FRICTION ON THE BIO-CELL SURFACES AS A CONTRIBUTION IN MICROBEARING TRIBOLOGY

Podobne dokumenty
FLOW ON THE BIO-CELL SURFACES AS AN ELEMENT OF MICROBEARING TRIBOLOGY

BOUNDARY CONDITIONS ON THE BIO-CELL SURFACES FOR NANOLUBRICATION OF MICROBEARINGS

TOPOGRAFIA WSPÓŁPRACUJĄCYCH POWIERZCHNI ŁOŻYSK TOCZNYCH POMIERZONA NA MIKROSKOPIE SIŁ ATOMOWYCH

HYDRODYNAMIC PRESSURE IN HUMAN HIP JOINT

PROJEKT MIKRO- I NANOTRIBOLOGICZNYCH BADAŃ CHRZĄSTKI STAWOWEJ

CHARAKTERYSTYKA ROWKOWANEJ WARSTWY WIERZCHNIEJ MIKROŁOŻYSK KOMPUTERA

Moc mieszadła cyrkulacyjnego W warniku cukrowniczym * Streszczenie:

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

ANALIZA TOPOGRAFII POWIERZCHNI PANEWEK MIKROŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH Z MIKROROWKAMI

CIŚNIENIE I NOŚNOŚĆ WZDŁUŻNEGO ŁOŻYSKA ŚLIZGOWEGO SMAROWANEGO OLEJEM MIKROPOLARNYM

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

A NEW MEASUREMENT METHOD OF FRICTION FORCES REGARDING SLIDE JOURNAL BEARINGS BY ACOUSTIC EMISSION

Zadania pomiarowe w pracach badawczo-rozwojowych. Do innych funkcji smarów nale$#:

SZKIC ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ROZWI ZA ZADA W ARKUSZU II

BIOTRIBOLOGY OF BIOREACTORS IN ELECTRORHEOLOGY ASPECTS BIOTRIBOLOGIA BIOREAKTORÓW W ASPEKCIE ELEKTROREOLOGII

WPŁYW DODATKU NA WŁASNOŚCI SMAROWE OLEJU BAZOWEGO SN-150

A NEW METHOD OF MEASURING THE OPERATING PARAMETERS OF SLIDE JOURNAL BEARINGS BY USING ACOUSTIC EMISSION

Aerodynamika i mechanika lotu

IDENTYFIKACJA I ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH I MECHANICZNYCH KOŚCI MIEDNICZNEJ CZŁOWIEKA

THE INTELLIGENT OPERATION OF NANO-GROOVED MICROBEARING SURFACES IN COMPUTER HDDS

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ CRN W WARUNKACH TARCIA MIESZANEGO

Microsystems in Medical Applications Liquid Flow Sensors

ROZCHODZENIE SIĘ POWIERZCHNIOWYCH FAL LOVE A W FALOWODACH SPREśYSTYCH OBCIĄśONYCH NA POWIERZCHNI CIECZĄ LEPKĄ (NEWTONOWSKĄ)

BADANIA MORFOLOGII POWIERZCHNI CHRZĄSTKI STAWOWEJ Z WYKORZYSTANIEM TECHNIKI KOMPUTEROWEJ

DETEKCJA FAL UDERZENIOWYCH W UKŁADACH ŁOPATKOWYCH CZĘŚCI NISKOPRĘŻNYCH TURBIN PAROWYCH

NUMERICAL ANALYSIS OF THE RIVETED SPECIMEN

Badania doświadczalne wielkości pola powierzchni kontaktu opony z nawierzchnią w funkcji ciśnienia i obciążenia

WZDŁUŻNE POLE MAGNETYCZNE W SZCZELINIE POPRZECZNEGO ŁOŻYSKA ŚLIZGOWEGO

144 T R I B O L O G I A

Badanie amortyzatorów na uniwersalnym stanowisku do diagnostyki układu nonego pojazdu samochodowego

CAPACITY ENHANCEMENT WITH FRICTION FORCE DIMINUTION IN HDD SPHERICAL MICRO-BEARING

THE STUDY OF SLIDE BEARING PROPERTIES INCLUDING THE SURFACE TEXTURE GEOMETRY OF A JOURNAL

SPIS OZNACZE 1. STATYKA

Elementy pneumatyczne

WARSZAWA LIX Zeszyt 257

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

MOLIWO ZASTOSOWANIA POMIARU PRDKOCI FAL AKUSTYCZNYCH DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW SPRYSTOCI MATERIAŁÓW SYPKICH

