دراسة تريبولوجية لهيدروجيل PVA باستخدام مقياس اللزوجة Kinexus

مقدمة

يُظهر هيدروجيل كحول البولي فينيل (PVA)، باعتباره مادة بوليمرية لينة عالية الأداء، آفاقًا واسعة للتطبيق في مجالات مثل الطب الحيوي والإلكترونيات المرنة وهندسة الأنسجة، وذلك بفضل توافقه الحيوي الممتاز وخصائصه الميكانيكية القابلة للتعديل وبنيته الشبكية ثلاثية الأبعاد الفريدة. وعند استخدام هذا النوع من هيدروجيل PVA الناعم والزلق كغضروف اصطناعي محتمل، يطرح سؤال مهم: كيف يكون أداؤه في ظل الاحتكاك؟ تقليديًا، توجد العديد من آلات اختبار الاحتكاك المتخصصة في السوق لإجراء اختبارات علم الاحتكاك. ومع ذلك، فمن الأمور الأقل شهرة أن مقياس اللزوجة الذي نستخدمه عادةً لتقييم اللزوجة المرنة يمكن تحويله بسهولة إلى منصة اختبار تريبولوجي قوية باستخدام الملحق المناسب. ستقدم مذكرة التطبيق هذه كيفية إجراء الاختبارات التريبولوجية لهيدروجيلات PVA باستخدام مقياس اللزوجة الدوراني Kinexus الخاص بنا، وستناقش المزايا الفريدة لهذه الطريقة.

في اختبارات علم الاحتكاك لهيدروجيلات PVA، يجب اختيار هندسة التلامس بحيث يتم تمثيل نظام الاحتكاك الحقيقي بأكبر قدر ممكن من الدقة على نطاق نموذجي. بالنسبة للتطبيق الموصوف هنا، فإن نظام الاحتكاك الحقيقي موزع مكانيًا بطبيعته ومتعدد النقاط، مثل التلامس بين رأس عظم الفخذ والحُق في المفاصل البشرية. لذلك، يُعد نموذج التلامس متعدد النقاط أكثر ملاءمة من نموذج التلامس أحادي النقطة. ولهذا الغرض، فإن طريقة الكرات الثلاث واللوحة (ثلاث كرات موضوعة على نفس القرص بترتيب مثلث متساوي الأضلاع، مع تثبيت الهيدروجيل على اللوحة السفلية) تتجنب هذه المشكلة بشكل فعال. يتم توزيع القوة العمودية بالتساوي على الكرات الثلاث، مما يقلل بشكل كبير من التركيز الموضعي للإجهاد. ويتيح التلامس ثلاثي النقاط ثباتًا في التلامس ويضمن تلامسًا جيدًا. على سبيل المثال، في المفاصل البشرية، يكون التلامس بين رأس عظم الفخذ والحُق، بطبيعته، موزعًا مكانيًا ومتعدد النقاط. لذلك، فإن التلامس ثلاثي النقاط يقترب بشكل أكبر من الحالة الفسيولوجية الفعلية مقارنةً بالتلامس أحادي النقطة.

بالاقتران مع مقياس اللزوجة، يمكن حساب معامل الاحتكاك (CoF) باستخدام الصيغة التالية:

حيث τ هو عزم الدوران، وR هو نصف قطر الدائرة التي يحددها موضع الكرات الثلاث،_وFn هي القوة العمودية. وبذلك، نحصل على منحنى معامل الاحتكاك المعروف عمومًا باسم منحنى ستريبيك (Stribeck) عندما يتم رسم معامل الاحتكاك (CoF) كدالة لسرعة الانزلاق (عن طريق تغيير سرعة الدوران، التي تمثل سرعة الانزلاق). يكشف منحنى ستريبيك عن نظام التشحيم ويسمح لنا بتحديد آلية تشحيم المادة عند سرعات مختلفة وتقييم قدرتها على التكيف في ظل ظروف التشغيل الفعلية (مثل التغيرات في سرعة حركة المفصل). والجدير بالذكر أنه يمكن أيضًا إجراء اختبار المسح بطريقة ذهابًا وإيابًا، أي بزيادة السرعة بشكل مستمر من منخفضة إلى عالية ثم العودة فورًا من عالية إلى منخفضة. يمكن أن يكشف هذا النهج عما إذا كانت حالة تزييت المادة قابلة للعكس وعما إذا كانت هناك خاصية ذاكرة التزييت [1، 2]، وهو أمر ذو قيمة كبيرة لمحاكاة الحركة متغيرة السرعة للمفاصل البشرية (مثل البدء، والتسارع، والتباطؤ، والتوقف).

