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Im menschlichen Körper gibt es jede Menge Gelenke. Alle diese Gelenke sind Gleitlager.
Manche können auch ein klein wenig abrollen. Im Fuß, im Knie, in der Hüfte und im Schultergelenk
findet man wahre Meisterwerke der evolutionären Entwicklung.
Aber auch die weniger spektakulären Lösungen sind trickreich und raffiniert.
Bewegen Sie mal kauend ihren Unterkiefer, und versuchen Sie die Freiheitsgrade der verschiedenen,
irgendwo innen und oben befindlichen Gelenke zu erkunden.
Schon die Analyse der Bewegung ist nicht einfach! Wenn Sie das jetzt nachbauen müssten mit einem
mechanischen Konstruktionsbaukasten wäre die Verzweiflung sicher. Das Pflichtenheft setzt nämlich
auch noch absoluten Leichtbau und kleine Raumverhältnisse voraus.
Sollten Sie jemals in einen Faustkampf verwickelt werden, können sie sich auch noch über ein beachtliches
Maß an Elastizität der Gelenkkonstruktion in Ihrem Kiefer glücklich schätzen. Bei einem Kinnhaken gibt die
Konstruktion nämlich viele Millimeter nach und federt den Stoß ab, ohne gleich zu zersplittern. KO gehen Sie
aber trotzdem. Das liegt aber nicht an der Tribologie, sondern am Gehirn.
Oder versuchen Sie die Beuge- und Drehbewegung Ihres linken Knies zu analysieren. Machen Sie das mal
im gestreckten und im gebeugten Zustand. Merken Sie den Unterschied? Im gebeugten Zustand ist eine
leichte Torsion möglich, im gestreckten nicht mehr.
Der mechanische Bewegungsapparat des Menschen ist auf Dauerbetrieb ausgelegt. Ruhepausen sind nur
notwendig, weil die zentrale Kontrolleinheit regelmäßige und zeitintensive „Updates und Servicezeiten“ benötigt.
Die Gelenke werden statisch, beispielsweise beim Stehen, und hochdynamisch- beim Treppensteigen- belastet.
Die Gleitgeschwindigkeiten können in einem sehr weiten Bereich variieren. Ganz langsam beim Faden einfädeln,
ganz schnell beim Speer werfen.
Es gibt viele Bewegungsformen, die sehr Gelenk-belastend sind. Eine ganz unerfreuliche ist der sportliche
Dreisprung. Die ersten beiden Sprünge macht man nämlich noch auf festem Grund, aus vollem Lauf und mit
maximaler Absprungkraft. Der letzte Sprung kracht dann hoffentlich in die Sandkiste. Die hier wirkenden
dynamischen Kräfte sind gewaltig. Sehnen und Muskeln, das knöcherne Skelett und vor allem die Gelenke
werden beim dreifachen Sprung wahrhaft bis zum Bersten strapaziert. Kennen Sie noch Häschen hüpf?
Wenn niemand in Ihrer Nähe ist, gehen Sie mal in die Hocke und machen einen Hasenhüpfer!
Da wirken über die Hebelkräfte der Kniesehnen viele hundert Kilogramm auf die Gelenklager, sogar, wenn Sie
ein Leichtgewicht sind.
Wie geht das ohne Versagen? Bleiben wir beim Kniegelenk.
Bild 7. 17
Kniegelenk mit Gelenkersatz, Quelle Äskulap Ulm
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Das Kniegelenk ist ein Scharniergelenk mit einem minimalen Rotations- Anteil. Es soll sich beim Stehen
und Laufen möglichst nicht tordieren. Ein seitliches Ausbrechen muss unbedingt verhindert werden. Ebenso
eine Schubladenbewegung nach vorne oder hinten, oben oder unten. Den Zusammenhalt des Systems erzeugen
die vielen Sehnen im Knie.
Engagierte Fußballspieler reißen sich davon wenigsten vier. Meniskus, Außenband, Innenband, Kreuzband.
Dem Autor ist es sogar gelungen, die Kniesehne (Patellarsehne) abzureißen. Dabei schnappt dann die Kniescheibe
auf den Oberschenkel. Beim erschreckten Abtasten des Knies fühlt man dann die Gelenkflächen unter der Haut.
Interessant abzutasten, aber unerfreulich schmerzhaft. Fragen Sie nicht wie das passiert ist!
Schauen wir mal rein in ein Knie. Metzgermeister Singer hilft mit und erstellt ein Knie Präparat aus einem
Schweine-Hinterlauf. Was sehen wir: Hüllende Haut. Abgesäbelte Sehnen. Quergeschnittene Muskelstränge,
etwas Blut und helle glänzende Gelenkflächen.