ZASTOSOWANIE ODCINKOWO-LINIOWEGO MINIMODELU DO MODELOWANIA PRODUKCJI SPRZEDANEJ PRZEMYSŁU

SG-MICRO... SPRĘŻYNY GAZOWE P.103

AERODYNAMIKA UKŁADU KOŁO KOLEJOWE - KLOCEK HAMULCOWY I JEJ WPŁYW NA OBCIĄŻENIA TERMICZNE

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

Projektowanie algorytmów rekurencyjnych

Optymalizacja cech geometrycznych stentu wiecowego z wykorzystaniem metody elementów skoczonych*

CZTEROKULOWA MASZYNA TARCIA ROZSZERZENIE MOŻLIWOŚCI BADAWCZYCH W WARUNKACH ZMIENNYCH OBCIĄŻEŃ

DYNAMICAL STABILITY PROBLEM OF A SPHERICAL SHELL UNDER CIRCUMFERENTIAL UNIFORMLY DISTRIBUTED SURFACE LOAD

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

INSPECTION METHODS FOR QUALITY CONTROL OF FIBRE METAL LAMINATES IN AEROSPACE COMPONENTS

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

MASZYNA MT-1 DO BADANIA WŁASNOŚCI TRIBOLOGICZNYCH ZE ZMIANĄ NACISKU JEDNOSTKOWEGO

ON INFLUENCE OF DIESEL OIL SORT ON FRICTION AND WEAR PROCESSES Tarkowski Piotr, Paluch Roman Katedra Pojazdów Samochodowych Politechnika Lubelska

Badania tribologiczne powłok CrN i TiN modyfikujących warstwę wierzchnią czopa w aspekcie zastosowania w łożyskach ślizgowych

CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNA DO PROJEKTU ARCHITEKTONICZNO BUDOWLANEGO ZAMIENNEGO

METODA MACIERZOWA OBLICZANIA OBWODÓW PRĄDU PRZEMIENNEGO

Optymalizacja konstrukcji wymiennika ciepła

METODYKA PROWADZENIA SYMULACJI WSPÓŁPRACY POWIERZCHNI RZECZYWISTYCH W PROCESIE TARCIA SUCHEGO

NOŚNOŚĆ POWIERZCHNI A RODZAJ JEJ OBRÓBKI

PARAMETRY EKSPLOATACYJNE POPRZECZNYCH ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH SMAROWANYCH FERROCIECZĄ O RÓŻNYM STĘŻENIU CZĄSTEK MAGNETYCZNYCH

Izolacja Anteny szerokopasmowe i wskopasmowe

IDENTYFIKACJA WSPÓŁCZYNNIKÓW DYNAMICZNYCH ŁOŻYSK Z UWZGLĘDNIENIEM NIEWYWAŻENIA WAŁU

stopie szaro ci piksela ( x, y)

Projektowanie i analiza zadaniowa interfejsu na przykładzie okna dialogowego.

ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII REP-RAP DO WYTWARZANIA FUNKCJONALNYCH STRUKTUR Z PLA

Wpływ temperatury podłoża na właściwości powłok DLC osadzanych metodą rozpylania katod grafitowych łukiem impulsowym

ASPEKTY PROJEKTOWANIA PASOWAŃ W POŁĄCZENIACH OSIOWOSYMETRYCZNYCH

Rys1 Rys 2 1. metoda analityczna. Rys 3 Oznaczamy prdy i spadki napi jak na powyszym rysunku. Moemy zapisa: (dla wzłów A i B)

Filozofia z elementami logiki Klasyfikacja wnioskowań I część 2

MODELE ODPOWIEDZI DO PRZYKŁADOWEGO ARKUSZA EGZAMINACYJNEGO Z FIZYKI I ASTRONOMII

SPOSÓB WYZNACZANIA MAKSYMALNEGO PRZYROSTU TEMPERATURY W PROCESIE TARCIA METALI

SPIS OZNACZE 1. STATYKA

Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polska Akademia Nauk

Proposal of thesis topic for mgr in. (MSE) programme in Telecommunications and Computer Science

p ISSN TRIBOLOGIA 1/2018 Key words: Abstract

Rys1. Schemat blokowy uk adu. Napi cie wyj ciowe czujnika [mv]

Połączenie wciskowe do naprawy uszkodzonego gwintu wewnętrznego w elementach silnika

Politechnika lska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urzdze Energetycznych Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Energetycznych

BIOPHYSICS. Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, Łódź, tel. (042)

II. W e ssawne dla przemys u drzewnego

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNYCH POLIAMIDU PA6 I MODARU

Planowanie adresacji IP dla przedsibiorstwa.

