Exploring detailed mechanism of in vivo superlubricity exerted by synergy of highly-hydrated soft matter and biological molecules including hyaluronan, lipids and proteins

探索高水合软物质与透明质酸、脂质和蛋白质等生物分子协同作用产生体内超润滑性的详细机制

• 批准号: 21H04535
• 负责人: 澤江 義則
• 金额: $ 27.29万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04535/
• 关键词: トライボロジー; 超潤滑; ソフトマター; 生体高分子; 生体関節

往復動摩擦試験機によるハイドロゲル軟骨モデルの摩擦評価では，柔軟な表層を仮定した弾性流体潤滑理論を用い，各速度条件下において摩擦面間に形成される理論膜厚を求め，タンパク質，ヒアルロン酸（HA），リン脂質（DPPC）の各成分およびその混合による摩擦の増減との関係を整理した．その結果，タンパク質は流体膜が薄膜化すると軟骨モデル表面に凝着・変成し，摩擦係数を増加させるものの，十分な厚さの流体膜が形成されると摩擦係数を減少させた．一方DPPCは薄膜条件下では摩擦表面に脂質膜を形成し摩擦係数を低減させるものの，流体膜厚が増加すると摩擦低減効果が失われた．HAは，高速域では増粘作用に伴う流体潤滑効果，低速域では表面間の凝着を抑制する境界潤滑効果の，二つの異なるメカニズムにより摩擦を低減し，HAとDPPCを混合することで，薄膜条件下において極めて優れた境界潤滑効果を発揮することを明らかにした．汎用有限要素解析ソフトABAQUSを用い，前述の往復動摩擦試験における，ハイドロゲル軟骨モデルの固液二相潤滑効果について解析を行った．その結果，最も低速な滑り速度1 mm/sの条件下においても，軟骨モデル内部の間質水が一定の荷重支持を担っており，摩擦係数低減に寄与していることが示唆された．生きた軟骨細胞を内包するアガロース軟骨モデルについては，培養後のモデル内に産生・蓄積されたグリコサミノグリカン（GAG）量を定量評価し，培養中に周期的な圧縮変形負荷を加えることで，GAG量が増加することを確認した．またレオメータベースのパラレルプレート式摩擦試験機により得られた結果に対し，Gongらにより提案された凝着摩擦モデを適用して摩擦特性を表す複数のパラメータを抽出し，モデル内のGAG量との相関を解析した．その結果，GAG量の増加により軟骨モデル／ガラス平板間の凝着は抑制されることが示唆された．

The friction evaluation of the reciprocating friction tester is based on the theory of fluid lubrication, which is used to determine the theoretical film thickness between the friction surfaces at various speeds. The relationship between the friction and the reduction of friction between the components of HA and DPPC is summarized. As a result, the friction coefficient increases and the fluid film thickness decreases. Under the condition of thin film of DPPC, lipid film is formed on friction surface, friction coefficient decreases, fluid film thickness increases, friction decreases, HA and DPPC decrease. Under the condition of high speed, viscosity increases, fluid lubrication decreases, while under the condition of low speed, condensation between surfaces decreases, HA and DPPC decrease friction. Under thin film conditions, the best lubrication conditions are obtained. General finite element analysis solution ABAQUS is used to analyze the effects of solid-liquid two-phase lubrication in reciprocating friction test. As a result, under the condition of the lowest sliding speed of 1 mm/s, the interstitial water inside the cartilage has a certain load support, and the friction coefficient is low. To quantitatively evaluate the amount of GAG produced and accumulated in chondrocytes after culture, and to confirm the increase in the amount of GAG during culture cycle. The results of the friction tester were analyzed. The results of the friction tester were compared with the results of the friction tester. As a result, the increase in GAG content resulted in inhibition of coagulation between plates.

项目成果

マレーシア工科大学(マレーシア)

马来西亚理工大学（马来西亚）

Friction Measurement of Articular cartilage using Nano Tribometer

使用纳米摩擦计测量关节软骨的摩擦力

• 发表时间: 2022
• 作者: Sourav Kumar Modi;Nao Fujimura;Kosuke Takahashi;Takashi Nakamura;Akihisa Takeuchi;Masayuki Uesugi;Kentaro Uesugi;Wenxiao LI
• 通讯作者: Wenxiao LI

組成の異なる共重合ハイドロゲルのタンパク質溶液中における摩擦特性評価

不同成分共聚水凝胶在蛋白质溶液中摩擦性能的评价

• 发表时间: 2022
• 作者: Fan Y;Wang JF;Kim J;Maeda E;Matsumoto T;矢代航;Takafumi Fukushima;井上 和柾
• 通讯作者: 井上 和柾

生体関節のバイオトライボロジー

生物关节的生物摩擦学

• 发表时间: 2022
• 作者: Yamaguchi;Y.;Takeda;H.;Asai;Y.;Ishida;S.;and Imai;Y.;福島誉史;Azusa N. Hattori;石黒 恵奨，キム・ジョンヒョン，前田 英次郎，松本健郎;澤江 義則
• 通讯作者: 澤江 義則

生体模擬環境における高含水高分子ハイドロゲルの摩擦の滑り速度依存性

生物模拟环境中高度水合聚合物水凝胶摩擦力对滑动速度的依赖性

• 发表时间: 2022
• 作者: 煤孫 祐樹;王 喆;小田島 輩;荒山 俊亮;星 匡朗;木野 久志;田中 徹;福島 誉史;原 和世
• 通讯作者: 原 和世