Въведение
Хидрогелът от поливинилов алкохол (PVA), като високопроизводителен мек полимерен материал, предлага широки перспективи за приложение в области като биомедицината, гъвкавата електроника и тъканното инженерство, благодарение на своята отлична биосъвместимост, регулируеми механични свойства и уникална триизмерна мрежова структура. Когато този вид мек и хлъзгав PVA хидрогел се използва като потенциален изкуствен хрущял, възниква един критичен въпрос: Как се държи той при триене? Традиционно на пазара се предлагат много специализирани машини за изпитване на триене, предназначени за трибологични тестове. По-малко известно е обаче, че реометърът, който обикновено използваме за оценка на вискоеластичността, може лесно да се превърне в мощна платформа за трибологични изпитвания със съответния аксесоар. Настоящата бележка за приложение ще представи как да се провеждат трибологични изпитвания на PVA хидрогели с помощта на нашия ротационен реометър Kinexus и ще обсъди уникалните предимства на този метод.
При трибологичните изпитвания на PVA хидрогели геометрията на контакта трябва да бъде избрана така, че реалната трибосистема да бъде представена възможно най-точно в мащаб на модела. За описаното тук приложение реалната трибосистема по своята същност е пространствено разпределена и многоточкова, подобно на контакта между фемурната глава и ацетабулума в човешките стави. Следователно многоточковият модел на контакт е по-подходящ от едноточковия. За тази цел методът с три топки и плоча (три топки, разположени върху един и същ диск в форма на равностранен триъгълник, като хидрогелът е фиксиран върху долната плоча) ефективно избягва този проблем. Нормалната сила се разпределя равномерно върху трите топки, което значително намалява локалната концентрация на напрежението. Триточковият контакт позволява стабилно поддържане и осигурява добър контакт. Например, в човешките стави контактът между фемурната глава и ацетабулума по своята същност е пространствено разпределен и многоточен. Следователно триточковият контакт се доближава повече до действителното физиологично състояние, отколкото едноточковият контакт.
В комбинация с реометъра коефициентът на триене (CoF) може да се изчисли по следната формула:
където τ е въртящият момент, R е радиусът на кръга, определен от положението на трите топки, аFn е нормалната сила. След това получаваме кривата на коефициента на триене, която е широко известна като кривата на Стрибек, когато коефициентът на триене (CoF) се нанася като функция на скоростта на плъзгане (чрез промяна на скоростта на въртене, която представлява скоростта на плъзгане). Кривата на Стрибек разкрива режима на смазване и ни позволява да определим механизма на смазване на материала при различни скорости и да оценим неговата адаптивност при реални експлоатационни условия (като например промени в скоростта на движение на съединението). Забележително е, че тестът с промяна на скоростта може да се извърши и по начин „напред-назад“, т.е. чрез непрекъснато увеличаване на скоростта от ниска към висока и след това незабавно обратно от висока към ниска. Този подход може да разкрие дали състоянието на смазване на материала е обратимо и дали съществува характеристика на „памет на смазването“ [1, 2], което е от голяма полза за симулиране на движението с променлива скорост на човешките стави (като стартиране, ускоряване, забавяне и спиране).
Ротационният реометър Kinexus позволява лесно разширяване до трибологична конфигурация за трибологична моделна система. Основното предимство на реометъра се състои в прецизния контрол на скоростта и нормалната сила, както е подробно описано в Таблица 1. Обикновено лагерите на специализираните машини за изпитване на триене са винаги механични, докато ротационният реометър използва технология с въздушни лагери, което позволява изключително ниски скорости на въртене, благодарение на които се постига по-точно симулиране на триенето при статични условия и при движение с ниска скорост. Освен това високопрецизните сензори на реометъра предлагат по-висока резолюция на въртящия момент, което означава, че можем да наблюдаваме повече small преходни промени по време на процеса на триене. Контролът на температурата, използван в реометъра, винаги се осъществява чрез технологията „Пелтие“ с точност на температурата от ±0,01 °C, което позволява симулиране на физиологична среда от 37 °C.