Międzynarodowa aktywność naukowa młodej kadry Wydziału Metali Nieżelaznych AGH na przykładzie współpracy z McMaster University w Kanadzie

Problem Odwrotny rozchodzenia się fali Love'a w falowodach sprężystych obciążonych cieczą lepką

ZASTOSOWANIE ANALOGII BIOLOGICZNEJ DO

NATĘŻENIE POLA ELEKTRYCZNEGO PRZEWODU LINII NAPOWIETRZNEJ Z UWZGLĘDNIENIEM ZWISU

KLUCZ PUNKTOWANIA ODPOWIEDZI

EGZAMIN MATURALNY 2010 FIZYKA I ASTRONOMIA

SYMULACJA TŁOCZENIA ZAKRYWEK KORONKOWYCH SIMULATION OF CROWN CLOSURES FORMING

BADANIE ZMIAN SPRĘŻYSTOŚCI I MIKROTWARDOŚCI POWŁOK NIKASILOWYCH W ASPEKCIE ZUŻYCIA TULEI SILNIKÓW SPALINOWYCH

Aerodynamics I Compressible flow past an airfoil

WYBRANE WŁACIWOCI BLACHY KAROSERYJNEJ H180B. J. KŁAPUT 1, K. ZARBSKI 2, S. WOLISKI 3 Instytut Inynierii Materiałowej Politechnika Krakowska

ANALIZA STANU ENERGETYCZNEGO WARSTWY WIERZCHNIEJ STALI 0H18N9T I POLIAMIDU PA6 PO WYBRANYCH SPOSOBACH PRZYGOTOWANIA POWIERZCHNI DO KLEJENIA

BADANIE MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ CYLINDRA W ASPEKCIE ODPORNOŚCI NA ZACIERANIE

Work Extrinsic and Inrinsic Motivation Scale

Adres strony internetowej, na której Zamawiaj cy udost pnia Specyfikacj Istotnych Warunków Zamówienia:

SYMULACYJNA OCENA POTENCJAŁU ROZWOJOWEGO MIAST WOJEWÓDZTWA LUBUSKIEGO W KONTEKŚCIE WSPÓŁPRACY TRANSGRANICZNEJ Z BRANDENBURGIĄ

W Y B R A N E P R O B L E M Y I N Y N I E R S K I E ALGORYTM STEROWANIA ADAPTACYJNEGO HYBRYDOWEGO POJAZU KOŁOWEGO

4. EKSPLOATACJA UKŁADU NAPĘD ZWROTNICOWY ROZJAZD. DEFINICJA SIŁ W UKŁADZIE Siła nastawcza Siła trzymania

IX. W e elektrycznie przewodz ce

Tytuł pracy w języku angielskim: Microstructural characterization of Ag/X/Ag (X = Sn, In) joints obtained as the effect of diffusion soledering.

Analityczne wyznaczanie charakterystyk mocy cz ciowych za pomoc wzorów Leidemanna

BADAWCZE WYZNACZENIE ELEMENTÓW MACIERZY SZTYWNO CI MANIPULATORA SZEREGOWEGO

Transkrypt:

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 4 7 FRICTION ON THE BIO-CELL SURFACES AS A CONTRIBUTION IN MICROBEARING TRIBOLOGY Krzysztof Wierzcholski Gdansk University of Technology Narutowicza 11/12,8-92 Gdask, Poland tel.:+48 8 691348, 3476126, fax: +48 8 691399 e-mail:wierzch@am.gdynia.pl A. Miszczak Gdynia Maritime University Morska 83,81-22 Gdynia, Poland tel.: +48 8 691348,Fax: +48 8 691399 e-mail:miszczak@am.gdynia.pl Abstract Joint cartilage engineering is the one of most quickly developed domain of biotechnology and applied mechanics. The new research methods of this science can be solved only during the common cooperation of biologists, tribologists and mechanics. Correct functioning of the sound human joint secure the active chondrocytes occurring in the joint cartilage. Hence the joint cartilage is resistible on the acting of mechanical forces. Correctness functioning of human bio-bearing secures the active chondrocytes in cartilage. Hence the human cartilage is resistible on the acting of mechanical forces. of After Authors knowledge the correctly functioning of micro bearing in micro robots and in micro turbines will be satisfied if we assume analogical tribological and hydrodynamic parameters which are existing during the lubricating flow of liquids in super thin layers around the cells (chondrocytes) during the cultivation in bioreactors. In this paper presents the method of friction forces calculation on the surfaces of chondrocytes about mm during the cultivation in bioreactor. Friction forces will be examined in micro-scale and nano-scale in the case of hydrodynamic flow of viscoelastic nutrient and pharmacological liquid in the thin super boundary layer below 1 nanometer situated on the surface of the cell body with anisotropic, hyper-elastic and hypo-elastic properties. Experiences gained during the numerical determination of fiction forces in the level of some micro-newtons in bioreactors confirmed with the experimental measurement data obtained by means of Atomic Forces Microscope (AFM) enable to need the presented theory for designing of the superficial layer occurring in slide bearing in an intelligent microturbine, where cooperating surfaces similarly as chondrocytes will be change your geometry, shape and will be adapt to the external conditions. Keywords: Friction calculations, bio-cells, micro-robots SIY TARCIA NA POWIERZCHNI BIOKOMÓREK JAKO WKAD DO TRIBOLOGII MIKROOYSK Streszczenie Inynieria chrzstki stawowej jest jedn z najszybciej rozwijajcych si dziedzin biotechnologii i mechaniki stosowanej. Nowe metody badawcze tej nauki mog by rozwizane jedynie przy wzajemnej wspópracy biologów, tribologów, mechaników, ortopedów klinicystów. Prawidowe funkcjonowanie zdrowego stawu czowieka zapewniaj aktywne chondrocyty znajdujce si w chrzstce stawowej. Dziki temu chrzstka stawowa jest odporna na dziaanie si mechanicznych. Wedug hipotezy Autora prawidowe funkcjonowanie mikro oysk w mikro robotach i mikro turbinach bdzie spenione, jeli przyjmiemy analogiczne parametry tribologiczno-hydromechaniczne jakie panuj w trakcie opywu smarujcego cieczami odywczymi wokó chondrocytów w trakcie ich hodowli.

