Tribologisk undersøgelse af PVA-hydrogel ved hjælp af Kinexus-reometeret

Indledning

Polyvinylalkohol (PVA)-hydrogel er et højtydende, blødt polymermateriale, der har brede anvendelsesmuligheder inden for områder som biomedicin, fleksibel elektronik og vævsingeniørvidenskab takket være dets fremragende biokompatibilitet, justerbare mekaniske egenskaber og unikke tredimensionelle netværksstruktur. Når denne type blød og glat PVA-hydrogel anvendes som et potentielt kunstigt bruskmateriale, opstår der et afgørende spørgsmål: Hvordan klarer den sig under friktion? Traditionelt findes der mange specialiserede friktionsprøvningsmaskiner på markedet til tribologiske tests. Det er dog mindre kendt, at det reometer, vi normalt bruger til at vurdere viskoelasticitet, let kan omdannes til en kraftfuld tribologisk testplatform med det tilhørende tilbehør. Denne anvendelsesvejledning vil introducere, hvordan man udfører tribologiske test af PVA-hydrogeler ved hjælp af vores Kinexus-rotationsreometer, og diskutere de unikke fordele ved denne metode.

Ved tribologiske test af PVA-hydrogeler bør kontaktgeometrien vælges således, at det reelle tribosystem gengives så nøjagtigt som muligt i modelskala. I den her beskrevne anvendelse er det reelle tribosystem i sagens natur rumligt fordelt og flerpunktsbaseret, ligesom kontakten mellem lårbenshovedet og hofteskålen i menneskelige led. Derfor er en flerpunktskontaktmodel mere passende end en enkeltpunktskontaktmodel. Til dette formål løser metoden med tre kugler og en plade (tre kugler placeret på samme skive i en ligesidet trekant, hvor hydrogelen er fastgjort på den nederste plade) effektivt dette problem. Normalkraften fordeles jævnt på de tre kugler, hvilket reducerer den lokale spændingskoncentration betydeligt. Trepunktskontakten muliggør stabil opbevaring og sikrer god kontakt. I menneskelige led er kontakten mellem lårbenshovedet og hofteskålen for eksempel i sagens natur rumligt fordelt og flerpunktsbaseret. Derfor afspejler trepunktskontakt den faktiske fysiologiske tilstand bedre end enkeltpunktskontakt.

I kombination med reometeret kan friktionskoefficienten (CoF) beregnes ved hjælp af følgende formel:

hvor τ er drejningsmomentet, R er radius for den cirkel, der defineres af de tre kuglers position, og_Fn er normalstyrken. Derefter opnår vi friktionskoefficientkurven, der almindeligvis kaldes Stribeck-kurven, når friktionskoefficienten (CoF) afbildes som en funktion af glidehastigheden (ved at variere rotationshastigheden, som repræsenterer glidehastigheden). Stribeck-kurven afslører smøreforholdene og giver os mulighed for at bestemme materialets smøremekanisme ved forskellige hastigheder og vurdere dets tilpasningsevne under reelle driftsforhold (såsom variationer i ledbevægelseshastigheden). Det er især værd at bemærke, at en sweep-test også kan udføres frem og tilbage, dvs. ved kontinuerligt at øge hastigheden fra lav til høj og derefter straks tilbage fra høj til lav. Denne fremgangsmåde kan afsløre, om materialets smøretilstand er reversibel, og om der foreligger en smørehukommelsesegenskab [1, 2], hvilket er af stor værdi for simulering af bevægelser med variabel hastighed i menneskelige led (såsom start, acceleration, deceleration og standsning).

Kinexus-rotationsreometeret gør det muligt på enkel vis at udvide til et tribologisk opsætning til et tribologisk modelsystem. Reometerets største fordel ligger i dets præcise hastigheds- og normalkraftstyring, som beskrevet i tabel 1. Typisk er lejerne i specialiserede friktionstestmaskiner altid mekaniske, mens rotationsreometeret anvender luftlejeteknologi, hvilket muliggør ekstremt lave rotationshastigheder, der giver mulighed for en mere nøjagtig simulering af friktion under statiske forhold og ved bevægelse med lav hastighed. Derudover tilbyder reometerets højpræcisionssensorer en højere drejningsmomentopløsning, hvilket betyder, at vi kan observere mere small forbigående ændringer under friktionsprocessen. Temperaturstyringen på et reometer er altid baseret på Peltier-teknologi med en temperaturnøjagtighed på ±0,01 °C, hvilket gør det muligt at simulere det fysiologiske miljø på 37 °C.