يسمح مقياس اللزوجة الدوراني من Kinexus بالتوسع بسهولة إلى إعداد تريبولوجي لنظام نموذجي تريبولوجي. تكمن الميزة الأساسية لجهاز قياس اللزوجة في دقة التحكم في السرعة والقوة العمودية، كما هو مفصل في الجدول 1. عادةً ما تكون محامل آلات اختبار الاحتكاك المتخصصة محامل ميكانيكية، في حين يستخدم مقياس اللزوجة الدوراني تقنية المحامل الهوائية، مما يتيح سرعات دوران منخفضة للغاية تسمح بمحاكاة أكثر دقة للاحتكاك في ظروف الحركة الساكنة ومنخفضة السرعة. بالإضافة إلى ذلك، توفر المستشعرات عالية الدقة الخاصة بجهاز قياس اللزوجة دقة أعلى في قياس عزم الدوران، مما يعني أنه يمكننا ملاحظة المزيد من التغيرات العابرة small أثناء عملية الاحتكاك. يتم التحكم في درجة الحرارة المستخدمة في جهاز قياس اللزوجة دائمًا باستخدام تقنية بيلتيير بدقة في درجة الحرارة تبلغ ±0.01 درجة مئوية، مما يتيح محاكاة البيئة الفسيولوجية عند 37 درجة مئوية.

الجدول 1: مقارنة بين جهاز اختبار الاحتكاك المتخصص وجهاز قياس اللزوجة

القياسات والنتائج

تحضير هيدروجيل PVA المستخدم في اختبار علم الاحتكاك

يوضح الشكل 1أ ملحق اختبار علم الاحتكاك الخاص بنا. تتكون الشكل الهندسي العلوي من ثلاث كرات من الفولاذ المقاوم للصدأ مرتبة في شكل مثلث متساوي الأضلاع، بينما يتكون الشكل الهندسي السفلي من صفيحة مزودة بحلقة تثبيت. نحتاج إلى تثبيت عينة الاختبار على الصفيحة السفلية باستخدام حلقة التثبيت والمسامير. ومع ذلك، بالنسبة لهيدروجيل PVA، هذه العينة الهشة – فإن هذا التثبيت محدود، وقد يتسبب في تشوه كبير أو حتى تمزق في الهيدروجيل – مما يؤثر في النهاية على نتائج الاختبار. لذلك، قمنا بإعداد هيدروجيل PVA مباشرةً على اللوح السفلي، لضمان التصاقه بإحكام باللوح واندماجه معه.

تم استخدام مقياس اللزوجة في عملية التحضير الكاملة لهيدروجيل PVA. وقد تم عرض طريقة التحضير المحددة في AN 421. يتم تحضير محلول PVA متجانس باستخدام هيكل علوي مزود بشفرة تقليب ونظام كوب قطره 34 مم (الشكل 1ب). ثم سُكب محلول البولي فينيل الكحول المُعد على اللوحة السفلية لمجموعة اختبارات علم الاحتكاك الموضحة في الشكل 1أ. بعد ذلك، تم تصنيع هيدروجيل البولي فينيل الكحول السائب باستخدام طريقة التجميد والذوبان الفيزيائية التي تعتمد على تسلسل دوري للتسخين والتبريد (الشكل 1ج). وفي النهاية، يتشكل هيدروجيل مرتبط ارتباطًا وثيقًا ومتكاملًا مع اللوح السفلي (الشكل 1د). ويمكن بعد ذلك إجراء الاختبارات التريبولوجية على هيدروجيل PVA.

اختبار التآكل على هيدروجيل PVA

أُجري التقييم التريبولوجي باستخدام مقياس اللزوجة الدوراني Kinexus من شركة NETZSCH المزود بمجموعة أدوات التريبولوجيا. واستُخدمت طريقة الألواح ذات الكرات الثلاث، مع شروط اختبار محددة مفصلة في الجدول 2. تم ضبط الحمل العمودي على 0.5 نيوتن، وتم تطبيق سرعة الانزلاق في وضع التدرج المستمر، مع زيادة السرعة الزاوية بشكل لوغاريتمي من 0.00001 راديان/ثانية إلى 5 راديان/ثانية خلال فترة تدرج مدتها دقيقة واحدة. غطى نطاق السرعة هذا الطيف بأكمله بدءًا من الحركة الانزلاقية الساكنة وصولًا إلى الحركة الانزلاقية ذات السرعة medium. تم اعتماد وضع المسح ذهابًا وإيابًا (مع تغيير سرعة الدوران: منخفضة → عالية → منخفضة). أُجري اختباران متكرران على نفس العينة لتقييم موثوقية طريقة الاختبار بشكل منهجي.