K. Wierzcholski, A. Miszczak W pracy przedstawiona zostanie metoda obliczania si tarcia na powierzchniach chondrocytów o wymiarach mm w trakcie ich hodowli w bioreaktorze. Siy tarcia wyznaczone zostan w mikro i nano-skali w trakcie hydrodynamicznego przepywu lepko-sprystej cieczy odywczej w super cienkiej warstwie granicznej o gruboci poniej 1 nanometrów znajdujcej si na powierzchni ciaa komórki o wasnociach anizotropowych, hipersprystych oraz hypo-elastycznych. Pomierzone dowiadczenie przy wykorzystaniu Mikroskopu Si Atomowych oraz uzyskane z oblicze numerycznych siy tarcia o wartoci kilku mikro-newtonów w bioreaktorach umoliwi zdaniem autora wykorzystanie przedstawionej teorii przy projektowaniu warstwy wierzchniej oysk lizgowych w inteligentnych mikro-robotach i mikro-turbinach, gdzie wspópracujce powierzchnie podobnie jak chondrocyty bd zmienia geometri, osiga odksztacenia postaciowe i przystosowywa si bd do warunków zewntrznych. Sowa kluczowe: Obliczenia tarcie, komórki biologiczne, mikro roboty 1. Wstpne informacje Rysunek 1 pokazuje chondrocyt o wymiarach 1 [m] [m] z kanaem w otaczajcej go torebce chrzstnej. Rys. 1. Elektrogram torebki chrzestnej z chondrocytem o wymiarach 1 [m] [m]: 1 - kana, 2 - torebka chrzstna, 3 - macierz okoo komórkowa, 4 - biegun stawowy, - biegun podstawny, 6 chondrocyt Fig. 1. Electrogram of cartilage place with chondrocyte1 [m] [m]:1-chennel,2- place in cartilage, 3-cell matrix, 4-joint pol, -pol,6-chondrocyte Badania naukowe przeprowadzone w ostatnich latach [1], [2], [3], [4], [] dostarczaj nie tylko nowych modeli kinematycznych wzrostu poszczególnych chondrocytów w bioreaktorze, lecz równie podaj liczne analogie pomidzy przepywem cieczy farmakologicznej i odywczej na powierzchni chondrocytu z przepywem smarujcym w super cienkiej warstwie na wspópracujcych powierzchniach mikrooysk w mikrorobotach i mikroturbinach. Takie badania s zdaniem autorów elementami nowej dziedziny tribologii zwanej histotribologi, czyli tribologi tkanek. Wyznaczane wartoci si tarcia wystpujce na powierzchni chondrocytu zale równie od zdolnoci penetracji cieczy do warstwy wierzchniej hodowanego chondrocytu [6]. Taka sama zaleno wystpuj pomidzy warstw smarujc o gruboci 1 nanometów smarujc powierzchnie mikro-oyska a zdolnoci penetracji cieczy smarujcej do warstwy wierzchniej. Zdolnoci penetracji nazywamy iloraz wspóczynnika penetracji c k wyraonego w [m 2 ]oraz lepkoci dynamicznej cieczy. Jednostk zdolnoci penetracji jest wic [m 4 /Ns]. Autorzy sugeruj, e ze wzrostem nacisku wywieranego przez cinienie na warstw wierzchni chondrocytu, zmniejsza si zdolno penetracji warstwy wierzchniej. Zjawisko to autorzy uzasadniaj analogicznym zachowaniem si chrzstki stawowej w trakcie nacisku, a take zmian wspóczynnika penetracji chrzstki stawowej w trakcie nacisku. Tak wic takie wielkoci jak wysoko warstwy granicznej pynu, wysoko warstwy wierzchniej, cinienie, zdolno penetracji scile ze sob zwizane. Zmiana wartoci moduu Younga warstwy wierzchniej chondrocytu w trakcie hodowli wbioreaktorze ma poredni wpyw na warto powstajcej siy tarcia. Zmiany wartoci moduu Younga w zalenoci od ksztatu chondrocytu jak te próbki powierzchni mikrooyska s przedmiotem bada [7]. atwo zauway, e zmiana wartoci moduu Younga chondrocytu 16

