Úvod
Hydrogel z polyvinylalkoholu (PVA) je vysoce výkonný měkký polymerní materiál, který díky své vynikající biokompatibilitě, nastavitelným mechanickým vlastnostem a jedinečné trojrozměrné síťové struktuře nabízí široké možnosti využití v oblastech, jako je biomedicína, flexibilní elektronika a tkáňové inženýrství. Při použití tohoto měkkého a kluzkého PVA hydrogelu jako potenciální umělé chrupavky vyvstává zásadní otázka: Jak se chová při tření? Na trhu existuje mnoho specializovaných zařízení pro tribologické zkoušky. Méně známé však je, že reometr, který obvykle používáme k hodnocení viskoelasticity, lze s příslušným příslušenstvím snadno přeměnit na výkonnou tribologickou testovací platformu. Tato aplikační poznámka představí, jak provádět tribologické testování PVA hydrogelů pomocí našeho rotačního reometru Kinexus, a pohovoří o jedinečných výhodách této metody.
Při tribologickém testování PVA hydrogelů by měla být geometrie kontaktu zvolena tak, aby byl skutečný tribosystém v modelovém měřítku co nejpřesněji znázorněn. Pro zde popsanou aplikaci je skutečný tribosystém ze své podstaty prostorově rozložený a vícebodový, podobně jako kontakt mezi hlavicí stehenní kosti a acetabulem v lidských kloubech. Proto je vhodnější model vícebodového kontaktu než model jednobodového kontaktu. K tomuto účelu účinně řeší tento problém metoda tří kuliček a desky (tři kuličky umístěné na stejném disku v uspořádání rovnostranného trojúhelníku, přičemž hydrogel je upevněn na spodní desce). Normálová síla je rovnoměrně rozložena na tři kuličky, což výrazně snižuje lokální koncentraci napětí. Tříbodový kontakt umožňuje stabilní uložení a zajišťuje dobrý kontakt. Například v lidských kloubech je kontakt mezi hlavicí stehenní kosti a acetabulem ze své podstaty prostorově rozložený a vícebodový. Tříbodový kontakt se proto více přibližuje skutečnému fyziologickému stavu než jednobodový kontakt.
V kombinaci s reometrem lze koeficient tření (CoF) vypočítat pomocí následujícího vzorce:
kde τ je točivý moment, R je poloměr kruhu vymezeného polohou tří kuliček aFn je normálová síla. Poté získáme křivku koeficientu tření, která je obecně známá jako Stribeckova křivka, když je koeficient tření (CoF) vynesen jako funkce rychlosti klouzání (změnou rychlosti otáčení, která představuje rychlost klouzání). Stribeckova křivka odhaluje režim mazání a umožňuje nám určit mechanismus mazání materiálu při různých rychlostech a vyhodnotit jeho přizpůsobivost v reálných provozních podmínkách (jako jsou například změny rychlosti pohybu kloubu). Je třeba poznamenat, že test s proměnnou rychlostí lze provádět i způsobem „tam a zpět“, tj. plynulým zvyšováním rychlosti z nízké na vysokou a následným okamžitým návratem z vysoké na nízkou. Tento přístup může odhalit, zda je mazací stav materiálu reverzibilní a zda existuje charakteristika mazací paměti [1, 2], což má velký význam pro simulaci pohybu lidských kloubů s proměnnou rychlostí (jako je rozběh, zrychlování, zpomalování a zastavení).
Rotační reometr Kinexus umožňuje snadné rozšíření na tribologické uspořádání pro modelový tribologický systém. Hlavní výhoda reometru spočívá v přesném řízení rychlosti a normálové síly, jak je podrobně uvedeno v tabulce 1. Zatímco ložiska specializovaných strojů pro zkoušení tření jsou obvykle mechanická, rotační reometr využívá technologii vzduchových ložisek, což umožňuje extrémně nízké otáčky a tím i přesnější simulaci tření za statických podmínek a při pohybu s nízkou rychlostí. Kromě toho vysoce přesné snímače reometru nabízejí vyšší rozlišení točivého momentu, což znamená, že můžeme během procesu tření pozorovat více small přechodných změn. Regulace teploty používaná na reometru je vždy založena na Peltierově technologii s přesností ±0,01 °C, což umožňuje simulovat fyziologické prostředí o teplotě 37 °C.
Tabulka 1: Srovnání specializovaného zařízení pro zkoušky tření a reometru
| Parametr | Příklad komerčního specializovaného zařízení pro zkoušky tření | NETZSCH Rotační reometr Kinexus |
|---|---|---|
| Přesnost měření normálové síly | ±0,1 N | ±0,01 N |
| Rozlišení točivého momentu | 0,1 mNm (100 000 nNm) | 0,1 nMm |
| Rozsah otáček | 0,1 – 2 000 ot./min | 10⁻⁷ – 4 700 ot./min |
| Rychlost přenosu dat | 10 – 100 Hz | 5 000 Hz |
| Přesnost měření teploty | ±0,5 °C | ±0,1 °C |
Měření a výsledky
Příprava PVA hydrogelu pro tribologické zkoušky
Obrázek 1a znázorňuje naše příslušenství pro tribologické zkoušky. Horní část sestává ze tří nerezových kuliček uspořádaných do rovnostranného trojúhelníku, zatímco spodní část tvoří deska s upevňovacím kroužkem. Zkušební vzorek je třeba na spodní desce upevnit pomocí upevňovacího kroužku a šroubů. U PVA hydrogelu, který je křehkým vzorkem, je však tato fixace omezená a může způsobit významnou deformaci nebo dokonce prasknutí gelu, což v konečném důsledku ovlivní výsledky zkoušky. Proto jsme PVA hydrogel připravili přímo na spodní desce, čímž jsme zajistili, že k desce pevně přilne a stane se její součástí.
