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Biophysikalische Aspekte der Schmierung natürlicher Gelenke

Kaltofen, Thomas

English Title: Biophysical Aspects of lubrication of natural joints

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Abstract

Gelenkerkrankungen zählen in der heutigen Zivilisation zu den am weitesten verbreiteten Krankheiten. Die Haltbarkeit derzeit verwendeter künstlicher Gelenke liegt bei etwa 15 Jahren, was durch den Einsatz des Schmierungsprinzips der Natur, der Flüssigschmierung, deutlich verbessert werden könnte. Trotz zahlreicher Bemühungen ist das Prinzip der Flüssigschmierung bis heute nicht verstanden. Es wird angenommen, dass der lineare Polysaccharid Hyaluronsäure und oberflächenaktive Phospholipide eine wichtige Rolle für die Schmierung spielen. Derzeit werden verschiedene Schmierungsmechanismen diskutiert, die von intermolekularen Wechselwirkungen zwischen beiden Komponenten ausgehen. Um ein verbessertes Verständnis für die Schmierungsmechanismen in natürlichen Gelenken zu gewinnen, wurde ein Modellsystem aufgebaut, das aus einer Polyelektrolytunterlage mit einer darauf verankerten Lipiddoppelschicht besteht. Als Trägermaterial fand Silizium Verwendung. Zur Durchführung der Untersuchungen wurden je eine neuartige Scher- und Druckzelle für die Neutronenreflektometrie sowie eine temperierbare Flusszelle für die in situ Ellipsometrie entwickelt. Mittels QCM-D sowie Neutronen- und Röntgenreflektometrie wurde die erfolgreiche Bildung von Lipid-Doppelschichten aus 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholin (DMPC) sowie aus Mischungen mit DMPC und 1,2-Dioleoyl-3-Trimethylammonium- Propan (DOTAP) und Mischungen aus 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn-Glycero-3- Phosphocholin (POPC) und DOTAP auf Polyelektrolytunterlagen gezeigt. Im Gegensatz zu früheren Untersuchungen lassen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf schließen, dass keine Wechselwirkungen zwischen Hyaluronsäure und Lipiden existieren, sondern letztgenannte als freie Vesikel in der Synovialflüssigkeit vorliegen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Lipide auch in Hyaluronsäurelösungen oberflächenaktiv sind. Schließlich konnte in Viskositätsmessungen die guten Schmiereigenschaften der Lipide demonstriert werden. Das Modellsystem wurde anschließend in Kontakt mit Hyaluronsäurelösungen gebracht und mittels Neutronenreflektometrie unter Druck und Scherung untersucht. Unter Sche- 8 - rung wurden keine wesentlichen neuen Erkenntnisse erlangt. Ein Erklärungsmodell, nachdem unter Scherung die Hyaluronsäurekonzentration in Grenzflächennähe zunimmt, konnte nicht bestätigt werden. Bei einem Druck von 50 bar entzog eine physiologische Hyaluronsäurelösung bei Abwesenheit von Lipiden einem Polyelektrolytfilm irreversibel Wasser. Dies wurde bei Anwesenheit einer Lipidmembran auf der Polyelektrolytoberfläche bis zu einem Druck von 600 bar nicht beobachtet. Diese Resultate können bedeutsam für das Verständnis der Entstehung von Gelenkserkrankungen sein. Es ist denkbar, dass der Knorpel bei einer abgelösten Lipidbeschichtung durch die hygroskopische Hyaluronsäure geschädigt wird.

Translation of abstract (English)

Joint disorders are one of the most important diseases in the developed civilisation. The lifetime of currently used implants is approximately 15 years, which could be extended significantly by the use of fluid lubrication as implemented in nature. However, despite of their high medical relevance, the principles of natural joint lubrication are not fully understood. It is assumed, that the synovial fluid compounds hyaluronic acid, a high molecular, linear polysaccharide, and phospholipids are playing an important role. In current literature opinions several models for explaining joint lubrication are discussed, which deal with molecular interactions between hyaluronic acid and phospholipids. In order to get a better understanding for the molecular mechanisms of natural joint lubrication, a model system consisting of a soft polyelectrolyte cushion and immobilized phospholipid membranes has been established and studied under pressure and shearing forces. For the investigation of the model system, novel shear and pressure cells for neutron reflectometry and a temperature controlled in situ ellipsometry cell have been developed. The formation of lipid films on the polyelectrolyte cushion has been investigated by QCM-D, X-ray and neutron reflectometry. The following lipid bilayers have been successfully built up: • pure 1,2-Dimyristoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DMPC) • mixtures of DMPC and 1,2-Dioleoyl-3-Trimethylammonium-Propane (DOTAP) • mixtures of 1-Palmitoyl-2-Oleoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (POPC) and DOTAP In contrast to previous findings, this thesis demonstrates absence of direct intermolecular interactions between hyaluronic acid and phospholipids. In fact, the results suggest that phospholipids exist as free vesicles within the synovial fluid. Further experiments show that the phospholipids maintain their surface activity in hyaluronic acid solutions. Viscosity experiments demonstrate the high lubricating ability of the phospholipids. Finally, the model system has been investigated in contact with hyaluronic acid applying shearing forces and pressure. Under shear no important new insights have been ob- 6 - tained. Lubrication models, which assume an increased hyaluronic acid concentration close to the interface under shear, could not be proven. When pressing a physiological hyaluronic acid solution at 50 bar against a polyelectrolyte film without lipid coating, irreversible shrinking and dehydration of the polyelectrolyte have been observed. In presence of a phospholipid membrane on top of the polyelectrolyte cushion, this effect has not been observed up to 600 bar. These results can be important for understanding the origin of joint diseases. It is possible, that the cartilage is damaged by the hygroscopic hyaluronic acid after removal of the lipid coating.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Dahint, Dr. PD Reiner
Date of thesis defense: 7 November 2008
Date Deposited: 16 Dec 2008 10:42
Date: 2008
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Lipid Membranen, Schmierung von natürlichen Gelenken, Polyelektrolyt, Neutronenreflektometrie, Röntgenreflektometrie, QCM-D
Uncontrolled Keywords: Neutronenreflektometrie , QCM-D , Lipid Membranen , Schmierung von natürlichen Gelenken , PolyelektrolytNeutron Reflectometry , QCM-D , soft supported lipid bilayers , natural joint lubrication , polyelectrolyte
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