Boundary conditions on the bio-cell surfaces for nanolubrication of microbearings

The aim of the paper is the formulation of boundary conditions for liquid velocity and friction forces in nano scale and presentation of analogies between boundary conditions for super thin liquid layer about 100nm height around cultivated cell of cartilage human joint in bioreactor and boundary conditions for thin lubrication layer in micro bearing with no greater journal diameter than 2mm. To be considered flow of viscous liquid with non-Newtonian, viscoelastic properties in super thin boundary layer in direct contact with superficial layer of cultivated cells. Such flow is caused by the cell growth, weeping and suction process of the liquid from boundary thin layer into porous cell body. Liquid properties inside super thin layer depend above all from physical properties of bodies and surfaces which are restricted the thin liquid layer. It is specific feature of thin liquid layers which distinguishes such flows from lubrication flows where gap height reaches several dozen micrometers. Apparent viscosity of such liquid depends on shear rate which occur in thin boundary layer. Additional the dynamic viscosity of the liquid depends on Young modulus of cell superficial layer and on geometrical structure of the cell. Presented model of boundary conditions enables its application to the research connected with the optimal lubrication in slide micro bearings [6], [8].

Tematem pracy jest sformułowanie warunków brzegowych dla prędkości cieczy i sił tarcia w nanoskali oraz przedstawienie analogii pomiędzy warunkami brzegowymi dla super cienkiej warstewki cieczy o wysokości poniżej 100 nm opływającej hodowane komórki chrząstki stawowej człowieka w bioreaktorze a warunkami brzegowymi dla cienkiej warstwy smarującej w mikro łożyskach o średnicy wału nieprzekraczającej 1mm. Rozpatrywany jest przepływ cieczy lepkiej o właściwościach nie Newtonowskich, lepko-sprężystych w super cienkiej warstwie granicznej występujący w bezpośrednim otoczeniu warstwy wierzchniej hodowanego chondrocytu. Taki przepływ jest wywołany między innymi wzrostem komórki, a także procesem przesączania się cieczy odżywczej z cienkiej warstwy granicznej do porowatego ciała komórek. Własności cieczy w super cienkiej warstwie zależą przede wszystkim od właściwości fizycznych ciałścianek lub powierzchni ograniczającej tak cienką warstewkę. Jest to specyfika przepływu w super cienkich warstewkach odróżniająca te przepływy od klasycznych przepływów smarujących gdzie wysokość szczeliny osiąga kilkanaście mikrometrów. Lepkość pozorna takiej cieczy zależy od prędkości deformacji, a więc od prędkości przepływu tej cieczy w cienkiej warstwie granicznej. Ponadto lepkość takiej cieczy zależy od modułu Younga warstwy wierzchniej oraz od struktury geometrycznej powierzchni hodowanego chondrocytu. Przedstawiony model warunków brzegowych umożliwia jego zastosowania do badań związanych z optymalnym smarowaniem mikro-łożysk ślizgowych.