy jednoosiowe staw zawiasowy staw łokciowy (4) staw obrotowy staw promieniowo-łokciowy (5) staw śrubowy staw szczytowo-obrotowy stawy dwuosiowe staw eliptyczny staw promieniowo-nadgarstkowy (2) staw siodełkowaty staw śródręczno-nadgarstkowy kciuka (3) stawy wieloosiowe staw kulisty wolny staw ramienny staw kulisty panewkowy staw biodrowy(1) stawy nieregularne staw płaski staw krzyżowo-biodrowy staw mostkowo-obojczykowy (staw kulisty) Wikipedia Chrząstka stawowa - budowa 5
Chrząstka stawowa Schematyczne przedstawienie budowy substancji podstawowej chrząstki stawowej Holam Substancja podstawowa spełnia rolę wypełniacza, współtworzy strukturę nadając jej mechaniczne właściwości. Ponadto jest ona środowiskiem, poprzez które odbywa się transport substancji odżywiających komórki chrzęstne. Chrząstka stawowa Kampen i Stadt Chondrocyty mają owalny kształt i są umieszczone w osnowie z włókien kolagenowych, pomiędzy substancją podstawową chrząstki stawowej (14 000 15 000 /mm 3 ). Pod wpływem wielkości bodźca mechanicznego następuje tworzenie lub obumieranie chondrocytów. 6
Chrząstka stawowa Wang, Hung, Mow Diagram dystrybucji chondrocytów w trzech strefach chrząstki stawowej, i relacji pomiędzy kompozycją struktury, sygnałami mechanicznymi i ich aktywnością biosyntetyczną Mikrostruktura powierzchni stawowej Arkadowa budowa chrząstki stawowej J. Cwanek i inni Spiralna budowa chrząstki stawowej W. George 7
Własności chrząstki stawowej Zmiany wytrzymałości granicznej chrząstki stawowej w zależności od wieku J. Popko Bioinżynieria chrząstki stawowej K. Wierzcholski 8
Ciecz synowialna Substancją smarującą w stawach jest ciecz synowialna zwana również mazią (synowią). Poza funkcjami smarowniczymi ciecz synowialna pełni również funkcje odżywcze chrząstki stawowej. R. Będzińki Ciecz synowialna Ciecz synowialna posiada właściwości cieczy nienewtonowskiej o dużej lepkości. Zmiany lepkości cieczy synowialnej wraz z prędkością ścinania oraz ciśnienia są jej cechą charakterystyczną. J.R. Dąbrowski i inni. K. Wierzcholski, R. Nowowiejski, S. Pytko 9
Tarcie i zużywanie stawów Proces tarcia i zużycia stawów uzależniony jest: fizjologii stawu oraz organizmu, biomechanicznych i tribologicznych własności chrząstek stawowych oraz cieczy synowialnej kształtu i ślizgających się powierzchni (w skali makro i mikro) stopnia aktywności ruchowej organizmu, obciążeń (m.in. ciężaru ciała), obecności cieczy synowialej w stawie, jej ilości, własności. Tarcie w stawach Współczynniki tarcia w różnych stawach J.H. Dumbleton (R. Będziński) 10
Tarcie w stawach K. Wierzcholski, A. Czajkowski Zestawienie wartości współczynników tarcia występujących w stawach człowieka Tarcie i zużywanie stawów W stawach naturalnych może dochodzić do trzech podstawowych rodzajów tarcia: - Tarcia płynnego (smarowanie hydrodynamiczne, bioelastohydrodynamiczne) - Tarcia mieszanego - Tarcia granicznego ze względu na budowę tkanek tarce suche praktycznie nie występuje 11
Smarowanie bioelastohydrodynamiczne W naturalnym stawie dochodzi do odkształcania chrząstki pod wpływem wysokiego ciśnienia cieczy synowialnej podczas tarcia. K. Wierzcholski Tarcie graniczne i mieszane w stawach zjawisko powstawania mikroklinów związanych z oddziaływaniem pojedynczych nierówności 12
Adsorbcja podczas tarcia w stawach W czasie obciążania stawu następuje wciskanie do chrząstki mniejszych molekuł z cieczy synowialnej, większe pozostają na powierzchni tworząc warstwę graniczną [K. Wierzcholski]. Tarcie stawów w początkowej fazie ruchu K. Mabuchi, M. Ujihira, T. Sasada 13
Wpływ nacisku na tarcie w naturalnych stawach J. Katta, Z. Jin, E. Ingham, J. Fisher Naciski występujące w stawie S. Pytko 14
Naciski występujące w stawie L. Li i inni Zaburzenia tarcia (patologia) Przyczynami uszkodzeń stawów człowieka są[s. Pytko]: zmiany chorobowe, mechaniczne przeciążenia stawów. Z biotribologicznego punktu widzenia przyczyną rozpoczynającą niszczenie zarówno łożyska jak i stawu człowieka jest[m. Gierzyńka-Dolna]: brak mazi stawowej, deformacja kości stawu lub jej pęknięcie obszarowe zniszczenie chrząstki 15
