Physik 17. Jul 2023 Von Bettina Reckter Lesezeit: ca. 3 Minuten

Warum Reibung in Gelenken so viel geringer ist als in Maschinen

In einem gesunden Gelenk ist Reibung extrem viel kleiner als bei beweglichen Teilen einer Maschine. Ein Physiker der TU Wien erklärt, warum das so ist.

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Bewegung ist gut für die Gelenke.
Foto: PantherMedia / martinan

Reibung erzeugt Verschleiß. Bewegliche Teile von Maschinen sollten deshalb möglichst glatt übereinander gleiten, um die Abnutzung und den Energieaufwand gering zu halten. Im menschlichen Körper ist die Reibung in gesunden Gelenken um Größenordnungen kleiner als bei beweglichen Teilen einer Maschine. Das hat wohl mit dem Zusammenspiel unterschiedlicher Moleküle an den Grenzschichten zu tun.

An der TU Wien gelang nun mit Unterstützung aus Kanada und China die Entdeckung, dass im Wasser gelöste Ionen für fast reibungsfrei bewegliche Gelenke sorgen. Möglicherweise lassen sich daraus nun auch bessere Behandlungsmethoden für Gelenkerkrankungen ableiten.

Eine flüssige Schicht sorgt zwischen Festkörpern für geringe Reibung

Welche Effekte an der Grenze zwischen Festkörpern und einer Flüssigkeit auftreten, untersucht Markus Valtiner am Institut für angewandte Physik der TU Wien. „Würde direkt ein Knochen gegen einen Knochen reiben oder ein Knorpel gegen einen Knorpel, wäre die Reibung sehr hoch und das Gelenk wäre rasch kaputt“, sagt der Spezialist für Grenzflächenphysik. „Wichtig ist, dass es dazwischen eine flüssige Schicht gibt, die für möglichst geringe Reibung sorgt.“

Wasser allein genügt nicht als Schmierstoff. Vielmehr kommt es darauf an, dass die Wassermoleküle auch dauerhaft an Ort und Stelle bleiben. „Die Frage ist, wie es dem Körper gelingt, einen solchen Flüssigkeitsfilm auch unter Last stabil zu halten – das bezeichnet man als Superlubrizität“, sagt Matteo Olgiati, der in Valtiners Team derzeit an seiner Dissertation arbeitet. Er analysierte dafür die Oberfläche anhand von Mikroskopaufnahmen auf atomarer Ebene.

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Positiv geladene Ionen helfen, den Flüssigkeitsfilm im Gelenk festzuhalten

„Die genauen Mechanismen werden seit Jahren heiß diskutiert, aber es gab bisher schon den Verdacht, dass positiv geladene Kationen dabei eine entscheidende Rolle spielen könnten“, sagt Markus Valtiner. Dabei ist die Oberfläche von biologischem Gewebe oft negativ geladen, sodass positiv geladene Teilchen davon angezogen werden. Hier kommen Wassermoleküle ins Spiel: Weil sie eine positiv und eine negativ geladene Seite haben, können sie sich stark an die Ionen anlagern, die an der Oberfläche gebunden sind.

Ionenanlagerung an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche: Die Oberfläche von biologischem Gewebe ist oft negativ geladen, sodass positiv geladene Teilchen davon angezogen werden. Foto: TU Wien

Das Team aus Wien arbeitete bei dem Projekt mit Xavier Banquy von der Université de Montréal zusammen, der auch an der TU Wien Experimente durchführte. Jianbin Luo von der Tsinghua Universität in Beijing entwickelte zudem die Computersimulationen. Gemeinsam testeten die Forschenden daraufhin die Hypothese der wasserfixierenden positiven Ionen anhand von dreifach positiv geladenen Lanthanatomen.

Ein glatter Wasserfilm verursacht kaum Reibung

Mikroskopaufnahmen zeigten, wie sich die positiv geladenen Lanthanatome auf dem Untergrund festsetzen und dort Wassermoleküle andocken. Wo besonders viele Lanthanpartikel auftreten, ist auch der Wasserfilm ringsherum am ausgeprägtesten. Ist dieser Wasserfilm glatt und gleichmäßig, dann ist auch die Reibung gering. Ist er unregelmäßig, wird die Reibung größer – das zeigen die Messungen ebenso wie die Computersimulationen.

Für diesen Effekt ist in biologischen Gelenken anstelle der Lanthanatome aus dem Experiment Lubricin zuständig. „Das ist ein Molekül, das an seinen beiden Enden ebenfalls positiv geladene Stellen aufweist“, erklärt Valtiner. Diese beiden Enden können sich am Gewebe festhalten, die Mitte des Moleküls bildet eine Art Schleife aus, in der das Wasser durch molekulare Wechselwirkung festgehalten wird. Bei Belastung kann dieses Wasser dann freigesetzt werden.

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Bewegung ist gut für das Gelenk

„Wenn man diese Moleküle analysiert, stellt man auch fest: Es ist wichtig, diese Schleife zu quetschen, um den Wasserfilm aufrechtzuerhalten“, sagt Valtiner. „Das erklärt auch, warum es gerade bei Gelenkproblemen wichtig ist, sich regelmäßig zu bewegen: In unbewegten Gelenken wird die Reibung im Lauf der Zeit wieder größer.“ Die Wiener Forscher sind zuversichtlich, dass sich aus ihren Erkenntnissen neue Therapieansätze ableiten lassen.

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