Таблица 1: Сравнение между специализирана машина за изпитване на триене и реометър
| Параметър | Пример за търговска специализирана машина за изпитване на триене | NETZSCH Ротационен реометър Kinexus |
|---|---|---|
| Точност на нормалната сила | ±0,1 N | ±0,01 N |
| Разделителна способност на въртящия момент | 0,1 mNm (100 000 nNm) | 0,1 nMm |
| Диапазон на скоростта | 0,1 – 2000 об./мин | 10⁻⁷ – 4700 об./мин |
| Скорост на предаване на данни | 10 – 100 Hz | 5000 Hz |
| Точност на измерване на температурата | ±0,5 °C | ±0,1 °C |
Измервания и резултати
Приготвяне на PVA хидрогел, използван за трибологично изпитване
Фигура 1а показва нашето приспособление за трибологични изпитвания. Горната част се състои от три топки от неръждаема стомана, разположени в равностранен триъгълник, докато долната част представлява плоча с фиксиращ пръстен. Трябва да закрепим изпитваната проба върху долната плоча с помощта на фиксиращия пръстен и винтове. При PVA хидрогела обаче, който е крехка проба, този начин на фиксиране е ограничен и може да доведе до значителна деформация или дори разкъсване на гела, което в крайна сметка се отразява на резултатите от изпитването. Затова подготвихме PVA хидрогела директно върху долната пластина, като се уверихме, че той се прилепва плътно към нея и се интегрира с нея.
Реометърът беше използван през целия процес на подготовка на PVA хидрогела. Конкретният метод на подготовка е описан в AN 421. Хомогенен PVA разтвор се приготвя с помощта на горна геометрия с бъркалка и система от чаши с диаметър 34 mm (фигура 1б). След това приготвеният разтвор на ПВА се излива върху долната пластина на трибологичния комплект, показан на фигура 1а. Впоследствие се получава обемно ПВА-хидрогел чрез физичен метод на замразяване и размразяване, при който се използва циклична последователност от нагряване и охлаждане (фигура 1в). В крайна сметка се образува хидрогел, който е плътно свързан и интегриран с долната плоча (фигура 1г). След това могат да се проведат трибологичните изпитвания върху PVA хидрогела.
Трибологично изпитване на PVA хидрогел
Трибологичната оценка беше проведена на нашия ротационен реометър Kinexus от серията „ NETZSCH “, оборудван с трибологичен комплект. Беше използван методът с три топки и плоча, като конкретните условия на изпитването са подробно описани в Таблица 2. Нормалното натоварване беше зададено на 0,5 N, а скоростта на плъзгане се прилагаше в режим на непрекъснато нарастване, като ъгловата скорост нарастваше логаритмично от 0,00001 rad/s до 5 rad/s в рамките на 1 минута. Този диапазон на скоростта обхващаше целия спектър от статично до движение с скорост от типа „ medium “. Беше приет режим на движение напред-назад (с променяща се скорост на въртене: ниска → висока → ниска). Бяха проведени две повтарящи се изпитвания върху една и съща проба, за да се оцени систематично надеждността на метода за изпитване.
Таблица 2: Условия за трибологично изпитване с три топки
| Метод на изпитване | rSolution_0032 Оценка на смазващите свойства и коефициента на триене чрез трибология за конфигурации с 3 топки |
|---|---|
| Геометрия | Три топки (от неръждаема стомана) върху трибологична клетка с плоча KNX2282 |
| Температура | 25 °C |
| Нормална сила | 0,5 N |
| Диапазон на скоростта | 0,00001~5 рад/с |
| Време за нарастване на скоростта | 1 min |
Фигура 2 показва кривите на Стрибек за PVA хидрогела. При изпитването е използван режим на движение напред-назад, при който скоростта непрекъснато се ускорява от изключително ниска скорост от 10⁻⁷ m/s до 0,1 m/s, след което незабавно се забавя обратно от 0,1 m/s до 10⁻⁷ m/s. Кривите от двете повторени изпитвания на една и съща проба почти напълно се припокриваха, което показва отлична повторяемост и стабилност на пробата.
Съгласно конвенционалната трибологична класификация на скоростите, най-високата скорост от 0,1 м/с съответства на скоростта на плъзгане на ставите при нормално ходене на човека, която попада в диапазона medium, и не достига истинския диапазон на високите скорости (например тичане или скачане, съответстващи на скорости над 0,1 до 0,3 м/с) [3]. Следователно този тест всъщност беше фокусиран върху областите с ниска скорост и medium-скорост, по-специално областта с изключително ниска скорост като 10⁻⁷ до 10⁻³ м/с, където бяха събрани най-гъсто разположените точки на данните. Тази област представлява критичните физиологични състояния по време на задействането и микрорегулирането на човешките стави, предлагайки уникална стойност за анализ на приложението.
Кривите показват ясна зависимост от посоката на нарастване на скоростта. Възходящата крива от ниска към висока скорост (синя) започва в диапазона на изключително ниските скорости със стойност на коефициента на триене (CoF) близка до 0, след което бързо нараства с увеличаване на скоростта, достига пик от около 0,4 при приблизително 10⁻³ м/с и след това намалява до почти 0,1, докато скоростта продължава да се увеличава до 0,1 м/с.
