生命的設計--軟骨

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軟骨是一種超級材料，在高載荷的快速滑動摩擦下，能夠持續可靠工作，不產生摩擦碎屑，也幾乎沒有消耗。另一個出色的指標是滑動摩擦係數非常小，大約是0.5%，比其他的材料小1-2個數量級。 （軟骨有幾種類型，此處特指關節面上起潤滑作用的的透明軟骨）

三級跳遠運動，起跳時髖關節軟骨表面之間的局部壓強超過80MPa，而滑動摩擦係數可以低至0.1%。 三級跳運動員第二跳衝擊力最大，可以達到體重的22倍。假設運動員體重80kg，衝擊力會達到1.7噸，而且要落在單側股骨頭與臼窩上，接觸面積約2平方厘米，所以瞬間的峰值會達到80MPa。

下圖 里約奧運會，董斌

下圖 英國袋鼠--愛德華茲，18.29米。

一些材料的摩擦係數：

滑動摩擦係數， 無潤滑 /有潤滑

鋼-鋼 0.1 0.05～0.1

鋼-軟鋼 0.1～0.2

鋼-鑄鐵 0.05～0.15

鋼-青銅 0.1～0.15

木材-木材 0.2～0.5 0.07～0.15

滾動係數

（ @長乘 指出 滾動摩擦係數具有長度的量綱，且有力臂的意義，所以不能與滑動摩擦係數直接比較。）

摩擦副材料，滾動摩擦係數k,cm

淬火鋼-淬火鋼 0.001

鑄鐵-鑄鐵 0.05

木材-鋼 0.03-0.04

木材-木材 0.05-0.08

鐵或鋼質車輪-木面 0.15-0.25

鋼質車輪-鋼軌 0.05

下圖是軟骨縱剖面

軟骨從上到下可以分4層：

表面區域

這種軟骨覆蓋關節面，並具有光滑的輪廓，可以滑動骨頭並抵抗剪切。它形成約10％至20％的關節軟骨厚度，具有所有區域中最高的膠原含量。

膠原纖維密集排列，並以高度有序的方式平行於關節面排列。該區域的軟骨細胞形狀較長。

中間（或過渡）區域

中間區域占關節軟骨體積的40％至60％。膠原原纖維較厚且鬆散排列，並不平行於表面。這層軟骨細胞更圓潤。

深層區域

這占軟骨的30％。膠原原纖維的直徑很大，並垂直於關節面排列。該層具有最高比例的蛋白多糖和最低濃度的水。軟骨細胞排列成柱狀，平行於膠原纖維。

鈣化區

這直接位於軟骨下骨並且在軟骨瘤基質中含有小細胞，其中散布有磷灰石鹽。

下圖是軟骨縱剖面里，纖維的走向，表層水平方向承受剪切力，深層垂直方向承受壓力。完美！

軟骨由幾種材料組成，

關節軟骨的外部邊界由許多大分子組成，膠原蛋白（collagen ）組成基礎網路框架。

參與潤滑的有透明質酸（HA，一種長的線性負電荷多糖）、lubricin（一種帶有帶電荷的富含碳水化合物主鏈的柔性棒狀蛋白）、蛋白多糖、脂質小分子（lipid，磷脂，其中兩個疏水鏈CH2單體與親水性磷酸膽鹼頭部基團連接）。

下面圖片是蛋白多糖分子。

蛋白多糖是一種在人體結締組織中發現的分子。結締組織是為其他身體結構提供支撐的纖維組織。蛋白多糖構成細胞外基質的主要部分，細胞之間的材料提供結構支持。與其他身體組織不同，細胞外基質是結締組織中最重要的部分。

蛋白多糖是高度糖基化的糖蛋白。這意味著它們是連接有多糖鏈（一種碳水化合物）的蛋白質。附著於蛋白多糖的特定類型的多糖稱為糖胺聚糖（GAG）。由於存在硫酸鹽和糖醛酸，蛋白多糖具有負電荷。蛋白多糖的GAG鏈可以由硫酸軟骨素，硫酸皮膚素，硫酸肝素，硫酸乙醯肝素或硫酸角質素製成。