Pro celý proces přípravy PVA hydrogelu byl použit reometr. Konkrétní způsob přípravy byl popsán v AN 421. Homogenní roztok PVA se připravuje pomocí horní geometrie s míchacím lopatkovým míchadlem a 34mm kelímkového systému (obrázek 1b). Poté byl připravený roztok PVA nalit na spodní desku tribologické soupravy znázorněné na obrázku 1a. Následně se vyrobí objemový PVA hydrogel pomocí fyzikální metody zmrazování a rozmrazování s využitím cyklické sekvence ohřevu a ochlazování (obrázek 1c). Nakonec vznikne hydrogel, který je pevně spojen a integrován se spodní deskou (obrázek 1d). Na tomto PVA hydrogelu lze poté provádět tribologické zkoušky.
Tribologické zkoušky hydrogelu z PVA
Tribologické hodnocení bylo provedeno na našem rotačním reometru Kinexus od společnosti NETZSCH, vybaveném tribologickou soupravou. Byla použita metoda tří kuliček a desky, přičemž konkrétní zkušební podmínky jsou podrobně uvedeny v tabulce 2. Normálové zatížení bylo nastaveno na 0,5 N a rychlost klouzání byla aplikována v režimu plynulého náběhu, přičemž úhlová rychlost se logaritmicky zvyšovala z 0,00001 rad/s na 5 rad/s během doby náběhu 1 minuty. Tento rozsah rychlostí pokrýval celé spektrum od statického po medium-speed kluzný pohyb. Byl použit režim tam a zpět (s měnící se rychlostí otáčení: nízká → vysoká → nízká). Na stejném vzorku byly provedeny dvě opakované zkoušky, aby se systematicky vyhodnotila spolehlivost zkušební metody.
Tabulka 2: Podmínky tribologického testu se třemi kuličkami
| Zkušební metoda | rSolution_0032 Hodnocení mazacích vlastností a koeficientu tření pomocí tribologie pro uspořádání se 3 kuličkami |
|---|---|
| Geometrie | Tři kuličky (z nerezové oceli) na deskové tribologické komoře KNX2282 |
| Teplota | 25 °C |
| Normálová síla | 0,5 N |
| Rozsah rychlosti | 0,00001–5 rad/s |
| Doba náběhu rychlosti | 1 min |
Obrázek 2 znázorňuje Stribeckovy křivky PVA hydrogelu. Při zkoušce byl použit režim tam a zpět, při kterém se rychlost plynule zvyšovala z extrémně nízké hodnoty 10⁻⁷ m/s na 0,1 m/s a poté se okamžitě snižovala zpět z 0,1 m/s na 10⁻⁷ m/s. Křivky ze dvou opakovaných testů na stejném vzorku se téměř zcela překrývaly, což svědčí o vynikající opakovatelnosti a stabilitě vzorku.
Podle konvenční tribologické klasifikace rychlostí odpovídá nejvyšší rychlost 0,1 m/s rychlosti klouzání kloubu při normální chůzi člověka, která se pohybuje v rozmezí medium, a nedosahuje skutečného rozsahu vysokých rychlostí (např. běh nebo skok, odpovídající rychlostem nad 0,1 až 0,3 m/s) [3]. Tento test se proto ve skutečnosti zaměřil na oblasti nízkých a medium rychlostí, zejména na oblast extrémně nízkých rychlostí, jako je 10⁻⁷ až 10⁻³ m/s, kde bylo shromážděno nejvíce datových bodů. Tato oblast představuje kritické fyziologické stavy během iniciace a mikroúprav lidských kloubů a nabízí jedinečnou hodnotu pro analýzu aplikací.
Křivky vykazují zřetelnou závislost na směru nárůstu rychlosti. Vzestupná křivka od nízké k vysoké rychlosti (modrá) začíná v oblasti extrémně nízkých rychlostí s hodnotou koeficientu tření (CoF) blížící se nule, a poté s rychlostí rychle stoupá, dosahuje vrcholu kolem 0,4 při přibližně 10⁻³ m/s a následně klesá téměř na 0,1, jak rychlost dále stoupá až na 0,1 m/s.