الجدول 2: شروط اختبار علم الاحتكاك باستخدام ثلاث كرات

يوضح الشكل 2 منحنيات ستريبيك لهيدروجيل PVA. استخدم الاختبار وضع المسح ذهابًا وإيابًا، مع التسارع المستمر من سرعة منخفضة للغاية تبلغ ^10-7 م/ث إلى 0.1 م/ث، ثم التباطؤ الفوري مرة أخرى من 0.1 م/ث إلى ^10-7 م/ث. تداخلت المنحنيات الناتجة عن اختبارين متكررين على نفس العينة بشكل شبه كامل، مما يشير إلى قابلية تكرار ممتازة واستقرار العينة.

وفقًا للتصنيف التقليدي للسرعة في علم الاحتكاك، فإن السرعة القصوى البالغة 0.1 م/ث تتوافق مع سرعة انزلاق المفاصل أثناء المشي البشري العادي، في نطاق السرعة medium ، ولا تصل إلى نطاق السرعة العالية الحقيقي (مثل الجري أو القفز، الذي يتوافق مع سرعات تتراوح بين 0.1 و0.3 م/ث) [3]. لذلك، ركز هذا الاختبار فعليًّا على مناطق السرعات المنخفضة و medium ، ولا سيما منطقة السرعات المنخفضة للغاية مثل ^10⁻⁷ إلى ^10⁻³ م/ث، حيث تم جمع نقاط البيانات الأكثر كثافة. تمثل هذه المنطقة الحالات الفسيولوجية الحرجة أثناء بدء حركة المفاصل البشرية وتعديلها الدقيق، مما يوفر قيمة فريدة لتحليل التطبيقات.

تُظهر المنحنيات اعتمادًا واضحًا على اتجاه منحدر السرعة. يبدأ المنحنى الصاعد من السرعة المنخفضة إلى السرعة العالية (الأزرق) في منطقة السرعة المنخفضة للغاية بقيمة معامل الاحتكاك (CoF) قريبة من 0، ثم تزداد بسرعة مع زيادة السرعة، وتصل إلى ذروة تبلغ حوالي 0.4 عند سرعة تقارب ^10⁻³ م/ث، ثم تنخفض إلى ما يقارب 0.1 مع استمرار زيادة السرعة حتى 0.1 م/ث.

يبدأ المنحنى التنازلي من السرعة العالية إلى السرعة المنخفضة عند 0.1 م/ث مع معامل احتكاك يبلغ حوالي 0.1. مع انخفاض السرعة، تظهر قيمة معامل الاحتكاك (CoF) زيادة معينة، وتصل إلى ذروة تبلغ حوالي 0.2 عند حوالي ^10⁻³ م/ث، ثم تنخفض إلى حوالي 0.05 عند مزيد من التباطؤ إلى منطقة السرعة المنخفضة للغاية. تظهر قمم كل من المنحنيين الصاعد والنازل بالقرب من ^10⁻³ م/ث، لكن القيمة القصوى للمنحنى الأمامي أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمنحنى الخلفي. تكشف هذه الخاصية عن آلية سلوك التشحيم للهيدروجيل PVA أثناء الحركة ذات السرعة المتغيرة. يمثل المنحدر الصاعد البداية من حالة أولية غير مقطوعة. مع زيادة السرعة، يمر سطح الهيدروجيل بعملية كاملة بدءًا من التلامس الصلب وصولًا إلى التكوّن التدريجي لطبقة تشحيم مائية. توجد نافذة ذات قيمة عالية لمعامل الاحتكاك (CoF) عند بدء التشغيل الأولي. وعلى الرغم من أن السطح يكون أملسًا للغاية في الحالة الساكنة، إلا أنه يجب التغلب على مقاومة انطلاق كبيرة بمجرد بدء الحركة. تشير الذروة عند ^10⁻³ م/ث، التي تتبعها تقلبات على المنحنى، إلى أن هذه هي نقطة الانتقال الحرجة من التزييت الحدودي إلى التزييت المختلط، حيث لم تتشكل طبقة التزييت بشكل فعال بعد، مما يؤدي إلى معامل احتكاك مرتفع وغير مستقر. بعد نقطة السرعة الحرجة هذه، تتشكل طبقة الترطيب تدريجيًا، وينخفض معامل الاحتكاك (CoF) تبعًا لذلك. يمثل المنحدر الخلفي التباطؤ من حالة التشحيم الكامل. عند هذه النقطة، يكون سطح الهيدروجيل قد تعرض بالفعل لقص عالي السرعة، وتكون طبقة الترطيب قد تم تنشيطها بالكامل وتظل مستقرة. وحتى عند انخفاض السرعة، لا تختفي طبقة التشحيم هذه على الفور، وتحتفظ بمعامل احتكاك منخفض للغاية يبلغ 0.05 حتى في نطاق السرعات المنخفضة للغاية. ويكشف ذلك عن خصائص «ذاكرة التشحيم» للمادة. بمجرد حدوث الحركة وتكوين طبقة تشحيم مائية مستقرة، يمكن الحفاظ على أداء التشحيم حتى عندما تنخفض السرعة إلى مستويات منخفضة للغاية، ولا توجد حاجة لإعادة تكوين الطبقة أثناء عملية التشغيل والتوقف المستمرة. وهذا مهم بشكل خاص للمرضى الذين يمارسون أنشطة متقطعة مثل التبديل بين الجلوس والوقوف.

