The Effect of Synovial Fluid Constituents on Friction and Lubrication of Articular Cartilage

Abstract

The present PhD thesis deals with the lubricating mechanism within a model of synovial joint. The aim of this thesis is to describe the effect of individual components of synovial fluid on lubricating film formation in the model of synovial joint; for this purpose, the experimental analysis of friction coefficient and observation of adsorbed lubricating film using the fluorescence microscopy were performed. The special self-designed reciprocating tribometer allowing for simultaneous friction measurement and contact observation was designed. The tribometer was calibrated and verified using a commercial tribometer. Furthermore, the methodology of experiments was developed including a design of evaluation procedure. In order to process the visualization record, the software based on the image segmentation was developed. The last part of the thesis introduces a novel methodological approach together with a new self designed tribometer enabling to assess the role of components contained in the model synovial fluid in relation to the formation of lubricating film based on in situ observation of the contact area and simultaneous frictional measurement. The thesis presents original results extending the knowledge in the natural synovial joint biotribology towards the further development of effective treatment for patients with diseased joints.

Práce se zabývá problematikou biotribologie modelu synoviálního kloubu. Cílem práce je popsat vliv složek synoviální kapaliny na formování mazacího filmu v modelu synoviálního kloubu. Práce je zaměřena na experimentální analýzu součinitele smykového tření a jeho propojení s pozorováním adsorbovaného mazacího filmu v kontaktu pomocí fluorescenční mikroskopie. Součástí práce je návrh tribometru, který umožňuje vizualizaci v průběhu experimentů. Tribometr je vyroben, kalibrován a verifikován pomocí komerčního tribometru. Dále je součástí práce návrh metodiky experimentů včetně návrhu postupu pro zpracování a hodnocení výsledků. Pro zpracování záznamu z vizualizace kontaktu byl navržen speciální software, který pracuje na principu segmentace obrazu. Poslední část práce je zaměřena na aplikaci vyvinuté metodologie spolu s nově navrženým tribometrem, což umožňuje posoudit roli složek modelové kapaliny u formování mazacího filmu v modelu synoviálního kloubu. Experimentální část je založena na měření tření za současné vizualizace kontaktu. Tato práce prezentuje originální výsledky rozšiřující oblast biotribologie synoviálního kloubu, které mohou pomoci dalšímu rozvoji účinné léčby pacientů s nemocnými klouby.