Friction on the Bio-Cell Surfaces as a Contribution in Microbearing Tribology zmienia jego wytrzymao, co powoduje zmiany w zakresie deformacji powierzchni chondrocytu, które powoduj zmiany wysokoci warstwy granicznej cieczy. Mona zatem przewidywa, e podobne relacje zachodz pomidzy moduem Younga ciaa warstwy wierzchniej chondrocytu lub powierzchni mikro-oyska a jego deformacj. Grubo wzrastajcej warstwy wierzchniej * chondrocytu osiga warto okoo 2 mikrometrów. Zmiany wysokoci warstwy granicznej cieczy implikuj zmiany prdkoci przepywu a wic zmiany prdkoci deformacji, które s powodem zmian wartoci lepkoci pozornej cieczy nienewtonowskiej. Zmiana lepkoci jest powodem zmian zdolnoci penetracji chrzstki stawowej. Przedstawione zalenoci ilustruje rysunek 2. Podzia siy tarcia ze wzgldu na ich powstawanie w trakcie polewania chondrocytów mona wic zilustrowa schematem logicznym przedstawionym na rysunku 3. Siy tarcia wystpujce pomidzy powierzchniami komórek a ciecz osmotyczn oraz pomidzy powierzchni mikro-oyska a ciecz smarujc, a take siy tarcia pomidzy powierzchni chondrocytu a biologiczn ciecz odywcz w trakcie hodowli w bioreaktorze mona podzieli na siy tarcia w makroskali oraz na siy tarcia w mikro a nawet nanoskali. Wektor powstajcych si tarcia rozkada si, co najmniej w dwóch kierunkach. Rysunek 4 a, b, c obrazuje siy tarcia w makro-, mikro- oraz nanoskali [6]. Siy tarcia w nanoskali pokazane na rys. 4, s styczne do zewntrznych powierzchni wókien glikoproteinowych. Takie siy tarcia s rzdu kilku a nawet kilkunastu nanonewtonów. Ich warto oraz ukierunkowanie decyduje o wzrocie chondrocytów oraz o regulowaniu wysokoci szczeliny w mikro-oyskach i w mikrorobotach. Mikro wókna glikoproteinowe wystpujce w wierzchniej warstewce hodowanego chondrocytu, przedstawione zostay na rys. 4. rednica takich wókien moe osign wymiar kilku nanometrów. Wzmocnione wókna skadaj si czsto z kilku powizanych mikro-wókien. Wspóczynnik tarcia pomidzy powierzchni hodowanego chondrocytu o wymiarach mikrometrów a biologiczn ciecz odywcz w bioreaktorze winien przyjmowa jak najmniejsze wartoci. rednio warto ta wynosi okoo,1. Modu Younga ciaa chondrocytu Lepko pozorna cieczy odywczej Zdolno penetracji cieczy do porów warstwy wierzchniej Grubo warstwy cieczy lepkiej na powierzchni chondrocytu Grubo warstwy wierzchniej chondrocytu Siy tarcia na powierzchni chondrocytu lub tkanki w trakcie hodowli oraz wspóczynniki tarcia Rys. 2. Przewidywany wpyw moduu Younga ciaa chondrocytu oraz lepkoci cieczy odywczej, a take zdolnoci penetracji na warto si tarcia powstajcych w trakcie hodowli chondrocytu Fig. 2. Anticipate influence of Young Modulus of chondrocytes body and of viscosity of nutrient liquid and penetration eligibly on the friction forces arises during the cultivation of chondrocytes Siy tarcia na powierzchni chondrocytu w trakcie hodowli w bioreaktorze Siy tarcia wywoane przepywem cieczy odywczej na zewntrz Siy tarcia wywoane wchanianiem cieczy do mikroporów chondrocytu Siy tarcia wywoane lepkosprystymi, nienewtonowskimi wasnociami cieczy odywczej Siy tarcia powodowane wzrostem warstwy wierzchniej chondrocytów Rys. 3. Przyczyny powstawania si tarcia na powierzchni chondrocytu w trakcie hodowli w bioreaktorze Fig. 3. Reasons of friction forces arising on the chondrocytes surfaces during the cultivation in bioreactor 17