Zaburzenia tarcia (patologia) Przyczyny uszkodzenia chrząstki: uraz mechaniczne uszkodzenie (np. stłuczenie lub skręcenie stawu kolanowego, stłuczenie lub zwichnięcie barku itd.) niestabilność stawu nieprawidłowa biomechanika stawu, nadmierne ścieranie powierzchni chrząstki. Niestabilność wynika z niewydolności więzadeł, uszkodzenie łąkotki lub jej brak po resekcji w wyniku skręcenia stawu kolanowego lub na tle zmian degeneracyjnych zwyrodnieniowych nieprawidłowa oś stawu, nieprawidłowa biomechanika stawu (np. kolano koślawe, kolano szpotawe) przeciążenie nadmierna aktywność fizyczna, zwłaszcza przez lata, prowadząca do zużycia chrząstki głównie u sportowców; nadmierna masa ciała prowadząca do nadmiernego nacisku na powierzchnie stawowe długie unieruchomienie stawu i zbyt mała aktywność ruchowa chrząstka, będąc tkanką nieukrwioną i nieunerwioną, odżywia się w ruchu, na zasadzie dyfuzji iniekcje dostawowe sterydów (tzw. blokady ) działają silnie przeciwzapalnie, ale powodują nieodwracalne zwłóknienie i blizny łącznotkankowe w zakresie chrząstki i otaczających struktur stawowych. schorzenia ogólnoustrojowe, np. reumatoidalne zapalenie stawów, dna moczanowa. Zaburzenia tarcia (patologia) S. Pytko 16
Zaburzenia tarcia (patologia) Zaburzenia tarcia (patologia) niezużyta - 0 cykli S. Graindorge, G. Stachowiak 20 min - 3084 cykli 45 min - 6939 cykli 17
Zaburzenia tarcia (patologia) Widok stanowiska badawczego: 1 uchwyt dolny, 2 próbka dolna, 3 uchwyt górny, 4 próbka górna, 5 dźwignia obciążająca, 6 czujnik przemieszczenia, 7 wał napędowy T. Trzaskacz, C. Koziarski, Z. Ferenc Zaburzenia tarcia (patologia) Chrząstka odniesienia (zdrowa) Chrząstka badana (chora) T. Trzaskacz, C. Koziarski, Z. Ferenc 18
Tarcie skóry Obciążenie - 20 g Przyrząd do badania tarcia skóry (in-vivo) J. Asserin i inni 37 Tarcie skóry Zmiana siły tarcia szkła i PP po skórze (na sucho i na mokro) R=20 mm, Fn =2 N, v s =8 mm/s M. J. Adams, B. J. Briscoe, S.A. Johnson 38 19
Tarcie skóry M. J. Adams, B. J. Briscoe, S.A. Johnson Zmiana współczynnika tarcia podczas nawilżania i schnięcia skóry. Szkła R=8 mm, Fn =0,5 N, v s =8 mm/s 39 Tarcie skóry Y. Nonomura i inni 40 Przyrząd do badania dotyku. Pomiar nacisku oraz siły tarcia Współczynnik tarcia zależny od struktury powierzchni skóry 20
Tarcie skóry W porównaniu z gładką skórą, linie papilarne o 30% zmniejszają powierzchnię styku, co redukuje tarcie. Hipotetyczne funkcje linii papilarnych: Zwiększenie tarcie na chropowatych powierzchniach, takich jak gałęzie drzew. Zahaczanie mikronierówności i zwiększanie powierzchni styku. Zwiększanie przyczepność podczas chwytanie mokrych przedmiotów, rowki pomagają wodzie spływać (bieżnik w oponach), Proporcjonalne zwiększanie powierzchni styku wraz ze zwiększaniem nacisku. Zwiększona czułość dotyku. 41 Roland Ennos Tarcie zębów Wklinowanie - więzozrost, połączenie między korzeniem zęba i ścianką zębodołu u ssaków. Tarcie statyczne Żucie, zgrzytanie - tarcie pomiędzy powierzchniami żującymi (szkliwo) zębów. Tarcie kinetyczne 21
Tarcie zębów Wklinowanie Mocowanie zębów w zębodole odbywa się przy udziale ozębnej korzenia i okostnej wyrostka zębodołowego. Wyrostek zębodołowy część kości szczęk, w której osadzone są zęby. Zęby w zębodołach oddzielone są od siebie przegrodami zębowymi. W zębodołach zębów wielokorzeniowych znajdują się również przegrody międzykorzeniowe. Ozębna - więzadło przyzębne, tkanka wypełniająca przestrzeń między cementem korzeniowym, a kością wyrostka zębodołowego, łącząc jednocześnie obie struktury. Tarcie zębów Ozębna budowana jest z dwóch typów tkanki łącznej: włóknistej (o układzie regularnym) oraz wiotkiej (bogatej w komórki, naczynia i nerwy). W ozębnej występują