Въведение
Хидрогелите от поливинилов алкохол (PVA) са високопроизводителни, меки полимерни материали с широки перспективи за приложение в области като биомедицината, гъвкавата електроника и тъканното инженерство, благодарение на отличната си биосъвместимост, регулируемите механични свойства и уникалната триизмерна мрежова структура. Реологичното тестване е ключов метод за изследване на вискоеластичните свойства, структурата на омрежената мрежа и механичните свойства на PVA хидрогелите, като играе значителна роля в разбирането на връзката между микроструктурата на материала и макроскопичните му характеристики.
PVA хидрогелите се характеризират с триизмерна мрежова структура, образувана чрез свързване на молекулярните вериги на PVA посредством физическо или химическо омрежване, което им позволява да абсорбират и задържат значителни количества вода, без да се разтварят. Хидрогелите от поливинилов алкохол (PVA) притежават отлична биосъвместимост, не са токсични и не предизвикват дразнене, което ги прави подходящи за биомедицински приложения. Регулируемите им механични свойства позволяват характеристиките да се променят от меки и еластични до висока якост и висока издръжливост чрез промяна на условията на получаване. Силната им хидрофилност с високо водно съдържание им придава превъзходни свойства за масов транспорт. Изключителната им химическа стабилност им позволява да запазват структурната си цялост в различни среди.
Изпитването на реологичния модул е от решаващо значение за установяване на връзката между микроструктурата на PVA хидрогелите и тяхното макроскопично приложение, като предоставя пряко ръководство за практическото използване на материала. Модулът на съхранение (G') пряко отразява плътността на кръстосаните връзки и здравината на мрежата на материала. За приложения, подложени на натоварване, като изкуствен хрущял или връзки, достатъчно висока стойност на G' показва, че материалът може да запази формата си при динамично натоварване и ефективно да разпределя напрежението. От друга страна, модулът на загуба (G'') и факторът на загуба (tan δ) характеризират способността на материала да разсейва енергия чрез вискозитета. При приложения като смазване на ставите подходящата вискозитет улеснява абсорбирането на енергия, докато в областта на освобождаването на лекарства вискозитетът може да се използва за контролиране на скоростта на освобождаване. Определянето на линейната вискоеластична област (Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER) чрез реологични тестове помага за оценка на структурната стабилност на материала при реална употреба (например, при многократно огъване и триене на изкуствен хрущял). Следователно реологичният модул е не само количествен показател за оценка на механичните свойства на PVA хидрогелите, но и основен критерий за определяне на тяхната пригодност за конкретни приложения и за оптимизиране на процесите на получаване.
Измервания и резултати
Приготвяне на разтвор на PVA
Конкретният метод на приготвяне е описан подробно в Приложение 421 на „ NETZSCH “. Първо, бе приготвен хомогенен разтвор на ПВА с помощта на бъркалка и чаша с диаметър 34 мм (фигура 1а). След това бе произведен обемно-пълен PVA хидрогел чрез физичен метод на замразяване и размразяване, използващ циклична последователност от нагряване и охлаждане с помощта на нашата система Kinexus (фигура 1б). Полученият обемно хидрогел беше нарязан на парчета с нож (фигура 1г). След това пробата беше поставена в реометъра (фигура 1д) с контрол на нормалната сила, за да се осигури добър контакт между пробата и измервателните елементи. След това бяха проведени съответните реологични изпитвания.
Настоящата приложна бележка не се фокусира единствено върху влиянието на съдържанието на ПВА върху структурните свойства на хидрогелите. Поради това бяха приготвени два вида хидрогели с различно съдържание на ПВА – 8 тегловни % и 15 тегловни %. Условията на замразяване и размразяване бяха идентични за двете проби, както е показано на фигура 1б. Последователността включва 5 цикъла, като всеки цикъл включва: нарастване на температурата от 10 °C до -20 °C със скорост 1 K/min; задържане за 30 минути при -20 °C; постепенно повишаване на температурата от -20 °C до 10 °C със скорост 1 K/min; и поддържане на температурата в продължение на 30 минути при 10 °C.