K. Wierzcholski, A. Miszczak Rys. 4. Siy tarcia na powierzchni chrzstki oraz siy tarcia w nanoskali na acuchach kolagenowych w warstwie wierzchniej chondrocytu lub powierzchni mikrooyska Fig. 4. Friction forces on the cartilage surface and in nano-scale on the collagen fibers in thin superficial layer of chondrocytes or in micro-bearings 2. Rozkady prdkoci i siy tarcia Rozkady prdkoci cieczy w super-cienkich warstewkach o wysokoci poniej 1 nanometrów na powierzchni komórki o wymiarach mm lub na wspópracujcych powierzchniach mikro-oysk wyznaczono z równa zachowania pdu i cigoci przepywu. Szkic parabolicznego rozkadu prdkoci w warstwie granicznej ograniczonej przepuszczaln mikroporowat ciank chondrocytu oraz stref ruchomego przepywu potencjalnego przedstawiony zosta na rysunku a [2], [3], gdzie oznaczono: x warto prdkoci w kierunku poziomym w kontakcie warstwy granicznej z doln warstw przepywu potencjalnego [m/s], p cinienie w przepywie potencjalnym przekazane do warstwy granicznej [Pa], wysoko warstewki granicznej [m], lepko dynamiczna cieczy [Pas], p p cinienie panujce w porach tkanki lub chondrocytu [Pa], V b prdko przepywu cieczy w porowatej powierzchni chondrocytu w kierunku poziomym wywoana gradientem cinienia p p w porach w kierunku osi x [m/s], v xb - warto prdkoci w kierunku poziomym w kontakcie warstwy granicznej z warstw wierzchni chondrocytu [m/s],v x - skadowa wektora prdkoci cieczy w kierunku osi x. Przepyw ten jest wywoany rónic cinie p w warstwie granicznej cieczy oraz prdkoci cieczy w przepywie potencjalnym, a take przepywem wewntrz mikro-porów. Trójktny rozkad prdkoci cieczy odywczej w warstwie granicznej ograniczonej od dou przepuszczaln ciank chondrocytu oraz nieruchom, nieobcion powierzchni swobodn cieczy, pokazano na rys. b. Jest on wywoany wycznie przepywem cieczy wewntrz porowatej, molekularnej mikrostruktury chondrocytu. Po uwzgldnieniu prdkoci warto siy tarcia w kierunku osi x dla przepywu w warstwie granicznej pokazanej na rys. a przyjmuje nastpujc posta: F Rx F v x y 2 ck dxdz LD 2 c y 2 dp 2c c dx c k c k dp dx p 2 c x, (1) c k wspóczynnik penetracji [m 2 ], 18

Friction on the Bio-Cell Surfaces as a Contribution in Microbearing Tribology c c wspóczynnik bezwymiarowy, bezwymiarowy wspóczynnik porowatoci powierzchni zewntrznej chondrocytu. a) b) Rys.. Szkic profilu prdkoci cieczy odywczej i terapeutycznej w cienkiej warstwie; a) ograniczonej od dou przepuszczalnciank chondrocytu oraz stref ruchomego przepywu potencjalnego od góry dla (p) 1 > (p) 2 ; b) ograniczonej od dou przepuszczaln ciank chondrocytu oraz nieruchom, nieobcion powierzchni swobodn cieczy Fig.. Nutrient fluid velocity distributions in the thin layer; a)restricted on the lower side by the permeability surface of chondrocytes and on the upper side by the movable potential flow for(p) 1 > (p) 2 ; b) restricted on the lower side by the permeability surface of chondrocytes and on the upper side by the motionless, non-loaded liquid surface Czony mnoone przez pochodna cinienia p w przepywie potencjalnym, opisuj si tarcia wywoan cinieniem pochodzcym od przepywu potencjalnego. Czon mnoony przez lepko cieczy oraz prdko x opisuje si tarcia zalen od prdkoci dolnej strefy przepywu potencjalnego. Czon mnoony przez pochodn cinienia p p w warstwie wierzchniej chondrocytu, opisuje si tarcia wywoan przepywem oraz cinieniem w porach. Sia tarcia dla przepywu pokazanego na rys. b ma posta: F Rx F vx y y Vb dxdz LD ck p p x LD, V b c p k p. x (2) 3. Przykad obliczeniowy W celu kontynuacji dalszych bada dotyczcych wyznaczenia wartoci si tarcia wystpujcych w trakcie wzrostu chondrocytów w bioreaktorze, konieczne jest przeprowadzenie analizy numerycznej, na bazie rozwiza analitycznych, która umoliwi poznanie rzdu wartoci prdkoci cieczy odywczej opywajcej chondrocyt. Taka analiza pozwoli symulowa rzdy wartoci powstajcych si tarcia oraz oszacowa rzd prdkoci wzrostu lub rozmnaania si chondrocytu. W tej analizie pomijamy wpyw cinienia w porach ciaa chondrocytu na warto si tarcia. W obliczeniach przyjmujemy nastpujce dane: wysoko warstwy granicznej cieczy na powierzchni chondrocytu = 1 7 [m], wysoko warstwy wierzchniej chondrocytu o = 1 8 [m], lepko dynamiczna cieczy = 3 1 3 [Pas], rednia warto gstoci cieczy = 1 [kg/m 3 ], wymiarowy czas charakterystyczny wzrostu chondrocytu t o = 1 [s], bezwymiarowy zakres czasu wzrostu chondrocytu t 1 2, dugo chondrocytu L = 1 1 [m], szeroko chondrocytu D = 1 1 [m], Q bezwymiarowy wspóczynnik wydatku objtociowego =1 1. 19