Bild 7.18
Schwarzwälder Schinken aus Meisterhand! Quelle: Metzgerei Singer Nordstetten.
Die Gelenkflächen sind kompliziert dreidimensional ausgeformt. Die Höcker passen perfekt in die Vertiefungen
der Pfannen. Der Steg links oben ist ein Teil der Verdrehsicherung des schweinischen Knie-Gelenks.
Also perfekter Formschluss gegen das Tordieren um die Längsachse.
Der Höcker links, der mit dem kleinen Anschnitt, verhindert ein seitliches Ausweichen.
Was wir nicht mehr sehen, ist die Synovialflüssigkeit, die Gelenkschmiere.
Sie ist wasserklar, zäh-viskos, irgendwie eigenartig glibberig. Der Metzgermeister hat sie vorschnell abgetupft.
Bild 7.19
Schweinekniegelenk, Gelenkflächen mit Gelenkknorpel
Beim Öffnen des Gelenks rutschte das Metzgermesser etwas ab und erzeugte einen scharfen Einschnitt
im Knorpel links. Das war ein Glück. Denn jetzt sieht man dort die Knorpelschicht mit dem darunterliegenden
rosa, gut durchbluteten Knochengewebe.
Der Glanz der Gelenkflächen ist auffallend und ein Anzeichen hoher Glätte. Der Fingernageltest findet keinerlei
Rauigkeiten. Reibt man Knorpel gegen Knorpel fühlt man unglaubliche „Rutschigkeit“.
Die Reibpaarung Knorpel/Knorpel, mit Synovialflüssigkeit geschmiert, hat Reibungszahlen unter f=0.02.
Erhöhte Haftreibung und Stick Slip sind nicht zu spüren.
Tribologisch interessant ist die Elastizität der Gleitfläche, ähnlich einem weichen Polymer.
Durch diese Elastizität werden Fluchtungsfehler ausgeglichen und die Flächenpressung bei optimalem
Traganteil reduziert.
? Hat ein menschliches Gleitlager auch Verschleiß ?
Ja es hat. Der Knorpel wird kontinuierlich abgetragen.
Das wirft natürlich sofort weitere Fragen auf.
? Was geschieht mit dem Verschleiß ?
Er wird von den weißen Blutkörperchen einfach gefressen.
? Warum nimmt das Lagerspiel nicht stetig zu ?
Weil der Knorpel nachwächst. Und zwar von innen. Ein ganzes, gesundes Gelenkleben lang!
Erkrankt das Lager - Arthritis, Arthrose, Altersdegeneration - hört die „Selbstheilung“ auf. Die Gelenkflächen
entzünden sich, werden rau und entarten im Formschluss. Wächst dann auch noch Knochengewebe in den
Gleitspalt, fällt das Gelenk aus, oder ist nur noch unter großen Schmerzen minimal zu bewegen.
Die Aufgabe der Synovialflüssigkeit ist vielseitig. Eigene tribologische Untersuchungen haben gezeigt, dass
nichts besser schmiert als die Gelenkschmiere. Diese Tatsache wird aber bemerkenswert, wenn man bedenkt,
dass es sich um eine wässrige Flüssigkeit handelt.
Chemisch gesehen ist die Synovialflüssigkeit ein Derivat der Hyaluronäure, eine hochpolare Substanz.
Ein langkettiges, lineares Polysaccharid. Sie ernährt zusätzlich den Gelenkknorpel, und trägt zur Stoßdämpfung
in den Gelenken bei.
Der Flüssigkeitsaustausch und damit die Ernährung des Gelenkknorpels wird durch wechselnde Be- und Entlastung
der Gelenkknorpel aufrechterhalten. Bei langer Ruhigstellung eines Gelenkes, aber auch bei Überlastung, kommt es
infolge von Ernährungsstörungen zu Knorpelschäden.
Rheologisch ist die Synovialflüssigkeit voller Wunder. Unter hoher Last verknäulen sich ihre riesigen Molekülstrukturen
und ermöglichen ein kugellagerähnliches Gleiten der Gelenkflächen.
Beim schnellen Scheren unter niedriger Last verflüssigt die Synovialflüssigkeit, ihre Viskosität nimmt ab und die
innere Reibung (viskose Reibung des Gelenks) wird minimiert.
Die Haftfähigkeit der Synovialflüssigkeit am Knorpel ist außergewöhnlich hoch. Sie „mag“ den Knorpel und benetzt ihn.
Blutet es in den Gelenkspalt, wird die Synovialflüssigkeit verändert, sie wird dünnflüssig, braun verfärbt und greift
den Knorpel an.
