PVA-hydrogeelin tribologinen tutkimus Kinexus-reometrin avulla

Johdanto

Polyvinyylialkoholi (PVA) -hydrogeeli on korkean suorituskyvyn omaava pehmeä polymeerimateriaali, jolla on laajat sovellusmahdollisuudet esimerkiksi biolääketieteen, joustavan elektroniikan ja kudostekniikan aloilla sen erinomaisen biologisen yhteensopivuuden, säädettävien mekaanisten ominaisuuksien ja ainutlaatuisen kolmiulotteisen verkostorakenteen ansiosta. Kun tällaista pehmeää ja liukasta PVA-hydrogeeliä käytetään potentiaalisena keinotekoisena rustokudoksena, nousee esiin kriittinen kysymys: miten se käyttäytyy kitkan alaisena? Perinteisesti markkinoilla on ollut monia erikoistuneita kitkatestauslaitteita tribologisten testien suorittamiseen. On kuitenkin vähemmän tunnettua, että reometri, jota yleensä käytämme viskoelastisuuden arviointiin, voidaan helposti muuntaa tehokkaaksi tribologiseksi testausalustaksi asianmukaisella lisälaitteella. Tässä sovellusohjeessa esitellään, kuinka PVA-hydrogeelien tribologiset testit suoritetaan Kinexus-kiertoreometrillämme, ja käsitellään tämän menetelmän ainutlaatuisia etuja.

PVA-hydrogeelien tribologisissa testeissä kosketusgeometria tulisi valita siten, että todellinen tribojärjestelmä kuvataan mahdollisimman tarkasti malliasteikolla. Tässä kuvatussa sovelluksessa todellinen tribojärjestelmä on luonteeltaan tilallisesti jakautunut ja monipisteinen, kuten ihmisen nivelissä reisiluun pään ja lonkkamaljan välinen kosketus. Siksi monipisteinen kosketusmalli on yksipisteistä mallia sopivampi. Tätä tarkoitusta varten kolmen pallon ja levyn menetelmä (kolme palloa sijoitettuna samalle levylle tasasivuisen kolmion muotoon, hydrogeeli kiinnitettynä alempaan levyyn) ratkaisee tämän ongelman tehokkaasti. Normaalivoima jakautuu tasaisesti kolmen pallon kesken, mikä vähentää merkittävästi jännityksen paikallista keskittymistä. Kolmipistekosketus mahdollistaa vakaan asennon ja takaa hyvän kosketuksen. Esimerkiksi ihmisen nivelissä reisiluun pään ja lonkkamaljan välinen kosketus on luonteeltaan tilallisesti hajautunut ja monipisteinen. Siksi kolmipistekosketus vastaa paremmin todellista fysiologista tilaa kuin yksipistekosketus.

Yhdessä reometrin kanssa kitkakerroin (CoF) voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

jossa τ on vääntömomentti, R on kolmen pallon sijainnin määrittämän ympyrän säde ja_Fn on normaalivoima. Tällöin saadaan kitkakerroinkäyrä, joka tunnetaan yleisesti Stribeck-käyränä, kun kitkakerroin (CoF) piirretään liukunopeuden funktiona (muuttamalla pyörimisnopeutta, joka edustaa liukunopeutta). Stribeck-käyrä paljastaa voitelutilanteen ja antaa meille mahdollisuuden määrittää materiaalin voitelumekanismin eri nopeuksilla sekä arvioida sen sopeutumiskykyä todellisissa käyttöolosuhteissa (kuten liitoksen liikkeenopeuden vaihteluissa). Erityisesti on huomattava, että pyyhkäisytesti voidaan suorittaa myös edestakaisin, eli lisäämällä nopeutta jatkuvasti matalasta korkeaan ja palauttamalla se välittömästi korkeasta matalaan. Tämä lähestymistapa voi paljastaa, onko materiaalin voitelutila palautuva ja onko olemassa voitelumuistia [1, 2], mikä on erittäin arvokasta ihmisen nivelten vaihtelevanopeuksisen liikkeen (kuten käynnistymisen, kiihdytyksen, hidastumisen ja pysähtymisen) simuloinnissa.