Низходящата крива от висока към ниска скорост започва при 0,1 м/с с коефициент на триене (CoF) от около 0,1. С намаляването на скоростта стойността на коефициента на триене (CoF) показва известно увеличение, достига пик от около 0,2 при приблизително 10⁻³ м/с, след което спада до около 0,05 при по-нататъшно забавяне до областта на изключително ниските скорости. Върховете както на възходящата, така и на низходящата крива се появяват около 10⁻³ м/с, но пиковата стойност на кривата при движение напред е значително по-висока от тази на кривата при движение назад. Тази характеристика разкрива механизма на смазващото поведение на PVA хидрогела при движение с променлива скорост. Възходящата крива представлява началото от първоначално състояние без срязване. С увеличаването на скоростта повърхността на хидрогела преминава през целия процес от твърд контакт до постепенното образуване на хидратиран смазващ слой. При първоначалното стартиране се наблюдава диапазон с високи стойности на коефициента на триене (CoF). Въпреки че повърхността е изключително гладка в статично състояние, при започването на движението трябва да се преодолее значително начално съпротивление. Върхът при 10⁻³ m/s, последван от колебания по кривата, показва, че това е критичната точка на преход от гранично смазване към смесено смазване, където смазващият филм все още не е образуван ефективно, което води до висок и нестабилен коефициент на триене (CoF). Отвъд тази критична точка на скоростта хидратиращият слой постепенно се образува и коефициентът на триене (CoF) съответно намалява. Наклонът назад представлява забавяне от състояние на пълно смазване. В този момент повърхността на хидрогела вече е претърпяла високоскоростно срязване, а хидратиращият слой е напълно активиран и остава стабилен. Дори когато скоростта намалее, този смазочен филм не изчезва веднага и поддържа изключително нисък коефициент на триене (CoF) от 0,05 дори в диапазона на изключително ниските скорости. Това разкрива характеристиките на „смазочната памет“ на материала. След като е настъпило движение и е образуван стабилен хидратиран смазващ слой, смазващите свойства могат да се поддържат дори когато скоростта спадне до изключително ниски нива, като не е необходимо повторно образуване на филм по време на непрекъснатия процес на стартиране и спиране. Това е особено важно за пациенти с периодични дейности, като например редуване на седене и стоене.
Забележително е, че богатите данни в диапазона на изключително ниските скорости от този тест предоставят информация за оценка на характеристиките на материала при ранната следоперативна рехабилитация и ежедневните периодични дейности. Значителната разлика между кривите на нарастване и спадане показва, че смазващите характеристики на този PVA хидрогел проявяват отчетлива характеристика на стартиране и активиране. Налице е начално съпротивление при първоначалното задействане, но след като се активира, смазващите свойства се подобряват значително и могат да се поддържат трайно. Въпреки че този PVA хидрогел не е материал за импланти, тази характеристика предоставя ясни насоки за клинични приложения. При следоперативната рехабилитация смазващият слой между ставите може бързо да се активира чрез прости предварителни движения, като например сгъване и разгъване на ставите, което позволява да се избегне високото триене при стартиране. В същото време характеристиките на „смазочната памет“ на материала позволяват поддържането на добро състояние на смазване по време на периодични дейности, което подобрява ежедневните дейности на пациента и удължава експлоатационния срок на материала. Този вид изпитване при изключително ниска скорост може да бъде ограничено при използването на конвенционален трибометър.
Заключение
Благодарение на възможностите за прецизен контрол и разширяване на реометъра можем да постигнем цялостно охарактеризиране – от реологичното поведение до трибологичните характеристики – на една платформа. Основните предимства на реометъра се крият в технологията му с въздушни лагери и високопрецизната система за измерване на въртящия момент, които позволяват стабилни измервания при изключително ниски скорости – нещо, което е трудно да се постигне с конвенционалните машини за изпитване на триене с механични лагери. В този тест триенето на PVA хидрогела при изключително ниски скорости точно симулира критични физиологични състояния, като статичното задействане и микрорегулирането на човешките стави, а данните служат като ориентир за оценка на характеристиките на материала при ранната следоперативна рехабилитация и периодичните дейности. Кривата на нарастване при движение напред разкри прозорец с висок коефициент на триене (CoF) при стартиране, а кривата на нарастване при движение назад показа характеристики на „памет на смазването“ на PVA хидрогела. И двете се основават на прецизния контрол и възможностите за събиране на данни на реометъра при изключително ниски скорости. Чрез установяване на връзка между скоростите на изпитване и физиологичните дейности реометърът не само потвърждава смазочния потенциал на PVA хидрогелите като материали за заместване на хрущяла, но и предоставя количествени насоки за оптимизиране на материала и клинични приложения. Реометърът разкрива много нови възможности за трибологични изпитвания.