除了它們攜帶的GAG類型之外，蛋白多糖可以按大小分類。大分子包括蛋白多糖----軟骨的重要組成部分，以及在血管和皮膚中發現的多功能蛋白多糖。存在於各種結締組織中的小分子包括核心蛋白多糖，雙糖鏈蛋白多糖，纖維調節蛋白和lumican蛋白。由於它們帶負電荷，蛋白多糖也有助於吸引正離子或陽離子，如鈣，鉀和鈉。它們還結合水，並幫助水和其他分子通過細胞外基質轉運。

蛋白多糖的所有組分在細胞內合成。蛋白質部分是由核糖體合成的，這些核糖體可以使蛋白質脫離氨基酸。然後將蛋白質移至粗面內質網（RER）。它在高爾基體中是另一種細胞器，在許多步驟中被糖基化。

首先，在蛋白質上附著多糖可以生長的連接四糖。然後，逐一加入糖。當蛋白多糖完成時，它通過分泌囊泡離開細胞，並進入細胞外基質。

下圖是分子層面，摩擦副(2個滑動摩擦的面)的微觀結構。磷脂分子頭部有水分子層。

下面是上圖的原文說明

Hydration lubrication is an emergent paradigm for understanding friction and lubrication processes in aqueous media, including at articular cartilage surfaces. Because of their large electric dipoles, water molecules in the vicinity of a charge or polar group can surround it to form a so-called hydration shell, as shown in the left panel of the figure (adapted from J. A large energy is required to break up the shells. And yet individual water molecules in each shell can exchange positions with surrounding bulk water or with water in adjacent shells. The time scale for that exchange can be as short as a nanosecond, depending on the central ion being hydrated. That combination of being strongly held—and therefore difficult to squeeze out even under a heavy load—while remaining fluid under shear makes hydration shells extremely effective molecular scale lubricants. And their formation accounts for the extremely low friction provided by hydrated ions and charged polymers, surfactants, and lipids on cartilage surfaces. The hydrated head groups of one class of phospholipid—comprising a negative charge, PO4 ?, next to a positive charge, N+(CH3)3, are especially good lubricants.17 A close-packed array of opposing head groups has been proposed to reside at the slip plane between two cartilage surfaces, as shown in the right panel. Those head groups are thought to suppress frictional dissipation via the hydration lubrication mechanism. During that suppression, the strong attraction of the head groups』 hydrophobic CH2 tails keep the lipid bilayers robust enough to withstand high pressures. The phase state of those bilayers— as either a disordered liquid or an ordered solid—and their self-healing ability when worn may be modified by changing the lengths of the tails. The hope is that such modifications can optimize the lubricating properties of such hydration shells for eventual biomedical applications.

下面是翻譯

水化潤滑是了解水介質中的摩擦和潤滑過程的一種新興範式, 包括關節軟骨表面。

由於是電偶極子分子, 電荷或極性基團附近的水分子可以環繞它形成水化殼,

要把水化殼打碎, 需要很大的能量。然而, 每個殼體中的單個水分子可以與周圍的遊離水或相鄰水化殼中的水分子交換位置。該交換的時間可短至納秒, 這取決於中心離子是否水合。水合結合強烈，因此即使在一個沉重的負載下也很難擠出-而剩餘的水分子在剪切力下形成流體，使水化殼成為有效的 分子尺度 潤滑劑。這種超低摩擦力是由水合離子、帶電聚合物、表面活性劑和脂質在軟骨表面共同形成的。

磷脂分子的水合頭部--包括負電荷基團PO4? 和正電荷基團, N(CH3)3+, 是特別好的潤滑劑.

在兩個軟骨面之間，分子頭部對頭部緊密排列的分子陣列，。這些頭部被認為通過水化潤滑機制來抑制摩擦。在這種抑制過程中, 頭部疏水 CH2 尾巴的強烈吸引力使脂質雙層足夠強健, 足以承受高壓。

在兩個軟骨面之間，存在2種相狀態--作為無序的液體相或有序的固體相，分子的自愈能力也很強, 當磨損時可以改變分子尾巴的長度。

一句話總結，

軟骨將宏觀層面的固體與固體間的滑動摩擦，轉換成了微觀層面的靜電場懸浮和流體摩擦。

參考資料

http://slideplayer.com/slide/6631828/

https://physicstoday.scitation.org/doi/pdf/10.1063/PT.3.3898

黏彈性-- 材料不僅具有固體的彈性，而且具有流體的粘度。

雙相材料--可以呈現出液體和固體特性的材料。

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