Biotribochemistry of the lubrication of natural joints

In this communication, we attempt to consider changes occurring in the phospholipid biomembrane surface in terms of acid-base equilibria. Specifically, the influence of the pH on surface wettability, interfacial energy, and surface friction is discussed under consideration of a biomembrane as an amphoteric polyelectrolyte. We measured the interfacial energy of phosphatidylserine (PS) using a model of bilayer membrane in aqueous electrolyte over the pH range 2.0-12.0.0. Micro-electrophoresis was used to examine the local acid-base equilibrium of the membrane surface, which can be considered to mimic the interface of natural joints. In our findings, the biohydrophobicity of natural surfaces is greatly reduced in the presence of phospholipids. We were able to demonstrate that the coefficient of friction vs. biohydrophobicity of articular cartilage is interface-controlled by osteoarthritis.

Mechanizm smarowania i tarcia w stawach naturalnych opisany jest w literaturze przez ok. 40 modeli. Znaczny postęp w ostatnich latach zawdzięczamy badaniom eksperymentalnym prowadzonym na poziomie molekularnym. Staw, nazywany biołożyskiem, cechuje ultra-niski współczynnik tarcia rzędu 0,001, często pod obciążeniem do 20 MPa. Maź stawowa (łac. synovia, płyn maziowy) jest środkiem smarującym (pH - 7,4) zawierającym ok. 94% wody, chondrocyty, fosfolipidy o m.cz. 700, biomakrocząsteczki, m.in. lubrycyne, hialuron o m. cz. ok. 200 000. W pracy przedstawiono wpływ pH na hydrofobowość, napięcie powierzchniowe, gęstość ładunku i współczynnik tarcia powierzchni stawu. W naszym micelarno-lamelarnym modelu smarowania dwuwarstwy (membrany) fosfolipidowe (SAL-surface amorphous layer) osadzone są na chrząstce stawowej i z udzialem biomakrocząsteczek zapewniają ultraniskie tarcie. Przy spadku hydrofobowości chrząstki z 105° do ok. 60° i zakłóceniu równowagi kwasowo-zasadowej SAL się nie odtwarzania i tarcie w stawie wzrasta.