Nanoborsten für reibungsarme, künstliche Gelenke

Hoher Wasseranteil reduziert Reibungskräfte auch unter starken Belastungen

Rehovot (Israel)/Oxford (Großbritannien) – Gute Schmiermittel müssen selbst bei hohen Belastungen die Reibungskräfte zwischen Kontaktflächen reduzieren können. Dieses Ziel verfolgen Ingenieure mit zahlreichen Spezialfetten, Nanopartikeln oder perfekt geformten Oberflächen. Israelischen und britische Wissenschaftler setzen nun auf winzige Nanoborsten aus Kunststoff, um ein Festfressen zu vermeiden. Wie sie in der Fachzeitschrift "Science" berichten, erreichen sie damit so geringe Reibungskoeffizienten wie sie sonst nur in Hüft-oder Kniegelenken möglich sind.

"Unsere Ergebnisse könnten für eine bessere Schmierung in biomedizinischen Implantaten relevant sein", sind Jacob Klein vom Weizmann Institute in Rehovot und seine Kollegen von der University of Oxford überzeugt. Kein Öl oder Fett, sondern schlicht Wasser ist der Schlüssel für einen fast reibungsfreien Kontakt. Dieses schlichte Schmiermittel darf sich allerdings selbst unter hohen Druckbelastungen und bei häufigen Bewegungen nicht verflüchtigen. Genau dieses Ziel erreichen sie mit etwa 40 Nanometer langen Polymerketten aus einer Phosphorylcholin-Verbindung (pMPC) mit so genannten pschen Eigenschaften. 

Direkt auf einer glatten Oberfläche ließen sie die pMPC-Moleküle polymerisieren. Dabei ordneten sie sich in Abständen von nur wenigen Nanometern an. Danach tränkten Klein und Kollegen diese Polymerschichten mit purem oder salzhaltigem Wasser. Die Wassermoleküle konnten sich so stark an die Polymerketten binden, dass sie selbst bei Drücken von bis zu 7,5 Megapascal (MPa) nicht aus der borstigen Grenzfläche heraus gepresst werden konnten.

In zahlreichen Messungen bestimmten die Forscher den Reibungskoeffizienten zwischen den mit den Polymerketten beschichteten Kontaktflächen. Selbst unter 7,5 MPa erreichten ihre Labormuster Werte von µ= 0,0004. Zum Vergleich: Die proteinhaltige Gelenkschmiere in Kniegelenken führt zu Reibungskoeffizienten von weniger als µ = 0,002 unter einem Druck von nur fünf Megapascal. Die geringen Reibungswerte wurden fast auch mit salzhaltigem Wasser (0,1 M NaNO3), das den Bedingungen im Körper entspricht, erreicht.

Da das pMPC-Polymer bereits zu den biokompatiblen Kunststoffen zählt, hoffen die Forscher nun, dass ihre Nanoborsten auch zur Beschichtung von körperverträglichen Implantaten genutzt werden könnten. Bevor künstliche Hüftgelenke allerdings mit diesem fast reibungsfreien Schmierstoff ausgestattet werden können, müssten Langzeitversuche die Stabilität dieser reibungsarmen Oberflächen belegen. Danach stünden noch aufwendige Versuchsreihen an lebenden Organismen an.

Schneller könnten dagegen deutsche Materialforscher stabilere und besser verträgliche Kunstgelenke entwickeln. Die Forscher um Philipp Imgrund vom Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen setzen allerdings nicht auf komplett künstliche Oberflächen, sondern wollen die Ansiedlung von lebenden Zellen wie in einem natürlichen Gelenk auch mit ihren Implantaten erreichen. Um die Kontaktflächen zwischen hartem, metallischen Implantat und weichem, biologischen Gewebe zu optimieren, setzt Imgrund auf mikroskopisch kleine Noppen auf der Implantatoberfläche. An diesen können sich lebende Zellen besser anhaften als an glatten Flächen und so die Reibung mit natürlich gewachsenen Schmiermitteln verringern. 
 
Jan Oliver Löfken

 
Weitere Infos:

• M. Chen et al., Lubrication at Physiological Pressures by Polyzwitterionic Brushes. Science, 323, 1698, (2009)
• University of Oxford in Oxford:
  http://www.ox.ac.uk/
• Weizmann Institute of Science, Rehovot:
  http://www.weizmann.ac.il/
• Arbeitsgruppe Jacob Klein:
  http://www.weizmann.ac.il/fluids/klein/klein1.html
• Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM):
  http://www.ifam.fraunhofer.de/
  

 
Weiterführende Literatur:

• C. W. McCutchen, Fed. Proc. 25, 1061 (1966)
• A. N. M. Forster, J. W. Mays, S. M. Kilbey, J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 44, 649 (2006) 
• U. Raviv et al., Nature 425, 163 (2003) 
• P. Schorr, T. Kwan, M. Kilbey, S. G. Shaqfeh, M. Tirrell, Macromolecules 36, 389 (2003)

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