Kinexus-kiertoreometri mahdollistaa helpon laajennuksen tribologiseksi kokoonpanoksi tribologiselle mallijärjestelmälle. Reometrin keskeinen etu on sen tarkka nopeuden ja normaalivoiman säätö, kuten taulukossa 1 on esitetty. Tyypillisesti erikoistuneiden kitkatestauslaitteiden laakerit ovat aina mekaanisia, kun taas pyörivä reometri hyödyntää ilmatukitekniikkaa, mikä mahdollistaa erittäin alhaiset pyörimisnopeudet ja siten tarkemman kitkan simuloinnin staattisissa ja hitaissa liikeolosuhteissa. Lisäksi reometrin erittäin tarkat anturit tarjoavat paremman vääntömomentin erottelukyvyn, minkä ansiosta voimme havaita entistä small väliaikaisia muutoksia kitkaprosessin aikana. Reometrin lämpötilansäätö perustuu aina Peltier-tekniikkaan, jonka lämpötilatarkkuus on ±0,01 °C, mikä mahdollistaa 37 °C:n fysiologisen ympäristön simuloinnin.

Taulukko 1: Erikoistuneen kitkatestauslaitteen ja reometrin vertailu

Mittaukset ja tulokset

Tribologiatestissä käytettävän PVA-hydrogeelin valmistus

Kuvassa 1a on esitetty tribologiatestaukseen käyttämämme lisälaite. Yläosa koostuu kolmesta ruostumattomasta teräspallosta, jotka on järjestetty tasasivuiseksi kolmioksi, kun taas alaosa on levy, jossa on kiinnitysrengas. Testinäyte on kiinnitettävä alalevyyn kiinnitysrenkaan ja ruuvien avulla. PVA-hydrogeelin kaltaisen herkän näytteen kohdalla tällainen kiinnitys on kuitenkin rajoitettua, ja se voi aiheuttaa geelissä merkittävää muodonmuutosta tai jopa repeytymistä – mikä lopulta vaikuttaa testituloksiin. Siksi valmistimme PVA-hydrogeelin suoraan alemmalle levylle varmistaen, että se tarttuu tiukasti levyyn ja sulautuu siihen.

Reometriä käytettiin PVA-hydrogeelin koko valmistusprosessin ajan. Tarkka valmistusmenetelmä on esitetty julkaisussa AN 421. Homogeeninen PVA-liuos valmistetaan käyttämällä sekoituslevyä ylägeometriana ja 34 mm:n kuppijärjestelmää (kuva 1b). Tämän jälkeen valmistettu PVA-liuos kaadettiin kuvassa 1a esitetyn tribologiasarjan alalevylle. Sen jälkeen valmistettiin PVA-hydrogeeli massana käyttämällä fysikaalista jäädytys-sulatusmenetelmää, jossa hyödynnettiin syklistä lämmitys- ja jäähdytysjaksoa (kuva 1c). Lopulta muodostuu hydrogeeli, joka on tiiviisti kiinnittynyt ja integroitunut alalevyyn (kuva 1d). Tämän jälkeen tribologiset testit voidaan suorittaa PVA-hydrogeelillä.

PVA-hydrogeelin tribologinen testaus

Tribologinen arviointi suoritettiin NETZSCH Kinexus-kiertoreometrillä, joka oli varustettu tribologiasarjalla. Käytettiin kolmen pallon ja levyn menetelmää, ja testausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 2. Normaalikuormitus asetettiin arvoon 0,5 N, ja liukunopeutta säädettiin jatkuvassa nousutilassa siten, että kulmanopeus kasvoi logaritmisesti arvosta 0,00001 rad/s arvoon 5 rad/s yhden minuutin nousuajan kuluessa. Tämä nopeusalue kattoi koko spektrin staattisesta liukumisesta ” medium ” -nopeuteen. Testissä käytettiin edestakaista pyyhkäisymenetelmää (vaihtelevalla pyörimisnopeudella: matala → korkea → matala). Samalle näytteelle suoritettiin kaksi toistettua testiä testausmenetelmän luotettavuuden järjestelmälliseksi arvioimiseksi.