Křivka klesající od vysoké k nízké rychlosti začíná při 0,1 m/s s koeficientem tření (CoF) přibližně 0,1. Jak rychlost klesá, hodnota koeficientu tření vykazuje určitý nárůst, dosahuje maxima přibližně 0,2 při rychlosti asi 10⁻³ m/s a poté klesá na přibližně 0,05 při dalším zpomalování do oblasti extrémně nízkých rychlostí. Vrcholy jak vzestupné, tak sestupné křivky se objevují v blízkosti 10⁻³ m/s, avšak vrcholová hodnota křivky vpřed je výrazně vyšší než u křivky vzad. Tato charakteristika odhaluje mechanismus mazacího chování PVA hydrogelu během pohybu s proměnnou rychlostí. Vzestupná rampa představuje zahájení z počátečního stavu bez smyku. S rostoucí rychlostí prochází povrch hydrogelu kompletním procesem od pevného kontaktu až po postupné vytvoření hydratované mazací vrstvy. Při počátečním rozběhu se vyskytuje interval s vysokou hodnotou koeficientu tření (CoF). Ačkoli je povrch ve statickém stavu extrémně hladký, jakmile se pohyb zahájí, je nutné překonat značný počáteční odpor. Vrchol při 10⁻³ m/s, po kterém následují výkyvy na křivce, naznačuje, že se jedná o kritický přechodový bod z mezního mazání ke smíšenému mazání, kde se mazací film ještě účinně nevytvořil, což vede k vysoké a nestabilní hodnotě koeficientu tření (CoF). Za tímto kritickým bodem rychlosti se hydratační vrstva postupně vytváří a koeficient tření (CoF) odpovídajícím způsobem klesá. Zpětná rampa představuje zpomalení z plně mazaného stavu. V tomto bodě již povrch hydrogelu prošel vysokorychlostním smykem a hydratační vrstva byla plně aktivována a zůstává stabilní. I při snížení rychlosti tento mazací film nezmizí okamžitě a udržuje extrémně nízký koeficient tření (CoF) 0,05 i v oblasti extrémně nízkých rychlostí. To odhaluje vlastnosti mazací paměti tohoto materiálu. Jakmile dojde k pohybu a vytvoří se stabilní hydratovaná mazací vrstva, lze mazací vlastnosti udržet i při poklesu rychlosti na extrémně nízké hodnoty a během nepřetržitého cyklu spouštění a zastavování není nutné vytvářet nový film. To je obzvláště důležité pro pacienty s přerušovanými aktivitami, jako je střídání sezení a stání.
Je třeba zdůraznit, že rozsáhlá data získaná v oblasti extrémně nízkých rychlostí v rámci tohoto testu poskytují podklady pro hodnocení výkonu materiálu v rané pooperační rehabilitaci a při každodenních přerušovaných činnostech. Výrazný rozdíl mezi křivkami nárůstu a poklesu naznačuje, že mazací vlastnosti tohoto PVA hydrogelu vykazují zřetelnou charakteristiku rozběhu a aktivace. Při počátečním spuštění se vyskytuje počáteční odpor, ale jakmile dojde k aktivaci, mazací vlastnosti se výrazně zlepšují a lze je trvale udržovat. Ačkoli tento PVA hydrogel není implantátovým materiálem, tato charakteristika poskytuje jasné vodítko pro klinické aplikace. V rámci pooperační rehabilitace lze mazací vrstvu mezi klouby rychle aktivovat jednoduchými přípravnými cviky, jako je například jednoduché ohýbání a natahování kloubů, čímž se zabrání vysokému tření při zahájení pohybu. Zároveň vlastnosti „mazací paměti“ materiálu umožňují udržovat dobrý mazací stav i při přerušované činnosti, což přispívá k lepšímu prožívání každodenních činností pacientem a prodlužuje životnost materiálu. Tento druh zkoušek při extrémně nízkých rychlostech lze provádět pouze s omezením pomocí konvenčního tribometru.
Závěr
Díky přesným možnostem řízení a rozšiřovatelnosti reometru můžeme na jedné platformě provést komplexní charakterizaci, od reologického chování až po tribologické vlastnosti. Hlavní výhody reometru spočívají v technologii vzduchových ložisek a vysoce přesném systému snímání točivého momentu, které umožňují stabilní měření při extrémně nízkých rychlostech, čehož je obtížné dosáhnout u konvenčních mechanických zkušebních strojů s třecími ložisky. V tomto testu tření PVA hydrogelu v režimu extrémně nízkých otáček přesně simuluje kritické fyziologické stavy, jako je statické zahájení pohybu a mikroúpravy lidských kloubů, a získaná data poskytují vodítko pro hodnocení vlastností materiálu v rané pooperační rehabilitaci a při přerušovaných činnostech. Křivka při zrychlování vpřed odhalila okno s vysokým koeficientem tření (CoF) při rozběhu, zatímco křivka při zrychlování vzad ukázala charakteristiky mazací paměti PVA hydrogelu. Obě se opírají o přesné řídicí a sběrné schopnosti reometru při extrémně nízkých rychlostech. Stanovení vztahu mezi zkušebními rychlostmi a fyziologickými aktivitami umožňuje reometru nejen ověřit mazací potenciál PVA hydrogelů jako náhradních materiálů chrupavky, ale také poskytnout kvantitativní vodítko pro optimalizaci materiálu a klinické aplikace. Reometr tak otevírá mnoho nových možností pro tribologické zkoušky.