K. Wierzcholski, A. Miszczak Rozkady bezwymiarowych prdkoci wyznaczono) przy wykorzystaniu programu Matlab 7.3. Przedstawimy teraz nastpujce konkretne wartoci wymiarowe dla charakterystycznych prdkoci oraz dla charakterystycznych wartoci si tarcia: 3 6 L 6 3 1 Pas 11 m 1 6 U Q 11 1,8 1 m/s 1,8 m/s, (3) 2 3 7 2 1 kg/m (1 m) 2 2 3 2 2 3 6 L D 6(31 Ns/m ) (11 m) 1 12 F Ro Q 11,41 N, 4 nn. (4) 3 3 7 3 1 kg/m (1 m) Naley wyranie zaznaczy, e charakterystyczna warto siy tarcia uzyskana wzorem (4) dotyczy wycznie jednej hodowanej komórki (chondrocytu) znajdujcej si na pycie. Tak wic jeli w 1 cm 3 mona pomieci okoo milionów chondrocytów to bd one znajdoway si pod dziaaniem siy tarcia o wartoci,27 N. Na rysunku 6 pokazano przestrzenne rozkady prdkoci cieczy w cienkiej warstwie granicznej cieczy o wysokoci 1nm polewajcej rozpatrywan powierzchni (1m 1m), w wypadku, gdy wspóczynnik intensywnoci wzrostu powierzchni chondrocytu s =,1, oraz dla bezwymiarowych czasów: t 1 = 8; t 1 = 16; t 1 = 24. Aby uzyska wymiarow prdko naley przedstawione wartoci na rysunkach 6 a,b,c,d pomnoy przez uzyskan wzorem (3) warto prdkoci U = 1,8 [m/s]. Minimalny wydatek przepywu ma w bioreaktorze zazwyczaj warto rzdu Q = 1 [m 3 /s]. W Tabeli 1 przedstawione zostay kolejne bezwymiarowe wartoci si tarcia: F R /F Ro dla rónych wspóczynników intensywnoci wzrostu powierzchni oraz dla bezwymiarowych czasów trwania hodowli: t 1 = ; t 1 = 4; t 1 = 8; t 1 = 1, t 1 = 16; t 1 = ; t 1 = 24. Podobnie w Tabeli 2 podano bezwymiarowe wartoci 1 wzrastajcej wartoci warstwy wierzchniej chondrocytów. Aby otrzyma rzeczywiste wartoci si tarcia dla jednego mikrokontenera w poszczególnych czasach, naley podane w Tabeli 1 wartoci pomnoy przez bezwymiarow warto F Ro =,4 [nn] wskazan w równaniu (4). Aby uzyska rzeczywiste wartoci czasu naley bezwymiarowe wartoci czasu t 1 pomnoy przez czynnik wymiarowy t o = 1 [s]. Tab. 1. Bezwymiarowe wartoci si tarcia F R1 = F R /F Ro w górnej strefie warstwy granicznej cieczy odywczej Tab. 1. Dimensionless value of friction force F R1 = F R /F Ro on the upper layer of the boundary nutrient liquid F R1 t 1 = t 1 =4 t 1 =8 t 1 =1 t 1 =16 t 1 = t 1 =24 s=,1 4,38 4,484 4,623 4,8896,216,6367 6,1917 s=,1 4,4824 4,7649,217,941 6,9143 8,3 1,32 s=, 4,67,11 6,294 7,427 9,9294 13,88 19,117 (F Ro =,4nN) Tab. 2. Bezwymiarowe wartoci wzrastajcej wysokoci 1 warstwy wierzchniej komórki (chondrocytu) Tab. 2. Dimensionless height values of the superficial layer on the chondrocytes 1 =/ o t 1 = t 1 =4 t 1 =8 t 1 =1 t 1 =16 t 1 = t 1 =24 s=,1 1 1,4918 2,22 3,31 4,93 7,3891 11,232 s=,1 1 1,8221 3,31 6,496 11,232,8 36,982 s=, 1 2,22 4,93 11,232 24,32 4,982 121,14 ( o =,1m = 1 8 m)