Tabel 1: Sammenligning af en specialiseret friktionstestmaskine og et reometer

Målinger og resultater

Fremstilling af en PVA-hydrogel til tribologisk test

Figur 1a viser vores tribologitestudstyr. Den øverste del består af tre rustfri stålkugler, der er anbragt i en ligesidet trekant, mens den nederste del er en plade med en fastgørelsesring. Vi skal fastgøre testprøven på den nederste plade ved hjælp af fastgørelsesringen og skruer. For PVA-hydrogel, som er en skrøbelig prøve, er denne form for fastgørelse imidlertid begrænset, og den kan forårsage betydelig deformation eller endda brud på gelen – hvilket i sidste ende påvirker testresultaterne. Derfor fremstillede vi PVA-hydrogelen direkte på den nederste plade, hvilket sikrede, at den klæbede tæt til pladen og blev integreret med den.

Reometeret blev anvendt under hele fremstillingsprocessen af PVA-hydrogelen. Den specifikke fremstillingsmetode blev beskrevet i AN 421. En homogen PVA-opløsning fremstilles ved hjælp af en øvre geometri med omrøringsblad og et 34 mm kop-system (figur 1b). Derefter blev den fremstillede PVA-opløsning hældt på den nederste plade i det tribologisæt, der er vist i figur 1a. Efterfølgende fremstilles en massiv PVA-hydrogel ved hjælp af en fysisk fryse-tø-metode, der anvender en cyklisk opvarmnings- og afkølingssekvens (figur 1c). I sidste ende dannes der en hydrogel, der er tæt bundet til og integreret med den nederste plade (figur 1d). De tribologiske forsøg kan derefter udføres på PVA-hydrogelen.

Tribologisk test af en PVA-hydrogel

Den tribologiske evaluering blev udført på vores Kinexus-rotationsreometer fra NETZSCH, der var udstyret med et tribologisæt. Der blev anvendt en metode med tre kugler og en plade, og de specifikke testbetingelser er beskrevet i tabel 2. Den normale StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning blev indstillet til 0,5 N, og glidehastigheden blev påført i en kontinuerlig rampe-tilstand, hvor vinkelhastigheden steg logaritmisk fra 0,00001 rad/s til 5 rad/s inden for en rampetid på 1 minut. Dette hastighedsområde dækkede hele spektret fra statisk til medium-hastighedsglidning. Der blev anvendt en frem-og-tilbage-sweep-tilstand (med skiftende rotationshastighed: lav → høj → lav). Der blev udført to gentagne test på den samme prøve for systematisk at evaluere testmetodens pålidelighed.

Tabel 2: Tribologiske testbetingelser for tre kugler

Figur 2 viser Stribeck-kurverne for PVA-hydrogelen. I testen blev der anvendt en frem-og-tilbage-svejsemodus, hvor der kontinuerligt accelereredes fra en ekstremt lav hastighed på ^10⁻⁷ m/s til 0,1 m/s, hvorefter der straks decelereredes tilbage fra 0,1 m/s til ^10⁻⁷ m/s. Kurverne fra to gentagne test på den samme prøve overlappede næsten fuldstændigt, hvilket indikerer fremragende repeterbarhed og prøvestabilitet.

Ifølge den konventionelle tribologiske hastighedsklassificering svarer den højeste hastighed på 0,1 m/s til ledets glidehastighed under normal menneskelig gang, i hastighedsområdet medium, og når ikke op på det egentlige højhastighedsområde (f.eks. løb eller spring, svarende til hastigheder over 0,1 til 0,3 m/s) [3]. Derfor var denne test faktisk fokuseret på lavhastigheds- og medium-hastighedsområderne, især området med ekstremt lave hastigheder som ^10⁻⁷ til ^10⁻³ m/s, hvor de tætteste datapunkter blev indsamlet. Dette område repræsenterer de kritiske fysiologiske tilstande under initiering og mikrojustering af menneskelige led og tilbyder en unik værdi for anvendelsesanalyse.

Kurverne viser en tydelig afhængighed af hastighedsstigningens retning. Den opadgående kurve fra lav til høj hastighed (blå) starter i området med ekstremt lave hastigheder med en CoF-værdi tæt på 0, og stiger derefter hurtigt med hastigheden, når et maksimum på ca. 0,4 ved ca. ^10⁻³ m/s og falder derefter til næsten 0,1, efterhånden som hastigheden fortsætter med at stige til 0,1 m/s.

