Der Körper eines Menschen ist zum größten Teil gründlich erforscht. Bisher war allerdings nicht klar, wieso die menschlichen Gelenke, wie Knie, Hüfte oder Ellbogengelenk so geschmeidig sind, dass die verschiedenen Knochenteile nicht aufeinander reiben. Ein Team aus Wissenschaftlern aus Österreich fand nun heraus, dass dieser reibungslose Prozess durch geladene Moleküle ermöglicht wird. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie über das Wissenschaftsmagazin ScienceAdvances.
Moleküle in der Gelenkflüssigkeit
Zwischen den knöchernen und knorpelhaltigen Schichten befindet sich in jedem Gelenk die wichtige Gelenkflüssigkeit. Sie schützt vor einem Abrieb der Knochenteile und hält die Verbindung geschmeidig. Das Forschungsteam hinter Markus Valtiner von der technischen Universität in Wien untersuchten diese Gelenkflüssigkeit nun genauer:
„Der genaue Mechanismus der Gelenkschmiere und deren Zusammensetzung wird seit Jahren diskutiert. Es gibt Grund zur Annahme, dass Ionen als Bindemittel wirken und auch Wassermoleküle beteiligt sind.“
Um diese Ionen und ihre Wirkung genauer untersuchen zu können, konzentrierte sich das Team auf die Ebenen in der Flüssigkeit, bei der der sogenannte Grenzflächeneffekt eintritt. Dieser Bereich liegt zwischen Gelenkknorpel und Gelenkflüssigkeit, auch Glimmoberfläche genannt.
Es kommt auf die Dichte und die Verteilung an
Zunächst untersuchten die Wissenschaftler die Anzahl der Moleküle. Dabei stellten sie fest, dass sie ungleichmäßig verteilt sind. In ihren Untersuchungsergebnissen schrieben sie dazu:
„Die Analyse der Verteilung der Ionendichte zeigt, dass die hydratisierten La3+-Ionen auf jeder Glimmeroberfläche zwei Schichten bilden, unabhängig vom Abstand zwischen den Oberflächen. Die obere Schicht befindet sich bei z = 0,26 nm (wobei z = 0 nm die Position der Glimmeroberfläche ist), während die untere Schicht bei z = 0,42 nm höher war.“
Anhand eines Modellversuchs versuchten die Forscher, diese Verteilung nachzubilden. Dafür verwendeten sie dreifach positiv geladene, in Wasser gelöste Lanthan-Ionen. Dabei bestätigte sich das Bild, welches bereits an der natürlichen Variante entdeckt wurde. Die Moleküle setzten sich schnell an dem unteren Teil der künstlichen Gallenflüssigkeit ab.
Die Gruppe geht davon aus, dass die Moleküle durch ihre besondere Lage für eine starke Verbindung zwischen Gallenflüssigkeit und der Glimmoberfläche sorgen. Diese Wirkung soll durch eine hohe Dichte noch verstärkt werden:
„Diese Beweise bestätigen, dass die Ionenkonzentration einen Skalar der Struktur der Hydratationsschicht ist, was ihre zentrale Rolle in den tribologischen Eigenschaften unter Subnanometer-Einschließung bestätigt.“
Für weitere Untersuchungen, Erkenntnisse und möglicherweise auch Behandlungsmethoden gegen Arthrose, könnten die Forschungsergebnisse künftig von großer Bedeutung sein.