grube pęczki włókien kolagenowych, włókien elastycznych oraz włókien oksytalanowych, które wykazujące bardzo zróżnicowany przebieg. Jedne końce włókien wbudowane są w cement, a drugie w kość zbitą wyrostka zębodołowego, określane są jako włókna Sharpey'a. Uważa się, że ozębna pełni następujące funkcje: utrzymuje ząb w zębodole; amortyzuje działanie sił mechanicznych w trakcie żucia; wytwarza włókna, kość oraz cement, dzięki obecności fibroblastów, osteoblastów i cementoblastów; może resorbować kość, cement i włókna; odżywia ząb; pośredniczy przy odczuwaniu dotyku, ucisku i bólu. 22
Tarcie zębów Szkliwo jest najtwardszą tkanką organizmu. Pełni funkcję ochronną przed skutkami tarcia, czynnikami biologicznymi oraz chemicznymi. Szkliwo zębów zbudowane jest: 96-98% ze związków nieorganicznych w postaci kryształów hydroksyapatytu oraz węglanów sodu, manganu, wapnia i fluoru. 2-4% to związki organiczne i woda. Kryształy hydroksyapatytu ułożone są bardzo ciasno w pewnym określonym porządku. Pomiedzy kryształami hydroksyapatytu istnieją wąskie przestrzenie wypełnione wodą i materiałem organicznym. Kwasy produkowane przez płytkę nazębną usuwają związki mineralne z powierzchni kryształów. Prowadzi to do skurczenia się kryształów i poszerzenia przestrzeni między nimi. Tarcie zębów E. d Incau, C. Couture, B. Maureille J. Zheng, Z.R. Zhou 23
Tarcie zębów M. H. Ramp, L. Wang i inni Tarcie wewnętrzne - krwioobieg Krew jest jednym z płynów ustrojowych, w którym zawieszone są elementy morfotyczne. Spełnia ona swoje zadania tylko wówczas, jeśli jest w ruchu, czyli krąży w naczyniach krwionośnych i wolno przepływa przez system naczyń włosowatych. Krew składa się z osocza, które jest środowiskiem płynnym, oraz tworzących zawiesinę w osoczu elementów morfotycznych: krwinki czerwone (erytrocyty i retikulocyty), krwinki białe (leukocyty) krwinki płytkowe (trombocyty). Hemodynamika 24
Tarcie wewnętrzne krwi Im większa jest cieczy tym większe ciśnienie musi być użyte do przepompowania danej cieczy w jednostce czasu przez wąską rurkę. Największy udział w oporze obwodowym układu krążenia przypada tętniczkom przedwłosowatym mięśni szkieletowych i gładkich oraz narządom jamy brzusznej. Wraz ze skurczem naczyń przedwłosowatych wzrasta ciśnienie tętnicze; rozszerzeniu naczyń, to jest obniżeniu oporu obwodowego, towarzyszy odwrotny skutek. Tarcie wewnętrzne krwi Lepkość krwi zależy od lepkości osocza, i ilości elementów morfotycznych (głównie czerwonych krwinek). Osocze wykazuje właściwości cieczy newtonowskiej, ale krew nie. Lepkość krwi (przy prędkości ścinania 100 sec 1) jest około pięć razy większa od lepkości wody. Przy dużym wzroście ilości czerwonych krwinek (czerwienica), lepkość krwi może być 10-krotnie większa niż lepkość wody. 25
Tarcie wewnętrzne krwi Zależność lepkości i sprężystości krwi od prędkości ścinania www.vilastic.com Tarcie wewnętrzne krwi Rongjia Tao, Ke Huang, Wpływ pola magnetycznego na orientację cząsteczek krwi i zmniejszenie jej lepkości. Redukcja lepkości krwi 20-30% na kilka godzin. 26
Tarcie w przełyku Przełyk (łac. esophagus, nosiciel pokarmów) - jest przewodem mięśniowo-błoniastym o podłużnym przebiegu; łączy gardło z żołądkiem. Czynność przełyku polega na transporcie pokarmu z gardła do żołądka. Ściana przełyku nie ma zdolności wchłaniania pokarmu ani trawienia. Przełyk ma długość średnio około 23-25 cm, odległość od siekaczy do żołądka około 40 cm. Ściana przełyku składa się licząc od wewnątrz z: błony śluzowej, utkania podśluzowego błony mięśniowej warstwy okrężnej warstwy podłużnej Tarcie w przełyku Ściana przełyku składa się licząc od wewnątrz z: błony śluzowej, utkania podśluzowego błony mięśniowej warstwy okrężnej warstwy podłużnej 27
Tarcie w przełyku Charakterystyka zmian współczynnika tarcia błony śluzowej, w zależności od parametrów ruchowych. J.F. Prinz, R.A. de Wijk, L. Huntjens Dziękuję za uwagę 28
29