Taulukko 2: Kolmen pallon tribologian testausolosuhteet

Kuvassa 2 esitetään PVA-hydrogeelin Stribeck-käyrät. Testissä käytettiin edestakaisin-pyyhkäisy-tilaa, jossa nopeutta kiihdytettiin jatkuvasti erittäin matalasta nopeudesta ^10⁻⁷ m/s nopeuteen 0,1 m/s ja hidastettiin sitten välittömästi takaisin nopeudesta 0,1 m/s nopeuteen ^10⁻⁷ m/s. Saman näytteen kahdesta toistettavasta testistä saadut käyrät olivat lähes täysin päällekkäiset, mikä osoittaa erinomaista toistettavuutta ja näytteen vakautta.

Perinteisen tribologisen nopeusluokituksen mukaan suurin nopeus, 0,1 m/s, vastaa nivelten liukunopeutta normaalissa ihmisen kävelyssä medium eikä se saavuta todellista suurten nopeuksien aluetta (esim. juokseminen tai hyppiminen, jotka vastaavat yli 0,1–0,3 m/s:n nopeuksia) [3]. Siksi tämä testi keskittyi itse asiassa matalan nopeuden ja medium-nopeusalueisiin, erityisesti äärimmäisen matalan nopeuden alueeseen, kuten ^{10⁻⁷–10⁻³} m/s, josta kerättiin tiheimmät datapisteet. Tämä alue edustaa ihmisen nivelten liikkeiden aloittamisen ja mikrosäätelyn aikana esiintyviä kriittisiä fysiologisia tiloja, mikä tarjoaa ainutlaatuista arvoa sovellusanalyysille.

Käyrät osoittavat selkeän riippuvuuden nopeuden noususuunnasta. Alhaisesta nopeudesta korkeaan nopeuteen nouseva käyrä (sininen) alkaa erittäin matalan nopeuden alueelta, jossa kitkakerroin (CoF) on lähellä 0:aa, ja kasvaa sitten nopeasti nopeuden kasvaessa, saavuttaa huippuarvon noin 0,4 noin ^10⁻³ m/s:n kohdalla ja laskee sitten lähes 0,1:een, kun nopeus jatkaa kasvuaan 0,1 m/s:iin.

Alas suuntautuva käyrä suuresta nopeudesta pieneen nopeuteen alkaa nopeudesta 0,1 m/s, jolloin kitkakerroin (CoF) on noin 0,1. Nopeuden laskiessa kitkakerroin (CoF) kasvaa jonkin verran, saavuttaa noin 0,2:n huippuarvon noin ^10⁻³ m/s:n kohdalla ja laskee sitten noin 0,05:een, kun hidastuminen jatkuu erittäin hitaiden nopeuksien alueelle. Sekä nousevan että laskevan käyrän huiput esiintyvät lähellä ^10⁻³ m/s:n nopeutta, mutta eteenpäin suuntautuvan käyrän huippuarvo on huomattavasti korkeampi kuin taaksepäin suuntautuvan käyrän. Tämä ominaisuus paljastaa PVA-hydrogeelin voitelukäyttäytymisen mekanismin vaihtelevan nopeuden liikkeessä. Nouseva käyrä edustaa prosessin alkamista leikkaamattomasta alkutilasta. Nopeuden kasvaessa hydrogeelin pinta käy läpi koko prosessin kiinteästä kosketuksesta hydratoituneen voitelukerroksen asteittaiseen muodostumiseen. Käynnistyksen alkuvaiheessa esiintyy korkean kitkakertoimen (CoF) alue. Vaikka pinta on staattisessa tilassa erittäin sileä, liikkeen alkaessa on ylitettävä merkittävä käynnistysvastus. Huippuarvo nopeudella ^10⁻³ m/s, jota seuraavat käyrän vaihtelut, osoittaa, että kyseessä on kriittinen siirtymäkohta rajavoitelusta sekavoiteluun, jossa voitelukalvoa ei ole vielä muodostunut tehokkaasti, mikä johtaa korkeaan ja epävakaaseen CoF-arvoon. Tämän kriittisen nopeuspisteen jälkeen hydraatiokerros muodostuu vähitellen, ja CoF-arvo laskee vastaavasti. Taaksepäin nouseva käyrä kuvaa hidastumista täysin voidellusta tilasta. Tässä vaiheessa hydrogeelipinta on jo altistunut suurille leikkausvoimille, ja hydraatiokerros on täysin aktivoitunut ja pysyy vakaana. Vaikka nopeus laskisikin, tämä voitelukalvo ei katoaisi välittömästi, vaan se säilyttää erittäin alhaisen kitkakertoimen (CoF) 0,05 jopa erittäin alhaisilla nopeuksilla. Tämä paljastaa materiaalin voitelumuistin ominaisuudet. Kun liike on alkanut ja vakaa hydratoitunut voitelukerros on muodostunut, voitelukyvyn säilyy jopa silloin, kun nopeus laskee erittäin alhaiselle tasolle, eikä kalvoa tarvitse muodostua uudelleen jatkuvan käynnistys- ja pysäytysprosessin aikana. Tämä on erityisen tärkeää potilaille, joiden toiminta on jaksottaista, kuten vuorotellen istumista ja seisomista.

