Роликовые колени био-вдохновение для борьбы с трением

Когда мы двигаемся, наши колени фактически… вращаются. Этот вывод является следствием инновационной модели трения, представленной учеными из Быдгощского технологического университета. Модель может быть использована в медицине и машиностроении, заявили в университете.

По мнению исследователей из Института математики и физики Быдгощского технологического университета, Яна и Енджея Снядецки (PBŚ), модель может помочь в создании методов лечения снижения эффективности опорно-двигательного аппарата человека. Если выводы из модели можно перенести в мир механических устройств, то по крайней мере в некоторых случаях трение скольжения можно преобразовать в трение качения. Помимо энергетической выгоды, это должно увеличить долговечность взаимодействующих элементов конструкции.

— Гипотеза о существовании в наших суставах трения качения, действующего в мезомасштабе, на уровне мицеллярных структур, впервые была высказана 15 лет назад. Теперь нам удалось преобразовать ее в модель, учитывающую важнейшие физико-химические процессы, происходящие в синовиальной жидкости, заполняющей полости суставов, и на поверхностях обоих трущихся хрящей, — говорит проф. доктор хаб. англ. Адам Гадомски, один из авторов статьи, опубликованной в «Journal of Physics D: Applied Physics» ( DOI: 10.1088/1361-6463/ac90d1 ).

Человеческие суставы как подшипники машин

Как пояснил исследователь, цитируемый в пресс-релизе, синовиальная жидкость играет роль тонкого слоя смазки. Она разъединяет трущиеся части костей, покрытые хрящами, в пределах суставов. Жидкость состоит в основном из воды с небольшим количеством биополимеров (в основном гиалуроновой кислоты), фосфолипидов и белков. Эти компоненты являются критически важными и взаимодействуют друг с другом сложным образом, который до сих пор не до конца изучен учеными.

Авторы модели описали явления с участием гиалуроновой кислоты и фосфолипидов в присутствии молекул воды. Соавтор статьи д.т.н. Петр Белдовски объясняет, что за механическую работу суставов ответственны сложные процессы.

— В результате приложенного внешнего давления разрываются водородные связи в молекулах воды. В синовиальной жидкости образуются каскады, по которым начинают поступать ионы гидроксония. В таких условиях волокна полимерной сетки гиалуроновой кислоты, покрывающие хрящевые поверхности, приобретают отрицательный электрический заряд и начинают электростатически отталкиваться. Это помогает уменьшить трение, — описывает д-р инж. Белдовский.

Мицеллы преобразуют трение скольжения в трение качения.

Он добавляет, что на несколько больших масштабах расстояний происходят явления, связанные с образованием и исчезновением мицелл, т. е. кольцевых структур, состоящих из фосфолипидного слоя снаружи и содержащих воду внутри.

Фосфолипиды на поверхности хрящей располагаются многослойно. Когда в системе возникают силы сдвига и связанное с ними трение скольжения, внешние слои этих многослойных материалов начинают отслаиваться. При этом стараются добиться пространственной конфигурации, гарантирующей минимально возможную площадь. Затем образуются мицеллы – они действуют между хрящами наподобие валиков или шариков в плаценте.

— Мицеллы отвечают за преобразование трения скольжения в трение качения. Когда внешние силы исчезают, мицеллы деградируют, а образующие их фосфолипиды откладываются обратно на поверхности хрящей, восстанавливая исходное состояние мультислоев. Таким образом, шарнир работает как механическая система с подшипниками качения, но необычно, потому что они появляются только тогда, когда они действительно нужны, — сравнивает д-р инж. Белдовский.

Толкание автомобиля с включенным ручным тормозом

Чтобы объяснить пользу преобразования трения скольжения в трение качения, ученый приводит пример, известный из повседневной жизни. Он признает, что толкать машину не весело. Однако это возможно, если все колеса свободно вращаются, то есть если они катятся по земле. Но когда мы задействуем ручник и заблокируем колеса, та же машина не будет двигаться. Это связано с тем, что теперь между шинами и землей будет значительно больше трения скольжения, а не трения качения.

— В медицине одним из применений нашей модели могут быть новые, более рациональные варианты вискодобавки. Под этим термином следует понимать инъекции, используемые для пополнения состава синовиальной жидкости в суставных хрящах таким образом, чтобы она восстанавливала оптимальные пропорции между компонентами, отвечающими за снижение трения при работе сустава. Артроскопические процедуры также могут быть усовершенствованы, — говорит проф. Гадомский.

Инженеры отмечают, что прямое использование модели в своей сфере деятельности — в инженерии — в настоящее время не представляется возможным из-за специфики биологической среды входящих в нее водоемов. В системе трения имеется высокая концентрация воды, а ключевой компонент синовиальной жидкости, гиалуроновая кислота, заменяется в суставах практически ежедневно.

Однако исследователи из Быдгоща подчеркивают, что их модель может в будущем помочь найти аналоги веществ, отвечающих за биологический механизм трения качения. Свойства этих эквивалентов природных веществ будут лучше соответствовать эксплуатационным требованиям современных механических устройств. Перспективными считаются исследования по интеллектуальной реструктуризации моторных масел.