Johdanto
Polyvinyylialkoholi (PVA)-hydrogeelit ovat korkean suorituskyvyn pehmeitä polymeerimateriaaleja, joilla on laajat sovellusmahdollisuudet esimerkiksi biolääketieteen, joustavan elektroniikan ja kudostekniikan aloilla niiden erinomaisen bioyhteensopivuuden, säädettävien mekaanisten ominaisuuksien ja ainutlaatuisen kolmiulotteisen verkostorakenteen ansiosta. Reologinen testaus on keskeinen menetelmä PVA-hydrogeelien viskoelastisten ominaisuuksien, silloitetun verkostorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien tutkimisessa, ja sillä on merkittävä rooli materiaalin mikrorakenteen ja makroskooppisen suorituskyvyn välisen suhteen ymmärtämisessä.
PVA-hydrogeeleille on ominaista kolmiulotteinen verkostorakenne, joka muodostuu PVA-molekyyliketjujen liittämisestä toisiinsa fysikaalisen tai kemiallisen silloituksen avulla, minkä ansiosta ne pystyvät imemään ja sitomaan huomattavia määriä vettä liukenematta. Polyvinyylialkoholi (PVA)-hydrogeelit ovat erittäin bioyhteensopivia, myrkyttömiä ja ärsyttämättömiä, minkä ansiosta ne soveltuvat biolääketieteellisiin sovelluksiin. Niiden säädettävien mekaanisten ominaisuuksien ansiosta ominaisuuksia voidaan säätää pehmeistä ja joustavista korkeaan lujuuteen ja sitkeyteen muuttamalla valmistusolosuhteita. Niiden voimakas hydrofiilisyys ja korkea vesipitoisuus antavat niille erinomaiset massansiirto-ominaisuudet. Erinomainen kemiallinen stabiilisuus auttaa niitä säilyttämään rakenteellisen eheytensä erilaisissa ympäristöissä.
Reologisen moduulin mittaaminen on ratkaisevan tärkeää, kun PVA-hydrogeelien mikrorakennetta halutaan yhdistää niiden makroskooppiseen suorituskykyyn sovelluksissa, sillä se tarjoaa suoraa ohjausta materiaalin käytännön sovelluksiin. Varastomoduuli (G') heijastaa suoraan materiaalin silloitustiheyttä ja verkoston lujuutta. Kuormitusta kantavissa sovelluksissa, kuten keinotekoisessa rustossa tai nivelsiteissä, riittävän korkea G'-arvo osoittaa, että materiaali pystyy säilyttämään muotonsa dynaamisen kuormituksen alla ja jakamaan rasitusta tehokkaasti. Vastaavasti ViskositeettimoduuliKompleksinen moduuli (viskoosikomponentti), häviömoduuli tai G'' on näytteiden kokonaiskompleksisen moduulin "imaginääriosa". Tämä viskoosikomponentti osoittaa mitattavan näytteen nestemäisen tai faasin ulkopuolisen vasteen. häviömoduuli (G'') ja häviökerroin (tan δ) kuvaavat materiaalin kykyä hajottaa energiaa viskositeetin kautta. Esimerkiksi nivelten voitelussa sopiva viskositeetti helpottaa energian absorptiota, kun taas lääkeaineiden vapautumisen alalla viskositeettia voidaan käyttää vapautumisnopeuden säätelyyn. Lineaarisen viskoelastisen alueen (Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER) määrittäminen reologisilla testeillä auttaa arvioimaan materiaalin rakenteellista vakautta todellisessa käytössä (esim. keinotekoisen ruston toistuva taivutus ja kitka). Siksi reologinen moduuli ei ole pelkästään kvantitatiivinen indikaattori PVA-hydrogeelien mekaanisten ominaisuuksien arvioimiseksi, vaan myös keskeinen kriteeri niiden soveltuvuuden määrittämiseksi tiettyihin sovelluksiin ja valmistusprosessien optimoimiseksi.