Den nedadgående kurve fra høj til lav hastighed starter ved 0,1 m/s med en friktionskoefficient (CoF) på ca. 0,1. Efterhånden som hastigheden falder, viser CoF-værdien en vis stigning, når et højdepunkt på ca. 0,2 ved ca. ^10⁻³ m/s og falder derefter til ca. 0,05 ved yderligere deceleration til området med ekstremt lave hastigheder. Toppene for både den opadgående og den nedadgående kurve forekommer nær ^10⁻³ m/s, men topværdien for den fremadgående kurve er betydeligt højere end for den bagudgående kurve. Denne egenskab afslører mekanismen bag PVA-hydrogelens smøreadfærd under bevægelse med variabel hastighed. Den opadgående rampe repræsenterer starten fra en uforskyvet indledende tilstand. Efterhånden som hastigheden stiger, gennemgår hydrogeloverfladen hele processen fra fast kontakt til gradvis dannelse af et hydreret smørelag. Der findes et vindue med høje CoF-værdier ved den indledende opstart. Selvom overfladen er ekstremt glat i statisk tilstand, skal der overvindes en betydelig startmodstand, så snart bevægelsen begynder. Toppen ved ^10⁻³ m/s, efterfulgt af udsving på kurven, indikerer, at dette er det kritiske overgangspunkt fra grænsesmøring til blandet smøring, hvor smørefilmen endnu ikke er dannet effektivt, hvilket resulterer i en høj og ustabil CoF. Ud over dette kritiske hastighedspunkt etableres hydratiseringslaget gradvist, og CoF falder tilsvarende. Den bagudgående stigning repræsenterer deceleration fra en fuldt smurt tilstand. På dette tidspunkt har hydrogeloverfladen allerede været udsat for højhastighedsskjær, og hydratiseringslaget er blevet fuldt aktiveret og forbliver stabilt. Selv når hastigheden faldt, forsvandt denne smørefilm ikke med det samme, og den opretholder en ekstremt lav friktionskoefficient (CoF) på 0,05 selv i området med ekstremt lave hastigheder. Dette afslører materialets smøremindeegenskaber. Når der først har været bevægelse, og der er etableret et stabilt, hydreret smørelag, kan smøreevnen opretholdes, selv når hastigheden falder til ekstremt lave niveauer, og der er ikke behov for at danne en ny film under den kontinuerlige start- og stop-proces. Dette er særligt vigtigt for patienter med intermitterende aktiviteter, såsom skiftevis at sidde og stå.

Det er især værd at bemærke, at de omfattende data fra området med ekstremt lave hastigheder i denne test giver indsigt i vurderingen af materialets ydeevne i den tidlige postoperative rehabilitering og ved daglige intermitterende aktiviteter. Den markante forskel mellem de opadgående og nedadgående rampekurver indikerer, at smøreegenskaberne for denne PVA-hydrogel udviser en tydelig opstarts- og aktiveringsegenskab. Der er en startmodstand under den indledende igangsættelse, men når den først er aktiveret, forbedres smøreevnen markant og kan opretholdes vedvarende. Selvom denne PVA-hydrogel ikke er et implantatmateriale, giver denne egenskab klar vejledning til kliniske anvendelser. I den postoperative genoptræning kan smørelaget mellem leddene hurtigt aktiveres gennem enkle forberedende bevægelser, såsom simpel bøjning og strækning af leddene, hvilket undgår høj friktion under opstarten. Samtidig gør materialets smørememory-egenskaber det muligt at opretholde en god smøringstilstand under intermitterende aktiviteter, hvilket gavner patientens oplevelse af daglige aktiviteter og materialets levetid. Denne type test ved ekstremt lave hastigheder kan kun udføres i begrænset omfang med et konventionelt tribometer.

Konklusion

Takket være et reometers præcise styringsmuligheder og udvidelsesmuligheder kan vi på én platform foretage en omfattende karakterisering, der spænder fra den reologiske adfærd til den tribologiske ydeevne. De væsentligste fordele ved et reometer ligger i dets luftlejeteknologi og højpræcisions-momentmålesystem, som muliggør stabile målinger ved ekstremt lave hastigheder, hvilket er vanskeligt at opnå med konventionelle mekaniske friktionsprøvningsmaskiner med mekaniske lejer. I denne test simulerer PVA-hydrogelens friktionsadfærd ved ekstremt lave hastigheder præcist de kritiske fysiologiske tilstande, såsom statisk initiering og mikrojustering af menneskelige led, og dataene giver retningslinjer for evaluering af materialets ydeevne i den tidlige postoperative rehabilitering og ved intermitterende aktiviteter. Den fremadgående rampekurve afslørede et startvindue med høj friktionskoefficient (CoF), mens den bagudgående rampekurve viste PVA-hydrogelens smøremindeegenskaber. Begge er afhængige af reometerets præcise styring og dataopsamlingskapacitet ved ekstremt lave hastigheder. Ved at etablere en sammenhæng mellem testhastigheder og fysiologiske aktiviteter validerer reometeret ikke blot PVA-hydrogelers smørepotentiale som bruskerstatningsmaterialer, men giver også kvantitativ vejledning til materialoptimering og kliniske anvendelser. Reometeret åbner op for mange nye muligheder inden for tribologiske tests.