Warum unser Körper läuft wie geschmiert

Reibung und Verschleiß als ewiges Ärgernis – das kennt man in der Technik genauso wie in der Medizin. Ob Schaltgetriebe oder Kniegelenk, immer wünscht man sich, dass bewegliche Teile mit möglichst geringer Reibung übereinander gleiten, sodass Energieaufwand und Abnützung möglichst klein sind.

Die Natur löst dieses Problem auf bewundernswert effektive Weise: Die Reibung in einem gesunden Gelenk ist um Größenordnungen kleiner als bei beweglichen Teilen einer Maschine. Wie die Natur das schafft, ist schwer zu erklären: Man muss dafür das komplizierte Zusammenspiel unterschiedlicher Moleküle an den Grenzschichten verstehen. Eine wichtige Entdeckung dazu gelang nun an der TU Wien, mit Unterstützung aus Kanada und China. Der entscheidende Schlüssel für fast reibungsfrei bewegliche Gelenke dürfte in Ionen liegen, die im Wasser gelöst sind. Das lässt auch auf die gezielte Entwicklung verbesserter Behandlungsmethoden für Gelenkserkrankungen hoffen.

Eine flüssige Schicht für geringe Reibung

Prof. Markus Valtiner vom Institut für angewandte Physik der TU Wien ist Spezialist für Grenzflächenphysik – mit seinem Forschungsteam untersucht er Effekte, die an der Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Aggregatszuständen stattfinden, also etwa zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit.

Genau solche Grenzflächeneffekte sind für das Funktionieren unserer Gelenke entscheidend: „Würde direkt ein Knochen gegen einen Knochen reiben, oder ein Knorpel gegen einen Knorpel, wäre die Reibung sehr hoch und das Gelenk wäre rasch kaputt", sagt Markus Valtiner. „Wichtig ist, dass es dazwischen eine flüssige Schicht gibt, die für möglichst geringe Reibung sorgt."

Wasser als Schmierstoff alleine genügt dafür aber noch nicht. Entscheidend ist nämlich, dass die Wassermoleküle auch dauerhaft an Ort und Stelle bleiben. „Die Frage ist, wie es dem Körper gelingt, einen solchen Flüssigkeitsfilm auch unter Last stabil zu halten – das bezeichnet man als Superlubrizität", sagt Matteo Olgiati, der im Team von Markus Valtiner derzeit an seiner Dissertation arbeitet. Das kann man nur beantworten, wenn man die Oberfläche auf atomarer Skala analysiert. Olgiati erstellte daher Mikroskop-Aufnahmen mit atomarer Auflösung, um die Oberflächenprozesse erklären zu können.

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