В наших суставах крайне низкий уровень трения, на несколько порядков меньше, чем в движущихся частях машины.
Международная команда Тяньи Хана (Tianyi Han) из китайского Университета Цинхуа изучила, как суставам удается сохранять почти отсутствие трения даже при высоких нагрузках, сконцентрировав внимание на эффектах взаимодействия хрящевой прослойки и синовиальной (суставной) жидкости. Благодаря им молекулы воды действуют как защитная скользящая подушка.
Существовала гипотеза, что растворенные в воде ионы могут быть "связующим звеном", соединяющим полярные молекулы H2O с отрицательно заряженными биологическими поверхностями. Для ее проверки экспериментаторы использовали в качестве модели хряща две поверхности слоистого силиката, а в качестве суставной жидкости - три растворенных в воде положительно заряженных иона лантана.
Атомно-силовой микроскоп высокого разрешения показал, что слой положительных ионов вызывал прилипание к поверхности слоя молекул воды. И чем плотнее была ионная пленка, тем толще и равномернее был связанный с ней слой воды. Если же ионы лантана распределялись редко, то водная пленка создавала горбы и впадины, которых было достаточно для значительного увеличения трения в суставе.
Эксперимент продемонстрировал, что нагрузка способствует более равномерному распределению ионов и разглаживанию водной пленки. Это объясняет, почему важно регулярно заниматься спортом, особенно при проблемах с суставами: в неподвижных суставах трение со временем снова увеличивается.
Полученные результаты применимы и к нашим суставам, в которых берет на себя функцию связывания ионов лантана лубрицин, белок с множеством присоединенных молекул сахара. Эта молекула тоже имеет положительно заряженные участки на обоих концах, прикрепляющихся к хрящевой ткани. Середина молекулы в форме петли выгибается наружу и служит точкой присоединения молекул воды.
По мнению исследователей, заряженные молекулы в суставной жидкости обеспечивают прилипание смазочной водной пленки к хрящу и не теряют ее даже под давлением. Чем больше таких молекул присутствует в суставе и чем больше они заряжены, тем более гладкой получается пленка жидкости, снижающая трение. Ученые рассматривают свои открытия и как отправную точку для медицины, например, для борьбы с износом суставов.