Mittaukset ja tulokset
PVA-liuoksen valmistus
Valmistusmenetelmä on kuvattu yksityiskohtaisesti NETZSCH -sivuston sovellusohjeessa 421. Ensin valmistettiin homogeeninen PVA-liuos käyttäen sekoituslaitteen lapaa ja 34 mm:n kuppia (kuva 1a). Tämän jälkeen valmistettiin PVA-hydrogeeli massana fyysisellä jäädytys-sulatusmenetelmällä, jossa käytettiin syklistä lämmitys- ja jäähdytysjaksoa Kinexus-laitteellamme (kuva 1b). Tuloksena saatu hydrogeeli leikattiin sitten paloiksi veitsellä (kuva 1d). Tämän jälkeen näyte asetettiin reometriin (kuva 1e) normaalivoiman säätötoiminnolla, jotta näytteen ja mittausgeometrioiden välinen hyvä kosketus voitiin varmistaa. Sen jälkeen suoritettiin tarvittavat reologiset testit.
Tässä sovellusohjeessa ei keskitytä yksinomaan PVA-pitoisuuden vaikutukseen hydrogeelien rakenteellisiin ominaisuuksiin. Siksi valmistettiin kaksi erilaista hydrogeelityyppiä, joiden PVA-pitoisuudet olivat 8 painoprosenttia ja 15 painoprosenttia. Jäädytys-sulatusolosuhteet olivat identtiset molemmille näytteille, kuten kuvassa 1b on esitetty. Jaksot koostuivat viidestä syklistä, joista kukin sisälsi seuraavat vaiheet: lämpötilan nostaminen 10 °C:sta -20 °C:een nopeudella 1 K/min; pito 30 minuuttia -20 °C:ssa; lämpötilan nousun -20 °C:sta 10 °C:seen nopeudella 1 K/min; ja 30 minuutin pitoajan 10 °C:ssa.
PVA-hydrogeelien mekaaniset ja rakenteelliset testit
Kuvassa 2 esitetään amplitudipyyhkäisykäyrät PVA-hydrogeeleille, joiden pitoisuudet ovat 8 painoprosenttia ja 15 painoprosenttia. Testitulokset osoittavat, että 15 painoprosentin PVA-hydrogeelillä on suurempi varastomoduuli G' ja laajempi Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.lineaarinen viskoelastinen alue (LVER). 15 painoprosentin PVA-hydrogeelin varastointimoduuli G' on huomattavasti suurempi kuin 8 painoprosentin PVA-hydrogeelin. Kuormitusta kantavissa sovelluksissa, kuten keinorustossa, moduuli on keskeinen indikaattori materiaalin kyvystä vastustaa muodonmuutoksia. 15 painoprosentin PVA-hydrogeelin suurempi G'-arvo viittaa suurempaan silloitustiheyteen ja vahvempaan verkostorakenteeseen, minkä ansiosta se tarjoaa suuremman jäykkyyden simuloimaan keinotekoisen ruston mekaanista vastetta fysiologisissa kuormituksissa. Siksi 15 painoprosentin PVA-hydrogeeli jäljittelee luonnollisen ruston mekaanisia ominaisuuksia tarkemmin kuin 8 painoprosentin PVA-hydrogeeli, mikä mahdollistaa nivelraon säilyttämisen ja iskujen vaimentamisen tehokkaammin.
15 painoprosentin PVA-hydrogeelin Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.lineaarinen viskoelastinen alue (LVER) on myös laajempi kuin 8 painoprosentin PVA-hydrogeelin, mikä osoittaa, että se pystyy säilyttämään verkostorakenteensa häiriöittä laajemmalla leikkausjännitysalueella ja että sillä on parempi rakenteellinen vakaus. Ihmisen nivelissä käytettävän keinotekoisen ruston on kestettävä pitkäaikaisia, toistuvia ja large-amplitudisia leikkaus- ja puristusjännityksiä, kuten kävelyn tai kyykistymisen yhteydessä esiintyviä. Laajempi Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-arvo osoittaa, että 15 painoprosentin PVA-hydrogeeli pystyy säilyttämään kolmiulotteisen verkostonsa eheyden monimutkaisten ( large ) muodonmuutosten alla, minkä ansiosta se on vähemmän altis myötöilmiölle tai murtumiselle. Tämä takaa implanttimateriaalin pitkäaikaisen kestävyyden ja turvallisuuden monimutkaisissa rasitustiloissa.
