Knorpel ist mit Flüssigkeit gefüllt – etwa 80% des Volumens des Knorpelgewebes -, die die wesentliche Rolle spielt, das Gewicht zu tragen und die Gelenkflächen zu schmieren. Der Verlust dieser Flüssigkeit, Synovialflüssigkeit genannt, führt zu einer allmählichen Abnahme der Knorpeldicke und einer Zunahme der Reibung, was mit dem Abbau und den Gelenkschmerzen von Osteoarthritis zusammenhängt.
Da Knorpel porös ist, wird Flüssigkeit im Laufe der Zeit leicht aus den Löchern herausgedrückt. Die Entwicklung der mit Osteoarthritis verbundenen Symptome dauert jedoch in der Regel Jahrzehnte.
„Die wichtige Frage ist, warum Knorpel im Laufe von Tagen, Monaten oder Jahren in unseren Gelenken nicht entleert wird“, sagte David Burris, Assistenzprofessor am Fachbereich Maschinenbau an der Universität von Delaware. Burris und seine Kollegen haben einen Mechanismus vorgeschlagen, der erklärt, wie Bewegung dazu führen kann, dass Knorpel austretende Flüssigkeit wieder aufnimmt. Burris wird während des 62. Internationalen Symposiums und der Ausstellung von AVS über seine Forschung sprechen, gehalten Okt. 18-23 in San Jose, Kalifornien.
Burris und seine Kollegen sind nicht die ersten, die die Knorpeldeflation untersuchen. Im Jahr 1995 verwendete eine Gruppe an der Columbia unter der Leitung von Gerard Ateshian die Theorie, um zu zeigen, dass eine kontinuierliche Kniebewegung den Deflationsprozess verhindern könnte, wenn er schneller auftrat, als die Flüssigkeit reagieren könnte. Im Jahr 2008 demonstrierte Ateshians Gruppe dieses Phänomen zum ersten Mal mit einer kleinen Kugel, die gegen einen Knorpelpfropfen artikuliert war, und zeigte, dass der interstitielle Druck unbegrenzt aufrechterhalten wurde, wenn sich die Kontaktfläche schneller bewegte als die Diffusionsgeschwindigkeit der Synovialflüssigkeit.
„Diese Studie war der erste direkte Beweis dafür, dass der interstitielle Druck ein tragfähiger Mechanismus für die langfristige Lastunterstützung und Schmierung ist“, sagte Burris. „Es war uns jedoch unklar, wie unsere Gelenke eine Deflation verhindern können, da wir jeden Tag lange sitzen und stehen, ohne einen aktiven Eingabemechanismus zu haben.“ Das heißt, es muss eine Möglichkeit für den Knorpel geben, die Flüssigkeit, die austritt, wenn wir uns nicht bewegen, wieder aufzunehmen.
Burris vermutete, dass der Reabsorptionsprozess durch hydrodynamische Druckbeaufschlagung angetrieben wurde, die immer dann auftritt, wenn die Relativbewegung zweier Oberflächen dazu führt, dass sich die Flüssigkeit zwischen ihnen in Form eines dreieckigen Keils beschleunigt. Wenn beispielsweise ein normaler Reifen mit hoher Geschwindigkeit über Wasser fährt, baut sich Druck auf, bis sich ein Film bildet, um die Grenzfläche zu schmieren. Wenn der Reifen jedoch porös wäre, könnte der äußere Flüssigkeitsdruck Flüssigkeit zurück in den Reifen zwingen.
Um zu untersuchen, ob hydrodynamische Druckbeaufschlagung entleerten Knorpel auffüllen könnte, platzierten Burris und A.C. Moore, ein Doktorand, Knorpelproben, die größer als der Durchschnitt waren, gegen eine Glasflache, um das Vorhandensein des notwendigen Keils sicherzustellen. Sie fanden heraus, dass bei langsamen Gleitgeschwindigkeiten (weniger als in einem Gelenk bei typischen Gehgeschwindigkeiten auftreten würde) Knorpelverdünnung und eine Zunahme der Reibung im Laufe der Zeit auftraten, aber als die Gleitgeschwindigkeit in Richtung typischer Gehgeschwindigkeiten zunahm, wurde der Effekt umgekehrt.
Da ihr Experiment stationäre Kontakte beinhaltete – bei denen der Kontakt zwischen Glas und Knorpel an einer einzigen Stelle stattfindet und sich nicht über die gesamte Oberfläche des Knorpelpfropfens bewegt – konnten ihre Ergebnisse nicht durch eine migrierende Kontakttheorie wie die der Ateshian-Gruppe erklärt werden. Burris glaubt, dass hydrodynamische Drücke, die den Flüssigkeitsfluss in den Knorpel erzwingen, dem Flüssigkeitsverlust durch Exsudation entgegengewirkt haben müssen.
„Wir beobachteten einen dynamischen Wettbewerb zwischen Input und Output“, sagte Burris. „Wir wissen, dass die Knorpeldicke im Gelenk über Jahrzehnte erhalten bleibt, und dies ist der erste direkte Einblick, warum. Es ist die Aktivität selbst, die den natürlichen Deflationsprozess bekämpft, der mit der interstitiellen Schmierung verbunden ist.“
Zukünftige Arbeiten für Burris und seine Kollegen beinhalten die Erforschung der Implikationen für Osteoarthritis (OA), die mit dem Abbau von Knorpel verbunden ist.
