Biotribologia Wykład 7,8 – Bio-węzły tarcia w organizmie ludzkim

Transkrypt

Biotribologia
Wykład 7,8 – Bio-węzły tarcia
w organizmie ludzkim
dr inż. Piotr Kowalewski
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn,
Zakład Podstaw Konstrukcji Maszyn I 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
Krążek stawowy - zbudowany ze
Łąkotka- elastyczna,
wytworu błony maziowej,
zbitej tkanki łącznej włóknistej,
zbudowana
z
tkanki
mający postać zbudowanego
dopasowuje powierzchnie
chrzęstnej włóknistej (staw
z tkanki łącznej worka o
stawowe, dzieli jamę stawową na
kolanowy)
pęcherzykowatym kształcie.
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
•
•
•
•
stawy dwuosiowe
•
•
•
staw eliptyczny – staw promieniowo-nadgarstkowy (2)
staw siodełkowaty – staw śródręczno-nadgarstkowy kciuka (3)
stawy wieloosiowe
•
•
•
staw zawiasowy – staw łokciowy (4)
staw obrotowy – staw promieniowo-łokciowy (5)
staw śrubowy – staw szczytowo-obrotowy
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 /mm3).
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
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.
S. Pytko
16
niezużyta - 0 cykli
S. Graindorge,
G. Stachowiak
20 min - 3084 cykli
45 min - 6939 cykli
17
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
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, vs=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, vs=8 mm/s
39
Tarcie skóry
Y. Nonomura
i inni
Przyrząd do badania dotyku. Pomiar nacisku oraz siły tarcia
40
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.
Roland Ennos
41
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.
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
Zależność lepkości i sprężystości krwi od prędkości ścinania
www.vilastic.com
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

Biotribologia Wykład 7,8 – Bio-węzły tarcia w organizmie ludzkim

Transkrypt

Podobne dokumenty

Wykład 2 (plik wyklad2)

Wykład 4 (tarcie i smary)