والجدير بالذكر أن البيانات الوفيرة في نطاق السرعات المنخفضة للغاية في هذا الاختبار توفر رؤى لتقييم أداء المادة في مرحلة إعادة التأهيل المبكرة بعد الجراحة والأنشطة اليومية المتقطعة. ويشير الاختلاف الكبير بين منحنيي الصعود والهبوط إلى أن أداء التزييت لهذا الهيدروجيل PVA يُظهر خاصية مميزة في بدء التشغيل والتفعيل. توجد مقاومة في البداية عند بدء الحركة، ولكن بمجرد التنشيط، يتحسن أداء التشحيم بشكل ملحوظ ويمكن الحفاظ عليه باستمرار. وعلى الرغم من أن هيدروجيل PVA هذا ليس مادة زرع، فإن هذه الخاصية توفر إرشادات واضحة للتطبيقات السريرية. في إعادة التأهيل بعد الجراحة، يمكن تنشيط طبقة التشحيم بين المفاصل بسرعة من خلال أنشطة تمهيدية بسيطة مثل ثني المفاصل وتمديدها، مما يقلل الاحتكاك الشديد في مرحلة البدء. وفي الوقت نفسه، تتيح خصائص «ذاكرة التزييت» للمادة الحفاظ على حالة تزييت جيدة أثناء الأنشطة المتقطعة، مما يعود بالنفع على تجربة المريض في الأنشطة اليومية وعلى العمر الافتراضي للمادة. ويمكن إجراء هذا النوع من الاختبارات ذات السرعة المنخفضة للغاية باستخدام مقياس الاحتكاك التقليدي.

الخلاصة

بفضل قدرات التحكم الدقيقة وإمكانية التوسع التي يتمتع بها جهاز قياس الريولوجيا، يمكننا إجراء توصيف شامل بدءًا من السلوك الريولوجي وصولًا إلى الأداء التريبولوجي على منصة واحدة. تكمن المزايا الأساسية لجهاز قياس الريولوجيا في تقنية المحامل الهوائية ونظام استشعار عزم الدوران عالي الدقة، مما يتيح إجراء قياسات مستقرة عند سرعات منخفضة للغاية، وهو ما يصعب تحقيقه باستخدام آلات اختبار الاحتكاك ذات المحامل الميكانيكية التقليدية. في هذا الاختبار، يحاكي سلوك الاحتكاك لهيدروجيل PVA في نظام السرعة المنخفضة للغاية بدقة الحالات الفسيولوجية الحرجة مثل البدء الساكن والتعديل الدقيق للمفاصل البشرية، وتوفر البيانات دليلاً لتقييم أداء المواد في مرحلة إعادة التأهيل المبكرة بعد الجراحة والأنشطة المتقطعة. كشف منحنى المنحدر الأمامي عن نافذة بدء ذات معامل احتكاك (CoF) مرتفع، بينما أظهر منحنى المنحدر الخلفي خصائص ذاكرة التشحيم لهيدروجيل PVA. ويعتمد كلاهما على قدرات التحكم الدقيق وجمع البيانات التي يتمتع بها مقياس اللزوجة عند السرعات المنخفضة للغاية. من خلال إقامة علاقة بين سرعات الاختبار والأنشطة الفسيولوجية، لا يقتصر دور مقياس اللزوجة على التحقق من إمكانات التشحيم لهيدروجيل PVA كمواد بديلة للغضروف فحسب، بل يوفر أيضًا إرشادات كمية لتحسين المواد والتطبيقات السريرية. ويُظهر مقياس اللزوجة العديد من الإمكانيات الجديدة لاختبارات الاحتكاك.