Man kann die Hyaluronsäure, also den wesentlichen Bestandteil der Gelenkschmiere, synthetisieren und in die
Gelenke einspritzen. Also quasi nachschmieren. Das Ergebnis ist zweifelhaft. Manchmal sogar negativ.
Eigene Reibungsversuche haben gezeigt, dass das synthetische Material dem biologischen bei Weitem nicht
das „Wasser“ reichen kann.
Viele Chirurgen sehen das Versagen von Gelenken nicht im Synovialmangel sondern ausschließlich in der
Degeneration der Gelenkflächen.
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Gelenkersatz, Austauschgelenke
Wenn ein chirurgisches Glätten der Gelenkflächen, oder die Heilung des entzündeten Gelenks nicht mehr
möglich ist, muss es raus. Es gibt einen regelrechten Ersatzteilekatalog für menschliche Gelenke. Die am häufigsten
ausgetauschten Gelenke sind das Hüftgelenk, das Kniegelenk, das Schultergelenk und das Ellenbogengelenk.
Auch kleine Gelenke in der Hand können erneuert werden.
Bild 7.20
Gelenkersatz in der Hand
Hat der Chirurg seine Arbeit gut gemacht, und der Patient die Implantate gut angenommen, hält ein künstliches
Gelenk 10 bis 20 Jahre. Probleme machen weniger die tribologisch belasteten Gelenkflächen als die notwendigen
metallischen Verankerungs-elemente im Röhrenknochen.
Die Titan- oder Edelstahlnägel können durch Ermüdungsbruch versagen. Sehr häufig kommt es auch zu einer Lockerung.
Das ist lästig und führt zu komplizierten Nachoperationen.
Das chemische Milieu im menschlichen Körper ist ein Alptraum für die Metallurgen. Nur eine Handvoll Metalle oder
Metalllegierungen halten den Angriff der Körpersäfte, Lymph- und Blutbestandteile aus. Noch schlimmer ist es bei
polymeren Werkstoffen. Viele ansonsten recht beständige Kunststoffe dienen geradezu als Futter für die Fresszellen
des Blutkreislaufs.
Humane Schmierstoffe - spezielle tribologische Funktionsflüssigkeiten
Über die Gelenkflüssigkeit haben wir jetzt schon einiges Erstaunliches gehört. Ihre Aufgabe, die Reibung zu senken
und den Verschleiß zu reduzieren, löst sie geradezu perfekt.
Der Schweiß auf Hand und Fußflächen erhöht bei richtiger Dosierung den Grip. Scheint recht sinnvoll, wenn wir
auch nicht gerade täglich Holz spalten, oder auf Bäume klettern müssen.
Eine ganz interessante tribologische Systemoptimierung findet man bei der Lubrifikation fortpflanzungsrelevanter
Schleimhäute. Es soll nämlich auf einer wasserfeuchten Gewebeoberfläche definiert Reibung erzeugt werden.
Definiert bedeutet hier nicht zu viel, aber auch nicht zu wenig. Öl oder Fett scheidet aus, wegen der Hydrophobie.
Öle oder Vaseline ergeben hier suboptimale sensitive Ergebnisse.
Der wasserbasierende humane Schmierstoff, den übrigens beide Geschlechter ähnlich erzeugen, hat eine
chemische Formulierung die spektakulär ist. Die klare Flüssigkeit besteht aus über 50 verschiedenen Substanzen.
Hauptsächlich aus Wasser, Squalen, Cholesterin, diversen Fettsäuren wie Stearinsäure oder Palmitinsäure, Harnstoff,
Glycerin, Essigsäure und Milchsäure, komplexen Alkoholen, Ketonen und Aldehyden.
Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Schmierstoff nur hergestellt wird, wenn er gebraucht wird, oder zumindest
gebraucht werden könnte.
Neuschwäbisch: Production on demand.
? Warum ist bei diesem tribologischen System eine definierte Reibung wichtig ?
Ist die Reibung zu hoch, kann es zu Verletzungen des Schleimhautgewebes kommen. Ist die Reibung zu niedrig,
werden die taktilen Nervenendigungen im Gewebe nicht ausreichend lateral aktiviert.
Kleiner Selbstversuch: streichen sie mit dem Zeigefinger ihrer rechten Hand mit wenig Druck über die Handinnenfläche
ihrer linken Hand. Jetzt wiederholen sie den Test mit seifigen Händen. Was für ein taktiler Unterschied!
Physiologie: Auf Druck reagieren unsere taktilen Nerven erheblich geringer als auf Schub.
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