Wasserfixierende Ionen sorgen für gut geschmierte Gelenke
In einem gesunden Gelenk ist die Reibung deutlich kleiner als bei beweglichen Teilen einer Maschine. Das haben Forschende mittels Simulationen herausgefunden.
Das Wichtigste in Kürze
- Wasserfixierende Ionen sorgen für geringe Reibung in Gelenken.
- Forscher entdeckten, wie die Schmierung in Gelenken funktioniert.
- Auch Bewegung ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Schmierung in Gelenken.
In einem gesunden Gelenk ist die Reibung sehr gering und deutlich kleiner als bei beweglichen Teilen einer Maschine. Forscher aus Österreich, Kanada und China berichten im Fachjournal «Science Advances», dass wasserfixierende Ionen für die notwendige «Schmiere» sorgen dürften.
Markus Valtiner vom Institut für angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien untersucht Effekte, die an der Grenze unterschiedlicher Aggregatzustände stattfinden, etwa zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit. Solche Grenzflächeneffekte sind auch für das Funktionieren von Gelenken entscheidend.
«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», erklärte Valtiner in einer Mitteilung. Für eine möglichst geringe Reibung sorge eine flüssige Schicht.
Experimente und Simulationen
Wasser alleine genüge nicht. Schon bisher gab es laut Valtiner den Verdacht, dass positiv geladene Ionen (Kationen) dabei eine entscheidende Rolle spielen. Denn biologisches Gewebe ist an seiner Oberfläche oft negativ geladen. Es zieht also positiv geladene Teilchen an, die wiederum gut Wassermoleküle festhalten können, die eine positiv und eine negativ geladene Seite haben.
Die Forscher testeten die Hypothese experimentell und mit Computersimulationen anhand von dreifach positiv geladenen Lanthan-Atomen. Im Mikroskop sahen sie, wie sich die Lanthan-Atome auf dem negativ geladenen Untergrund festsetzten und sich rund um sie Wassermoleküle ansammelten. Dort, wo sich besonders viele Lanthan-Atome aufhielten, war auch der Wasserfilm am ausgeprägtesten.
Im Körper sind keine Lanthan-Atome für diesen Effekt zuständig, sondern Lubricin, ein Glykoprotein. «Das ist ein Molekül, das an seinen beiden Enden ebenfalls positiv geladene Stellen aufweist», erklärt Valtiner. Diese beiden Enden werden vom Gewebe angezogen und das Molekül bildet eine Art Schleife, in der das Wasser durch molekulare Wechselwirkung festgehalten und bei Belastung freigesetzt wird.
Die Forscher stellten fest, dass es wichtig ist, «diese Schleife zu quetschen, um den Wasserfilm aufrechtzuerhalten». Das erklärt für sie auch, warum es gerade bei Gelenksproblemen wichtig sei, sich regelmässig zu bewegen. Denn in unbewegten Gelenken werde die Reibung im Lauf der Zeit wieder grösser. Die Wissenschaftler wollen die nun entdeckten physikalischen Prinzipien näher untersuchen, um daraus mögliche künftige Behandlungsmethoden für Gelenksprobleme entwickeln zu können.