Механични и структурни изпитвания на PVA хидрогели
Фигура 2 показва кривите на амплитудното сканиране за PVA хидрогели с концентрации 8 тегловни % и 15 тегловни %. Резултатите от изпитванията показват, че PVA хидрогелът с 15 тегловни % проявява по-висок модул на съхранение, G', и по-широка линейна вискоеластична област (Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER). Модулът на съхранение, G', на PVA хидрогела с 15 тегловни % е значително по-висок от този на PVA хидрогела с 8 тегловни %. За приложения, свързани с поемане на натоварвания, като например изкуствен хрущял, модулът е основен показател за способността на материала да устоява на деформация. По-високата стойност на G' при 15-тегловния % PVA хидрогел показва по-висока плътност на кръстосаните връзки и по-здрава мрежова структура, което му позволява да осигури по-голяма твърдост, за да симулира механичната реакция на изкуствения хрущял при физиологични натоварвания. Следователно хидрогелът с 15 тегловни % PVA имитира механичните свойства на естествения хрущял по-точно, отколкото този с 8 тегловни % PVA, като потенциално поддържа ставната кухина и амортизира ударите по-ефективно.
Линейната вискоеластична област (Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER) на хидрогела с 15 тегловни % PVA също е по-широка от тази на хидрогела с 8 тегловни % PVA, което показва, че той може да запази мрежовата си структура без нарушаване в по-широк диапазон на срязващо напрежение и притежава по-добра структурна стабилност. Изкуственият хрущял в човешките стави трябва да издържа на дългосрочни, периодични и с амплитуда large срязващи и компресивни деформации, като тези, които се изпитват при ходене или клякане. По-широкият Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER показва, че 15-wt% PVA хидрогелът може да запази целостта на своята триизмерна мрежа при деформации от типа „ large “, което го прави по-малко податлив на пластично деформиране или разрушаване. Това гарантира дългосрочна издръжливост и безопасност на материала на импланта при сложни състояния на напрежение.
Фигура 3 показва кривите на честотното сканиране за PVA хидрогели с концентрации 8 тегловни % и 15 тегловни %. Целият диапазон на честотното сканиране представлява различни скорости на движение на човешките стави – от бавно ходене до тичане. Модулът на съхранение на PVA хидрогела с 15 тегловни % е по-висок от този на PVA хидрогела с 8 тегловни %. Това показва, че при условия на динамично натоварване PVA хидрогелът с 15 тегловни % може да осигури по-голяма твърдост, за да устои на деформация. Това означава, че както при нискочестотни статични натоварвания, така и при високочестотни ударни натоварвания, 15-тегловният % PVA може по-ефективно да поддържа теглото на тялото и да облекчава напрежението. Въпреки това фазовите ъгли на двата PVA хидрогела са по същество еднакви. Това подсказва, че макар увеличаването на концентрацията на PVA да повишава твърдостта на материала, то не засяга вискоеластичността. Това означава, че докато осигурява по-силна механична опора, 15-те тегловни процента PVA все пак могат да поддържат способност за абсорбиране на енергия и амортизиращи свойства, сходни с тези на 8-те тегловни процента PVA с по-високо водно съдържание. Тази подходяща вискоеластичност спомага за ефективното абсорбиране на енергията от ударите по време на движението на ставата и за нейната защита.
В обобщение, хидрогелът с 15 тегловни процента PVA е по-добър избор в сравнение с хидрогела с 8 тегловни процента PVA. Въпреки че хидрогелът с 8 тегловни процента PVA има по-нисък модул на еластичност, което го прави по-мек и с по-високо водно съдържание, както и с по-добра способност за пренос на материали, неговата носеща способност е недостатъчна за средата на ставите, подложени на натоварване, което го прави по-податлив на механична умора или разрушаване поради прекомерна деформация. За разлика от него, хидрогелът с 15 тегловни процента PVA може по-добре да симулира вискоеластичното механично поведение на ставния хрущял благодарение на по-плътната си мрежова структура. Той значително повишава твърдостта, без да се жертва вискоеластичността. В практическото приложение това осигурява по-добро поглъщане на енергията при удар и по-голяма устойчивост на деформация, което потенциално предпазва ставата.
Заключение
Реологията е ключов фактор за разбирането на връзката между микроструктурата на PVA-хидрогелите и техните макроскопични експлоатационни характеристики. Резултатите от тестовете с амплитудно и честотно сканиране на PVA хидрогели с различни концентрации показват, че увеличаването на концентрацията на PVA ефективно повишава плътността на кръстосаните връзки и якостта на мрежата на гела, като по този начин подобрява неговата носеща способност и структурна стабилност при външно напрежение. В същото време промяната в концентрацията не се отрази значително на вискоеластичността на материала, което му позволи да запази добрите си характеристики за поглъщане на енергия, като същевременно осигурява подобрена механична опора. Тези резултати показват, че реологичните изпитвания позволяват количествена оценка на вискоеластичните свойства на хидрогелите и също така предоставят важни насоки за оптимизиране на материала при процесите на подбор и подготовка за конкретни сценарии на приложение.