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．

In the friction evaluation of the hydrogel cartilage model using a reciprocating friction tester, elastic fluid lubrication theory, which assumes a flexible surface layer, was used to determine the theoretical film thickness formed between the friction surfaces under various speed conditions, and the relationship between the components of protein, hyaluronic acid (HA), phospholipid (DPPC) and the increase and decrease in friction due to the mixing of these was 决定。结果，当流体膜变薄时，蛋白质粘附并在软骨模型表面转化，增加摩擦系数，但是当形成足够厚的流体膜时，摩擦系数会降低。另一方面，DPPC在薄膜条件下在摩擦表面形成脂质膜，从而降低了摩擦系数，但是当流体膜厚度增加时，摩擦减少效果就会丢失。 HA已被证明可以通过两种不同的机制减少摩擦：与高速范围增厚和边界润滑效应相关的流体润滑作用，从而抑制了低速范围内表面之间的粘附，并且通过混合HA和DPPC，它在细膜条件下表现出极好的极好的边界润滑作用。使用通用有限元分析软件ABAQUS，我们在上述往复式摩擦测试中分析了水凝胶软骨模型的固体液体两相润滑效应。结果表明，即使在1 mm/s的最慢的滑动速度下，软骨模型内的间隙水也负责一定的负载支持，从而导致摩擦系数的降低。对于封装活软骨细胞的琼脂糖软骨模型，我们定量评估了在培养后模型中产生和积累的糖胺聚糖（GAG）的量，并确认GAG量通过在培养过程中施加周期性压缩变形负荷来增加。此外，将基于流变仪的平行板摩擦测试仪获得的结果应用于Gong等人提出的粘附摩擦模型。要提取代表摩擦特征的多个参数，并分析了与模型中插入量的相关性。结果表明，增加的插入量会抑制软骨模型/玻璃板之间的粘附。

项目成果

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

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

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）

生体模擬環境におけるハイドロゲルのトライボロジー特性

生物模拟环境中水凝胶的摩擦学特性

• 发表时间: 2021
• 作者: Tran Hung Ba;Matsushita Yu-ichiro;澤江義則
• 通讯作者: 澤江義則