关节软骨学关节和软骨的科学

与骨关节炎相关的关节疼痛是一个大的医学问题，全球有2.5亿患者。但根据材料与界面系的雅各布·克莱因教授的说法，这种痛苦可能始于一些极其微小的东西。事实上，他说，这是一种分子机制，它创造了保持我们关节健康所需的润滑。他的发现也有助于解释为什么动物王国的成员，包括人类，只要他们的关节是健康的，就能很好地处理关节的压力。

当人们比较老鼠和牛的负重关节时，发现尽管这些动物在物理规模上有巨大的差异，但它们支撑关节内的机械压力仅相差40%。虽然人类的关节也能承受重物，但摩擦对骨缓冲软骨的损伤太常见了。事实上，髋关节和膝关节置换术是美国最常见的手术之一。

Klein教授是水和生物系统表面摩擦物理方面的著名专家。他的发现包括首次测量由聚合物在表面介导的分子吸引力和排斥力，这比原子力显微镜的出现使在液体环境中测量这种现象变得普遍早了几年。现在，在最近发表的一篇文章中，他展示了三种不同的分子因子是如何共同作用来保护软骨的，通过产生水润滑来保护相反的滑动表面。

克莱因教授说:“骨关节炎有时被称为‘磨损性’疾病，因为人们认为机械摩擦本身就会损害软骨，最终导致软骨保护的骨骼受损。”“然而，我们已经证明，软骨表面的分子相互作用也起着至关重要的作用，产生了显著的润滑，使主要关节的摩擦降低。这不仅在基础科学层面上很有趣，还为新型骨关节炎治疗指明了道路。”

Klein教授的发现建立在他早期发现的“水合润滑效应”的基础上，这是许多生物摩擦过程的基础。

他说:“在生命系统中，滑动表面之间的摩擦通常很低，工程师们只能羡慕。”“在润滑层中，就像那些覆盖在我们关节软骨表面的润滑层一样，亚纳米大小的水合‘壳’包围着带电分子，当表面相互滑动时，摩擦水平极低。这些水合壳产生的润滑效果比单独使用大量水作为润滑剂(就像分子机械轴承)要有效几个数量级。”

克莱因教授的发现为理解和潜在地模拟生物体中的边界润滑过程提供了一个强大的框架。“受到软骨表面天然坚固润滑的启发，技术人员可能有一天会设计出经得起时间考验的改进义肢;更容易滑入血管或器官的导管和内窥镜等生物医学设备;甚至隐形眼镜，”他说。“最终，这些见解可能有助于组织工程和再生医学，使医生能够修复受损的软骨，而不是完全替换臀部和膝盖。”

Klein教授由Charles W. McCutchen基金会、Rothschild Caesarea基金会、Simon Picker和欧洲研究委员会资助。他是Hermann Mark高分子物理学教授席的现任。