Kuvassa 3 esitetään taajuuskäyrät 8 painoprosentin ja 15 painoprosentin pitoisuuksilla valmistetuille PVA-hydrogeeleille. Koko taajuusalue edustaa ihmisen nivelten erilaisia liikkeenopeuksia hitaasta kävelystä juoksuun. 15 painoprosentin PVA-hydrogeelin varastointimoduuli on suurempi kuin 8 painoprosentin PVA-hydrogeelin. Tämä osoittaa, että dynaamisissa kuormitusolosuhteissa 15 painoprosentin PVA-hydrogeeli pystyy tarjoamaan suuremman jäykkyyden vastustamaan muodonmuutoksia. Tämä tarkoittaa, että niin matalataajuisissa staattisissa kuormituksissa kuin korkeataajuisissa iskukuormituksissakin 15 painoprosentin PVA-hydrogeeli pystyy tukemaan kehon painoa ja lieventämään rasitusta tehokkaammin. Kahden PVA-hydrogeelin vaihekulmat ovat kuitenkin olennaisesti samat. Tämä viittaa siihen, että vaikka PVA-pitoisuuden lisääminen parantaa materiaalin jäykkyyttä, se ei vaikuta viskoelastisuuteen. Tämä tarkoittaa, että vaikka 15 painoprosentin PVA tarjoaa vahvemman mekaanisen tuen, se pystyy silti säilyttämään energianvaimennus- ja iskunvaimennusominaisuudet, jotka ovat samanlaiset kuin 8 painoprosentin PVA:lla, jossa on enemmän vesipitoisuutta. Tämä sopiva viskoelastisuus auttaa vaimentamaan tehokkaasti iskuenergiaa nivelen liikkeen aikana ja suojaamaan niveltä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että 15 painoprosentin PVA-hydrogeeli on parempi valinta kuin 8 painoprosentin PVA-hydrogeeli. Vaikka 8 painoprosentin PVA-hydrogeelillä on alhaisempi moduuli, se on pehmeämpi ja sisältää enemmän vettä, minkä ansiosta materiaalin kuljetettavuus on parempi, sen kantokyky ei kuitenkaan riitä nivelten painoa kantaviin olosuhteisiin, minkä vuoksi se on alttiimpi mekaaniselle väsymiselle tai murtumiselle liiallisen muodonmuutoksen vuoksi. Sen sijaan 15 painoprosentin PVA-hydrogeeli pystyy paremmin simuloimaan nivelruston viskoelastista mekaanista käyttäytymistä tiheämmän verkostorakenteensa ansiosta. Se parantaa merkittävästi jäykkyyttä viskoelastisuutta heikentämättä. Käytännön sovelluksissa tämä tarjoaa erinomaisen iskuenergian vaimennuksen ja muodonmuutosten kestävyyden, mikä voi suojata niveltä.
Johtopäätös
Reologia on ratkaiseva tekijä, kun pyritään ymmärtämään PVA-hydrogeelien mikrorakenteen ja niiden makroskooppisen käyttökäyttäytymisen välistä suhdetta. Eri pitoisuuksilla valmistettujen PVA-hydrogeelien amplitudipyyhkäisy- ja taajuuspyyhkäisytestien tulokset osoittavat, että PVA-pitoisuuden lisääminen parantaa tehokkaasti geelin silloitustiheyttä ja verkoston lujuutta, mikä parantaa sen kantokykyä ja rakenteellista vakautta ulkoisen rasituksen alaisena. Samalla pitoisuuden muutos ei vaikuttanut merkittävästi materiaalin viskoelastisuuteen, minkä ansiosta se säilytti hyvät energianvaimennusominaisuutensa ja tarjosi samalla parempaa mekaanista tukea. Nämä tulokset osoittavat, että reologiset testit mahdollistavat hydrogeelien viskoelastisten ominaisuuksien kvantitatiivisen arvioinnin ja tarjoavat myös tärkeää ohjausta materiaalin optimointiin sekä seulonta- ja valmistusprosesseihin tiettyjä sovellustilanteita varten.