Erityisesti tämän testin erittäin alhaisilla nopeuksilla kerätyt runsaat tiedot tarjoavat tietoa materiaalin suorituskyvyn arvioimiseksi leikkauksen jälkeisessä varhaisessa kuntoutuksessa ja päivittäisissä jaksottaisissa toiminnoissa. Ylös- ja alaspäin suuntautuvien nousukäyrien välinen merkittävä ero osoittaa, että tällä PVA-hydrogeelillä on selkeä käynnistys- ja aktivoitumisominaisuus. Käynnistyksen alkuvaiheessa esiintyy käynnistysvastusta, mutta aktivoituessaan voitelukyvyn paranee merkittävästi ja pysyy vakaana. Vaikka tämä PVA-hydrogeeli ei ole implanttimateriaali, tämä ominaisuus tarjoaa selkeää ohjausta kliinisiin sovelluksiin. Leikkauksen jälkeisessä kuntoutuksessa nivelten välinen voitelukerros voidaan aktivoida nopeasti yksinkertaisilla esiliikkeitä, kuten nivelten taivuttamisella ja ojentamisella, jolloin vältetään suuri kitka käynnistysvaiheessa. Samalla materiaalin voitelumuistiominaisuudet mahdollistavat hyvän voitelutilan ylläpitämisen jaksottaisen toiminnan aikana, mikä parantaa potilaan päivittäistä toimintakokemusta ja pidentää materiaalin käyttöikää. Tällaisia erittäin hitaita testejä voidaan rajoittaa tavanomaisella tribometrillä.

Johtopäätös

Reometrin tarkkojen säätöominaisuuksien ja laajennusmahdollisuuksien ansiosta voimme suorittaa kattavan karakterisoinnin reologisesta käyttäytymisestä tribologiseen suorituskykyyn yhdellä alustalla. Reometrin keskeiset edut perustuvat sen ilmatukitekniikkaan ja erittäin tarkkaan vääntömomentin mittausjärjestelmään, jotka mahdollistavat vakaat mittaukset äärimmäisen alhaisilla nopeuksilla – mitä on vaikea saavuttaa perinteisillä mekaanisilla laakerikitkatestauslaitteilla. Tässä testissä PVA-hydrogeelin kitkakäyttäytyminen erittäin alhaisilla nopeuksilla simuloi tarkasti kriittisiä fysiologisia tiloja, kuten ihmisen nivelten staattista liikkeelle lähtöä ja mikrosäätelyä, ja tiedot tarjoavat ohjeistuksen materiaalin suorituskyvyn arvioimiseksi varhaisessa leikkauksen jälkeisessä kuntoutuksessa ja jaksottaisissa toiminnoissa. Eteenpäin suuntautuva nousukäyrä paljasti korkean kitkakertoimen (CoF) käynnistysalueen, ja taaksepäin suuntautuva nousukäyrä osoitti PVA-hydrogeelin voitelumuistia. Molemmat perustuvat reometrin tarkkaan ohjaukseen ja tiedonkeruukykyyn erittäin alhaisilla nopeuksilla. Luomalla yhteyden testinopeuksien ja fysiologisten toimintojen välille reometri ei ainoastaan vahvista PVA-hydrogeelien voitelupotentiaalia ruston korvaavina materiaaleina, vaan tarjoaa myös kvantitatiivista ohjausta materiaalin optimointiin ja kliinisiin sovelluksiin. Reometri avaa monia uusia mahdollisuuksia tribologisille testeille.