Scale-dependent investigation of tribology related surface interactions in biological media

Abstract

This thesis explores the multifaceted applications of biotribology, aiming to enhance tribometer capabilities across various scales. The primary focus is understanding lubrication mechanisms inherent to dermatological, ophthalmological, and orthopaedic tissues. Additionally, the research aims to provide innovative solutions to improve tissue well-being and extend the operational life of artificial systems designed to optimise those tissues’ contact dynamics. An essential motivation lies in the challenges posed by real-world contexts that deviate from the original tribological investigations, prompting iterative enhancements in tribometer design and methodology.Starting with biotribological interactions involving human skin, the study examines how the skin interacts with diverse consumer products and medical devices. To avoid variations due to anatomy, demographics, and lifestyle, the study focused on the skin’s natural oil distribution on the stratum corneum using atomic force microscopy. Elasticity variations due to dermis and other layers of epidermis were bypassed, and the tribological behaviour of the oil and keratin layer could be observed separately.Shifting to the ophthalmic domain, the research examines the dynamic interplay between the cornea and eyelid. This investigation emphasizes lubrication and friction while uncovering limitations in current tribometric methods that struggle to capture the complexities of tear-film interactions. A microtribometer was adapted to work with cell culture samples submerged in various solutions. Also, various eyedrops were tested to observe improvements in lubrication properties as a solution to dry eye disease. Finally, the study also investigates articular joints using cartilage-on-cartilage systems. An SRV tribometer was adapted to conduct tests using synovial fluid at body temperature. The vital role of water in the lubrication scenario of knee joints is highlighted, along with exploring the effects of pro- and anti-inflammatory agents on tribological interactions. A significant point is the evaluation of transplanting healthy knee tissue, exploring how grafted cartilage orientation impacts the corresponding tribology.

Diese Arbeit erforscht die vielfältigen Anwendungen der Biotribologie mit dem Ziel, die Funktionalität von Tribometern auf verschiedenen Skalen zu verbessern. Der Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis der Schmiermechanismen, die in dermatologischem, ophthalmologischem und orthopädischem Gewebe auftreten. Zusätzlich zielt die Forschung darauf ab, innovative Lösungen zur Verbesserung des Gewebezustands zu liefern und die Betriebsdauer künstlicher Systeme zu verlängern, die entwickelt wurden, um die Kontaktmechanik dieser Gewebe zu optimieren. Eine wesentliche Motivation besteht in den Herausforderungen aus realen Kontexten, die von tribologischen Untersuchungen abweichen, was zu iterativen Verbesserungen im Design und der Methodik von Tribometern führt. Beginnend mit biotribologischen Interaktionen, die die menschliche Haut betreffen, untersucht diese Arbeit, wie die Haut mit verschiedenen Konsumprodukten und medizinischen Geräten interagiert. Um Variationen aufgrund von Anatomie, Demografie und Lebensstil zu vermeiden, konzentriert sich die Studie auf die Untersuchung der Verteilung des Hautfetts auf der Hornschicht mithilfe der Rasterkraftmikroskopie. So wurden Elastizitätsunterschiede aufgrund der Dermis und anderer Epidermisschichten umgangen, sodass das tribologische Verhalten von Hautfett und Keratinschicht separat beobachtet werden konnte.Im ophthalmologischen Bereich untersucht diese Arbeit das dynamische Zusammenspiel zwischen der Hornhaut und dem Augenlid. Die Untersuchung legt den Schwerpunkt auf Schmierung und Reibung und deckt dabei Einschränkungen in gängigen tribometrischen Methoden auf, die Schwierigkeiten haben, die Komplexität der Tränenfilminteraktionen zu erfassen. Ein Mikrotribometer wurde angepasst, um mit Zellkultur-Proben in verschiedenen Lösungen zu arbeiten. Auch verschiedene Augentropfen wurden getestet, um Verbesserungen der Schmiereigenschaften als Lösung für das Trockene-Augen-Syndrom zu beobachten. Schließlich untersucht die Arbeit auch Gelenke in Form von Knorpel-auf-Knorpel-Systemen. Ein Schwing-Reib-Verschleiß Tribometer wurde angepasst, um Tests mit Gelenksflüssigkeit bei Körpertemperatur durchzuführen. Die wichtige Rolle von Wasser bei der Schmierung von Kniegelenken wird hervorgehoben, ebenso wie die Erforschung der Auswirkungen von entzündungsfördernden und -hemmenden Mitteln auf tribologische Wechselwirkungen. Ein wichtiger Punkt ist die Bewertung der Transplantation von gesundem Kniegewebe, wobei erforscht wird, wie die orientierte transplantierte Knorpelstruktur die entsprechende Tribologie beeinflusst.