Friction on the Bio-Cell Surfaces as a Contribution in Microbearing Tribology a) 1-1 -, b) 1-1 -, c) 1-1 -,,,, -, -, -, -, s=,1; 1 1,,3,1 1 1 -,1 - -1 -,3 -, - -1-1 z -1 1, - -, -,3 -,1,1,3,, s=,1;, 1,3 1 1,1 1 -,1 - -,3 - -1 -, -1-1 -1, -, -,3 -,1,1,3,, s=,1; 1 1 - -1, -, -, -1,,,3,1 -,1 -,3 -, -, -,3 -,1,1,3, 1 1 - -1-1 Rys. 6. Skadowa prdkoci = v x /U cieczy w warstwie granicznej na poziomie bezwymiarowej wysokoci y 1 =,9 tej warstwy dla wspóczynnika intensywnoci wzrostu s =,1 w bezwymiarowych czasach: a) t 1 =8; b) t 1 =16; c) t 1 =24 Fig. 6. Distribution of the liquid velocity component = v x /U in the dimensionless height of the boundary layer for the growth intensity coefficient s =,1 during the following dimensionless times: a) t 1 =8; b) t 1 =16; c) t 1 =24 Aby otrzyma rzeczywiste wartoci wysokoci wzrastajcej warstwy wierzchniej chondrocytów, naley bezwymiarowe wartoci 1 wskazane w Tabeli 2, pomnoy przez charakterystyczny czynnik wymiarowy warstwy wierzchniej chondrocytu o =,1 [m]. Dla nastpujcych rzeczywistych wartoci czasów trwania hodowli: t = [s], 4 [s], 8 [s], 1 [s], 1 6 [s], 2 [s], 2 4 [s] uzyskujemy dla jednego 21

K. Wierzcholski, A. Miszczak chondrocytu maksymaln warto siy tarcia równ,4 [nn] 19,117 =,13 [nn]. Jest zatem widoczne, e w skali manometrycznej zmiany wartoci si tarcia w czasie wywoane wzrostem chondrocytów zmieniaj si znacznie. 4. Wnioski Opyw smarujcy deformujcych si komórek (chondrocytów) chrzstki stawowej w bioreaktorach i samo regenerujcych si tkankach wykazuje cechy podobiestwa fizycznego i geometrycznego z smarowaniem wspópracujcych powierzchni na zasadzie oysk lizgowych w mikro-robotach i mikro-turbinach. Wyksztacone na drodze ewolucji doskonae parametry hydrodynamiczne dla smarowania chondrocytów s wzorem dla konstruowania powierzchni lizgowych w mikro robotach i mikro turbinkach. Obliczenia w obszarach mikro i nano skali bd przeprowadza autorzy przeprowadza metodami CFD, sieci neuronowych oraz metodami dynamiki molekularnej. Acknowledgement The present research is financially supported within the frame of the TOK FP6, MTKD-CT- 4-17226. Literatura [1] Ahn, H. S., Chizhik, S. A., Dubravin, A. M., Kazachenko, V. P., Popov, V. V., Application of phase contrast imaging atomic force microscopy to tribofilms on DLC coatings, International Journal of Wear, 249, pp.617-62, Oxford, 1. [2] Beavers, G. S., Sparrow, E. M., Magnuson, R. A., Experiments on Coupled Parallel Flows in a Channel and Bounding Porous Medium, Journal of Basic Engineering, pp.843-848, Detroit, 197. [3] Cieszko, M., Kubik, J., Derivation of Matching Conditions at the Contact Surface Between Fluid-Saturated Porous Solid and Bulk Fluid, Transport in Porous Media, 34, pp.319-336, 1999. [4] Chizhik, S. A., Huang, Z., Gorbunov, V. V., Myshkin, N. K., Tsukruk, V. V., Micromechanical properties of elastic polymeric materials as probed by scanning force microscopy, 14, pp.266-269, Langmuir 1998. [] Chizhik, S. A., Ahn, H. S., Suslov, A. A., Tuning fork energy dissipation nanotribometry as option of AFM, Proceeding International Workshop Scanning Probe Microscopy,pp.119-121, Nizhny Novgorod, 4. [6] Dowson, D., Bio-Tribology of Natural and Replacement Synovial Joints, in, Van Mow C., Ratcliffe A., Woo S.L-Y., Biomechanics of Diarthrodial Joint, Springer-Verlag, Vol.2, Chap.29, pp.3-34, New York, Berlin, Londyn, Paris, Tokyo, Hong Kong, 199. [7] Wierzcholski, K., Synovial flow parameters in human joint gap, Tribologia, Nr.6, (162), pp.982-996, Warszawa, 1998. 22