Bevezetés
A polivinil-alkohol (PVA) hidrogél, mint nagy teljesítményű, puha polimer anyag, kiváló biokompatibilitásának, szabályozható mechanikai tulajdonságainak és egyedülálló háromdimenziós hálós szerkezetének köszönhetően széles körű alkalmazási lehetőségeket kínál olyan területeken, mint a biomedicina, a rugalmas elektronika és a szövetmérnökség. Amikor ezt a fajta puha és csúszós PVA-hidrogélt potenciális mesterséges porcnak használják, felmerül egy kritikus kérdés: hogyan viselkedik súrlódás hatására? Hagyományosan számos speciális súrlódásvizsgáló gép található a piacon a tribológiai vizsgálatokhoz. Kevésbé ismert azonban, hogy a viszkoelaszticitás értékelésére általában használt reométer a megfelelő kiegészítővel könnyen átalakítható egy nagy teljesítményű tribológiai vizsgálati platformmá. Ez az alkalmazási útmutató bemutatja, hogyan lehet elvégezni a PVA-hidrogélek tribológiai vizsgálatát a Kinexus rotációs reométerünk segítségével, és tárgyalja ennek a módszernek az egyedülálló előnyeit.
A PVA-hidrogélek tribológiai vizsgálatakor az érintkezési geometriát úgy kell megválasztani, hogy a valós triborendszer a modell méretarányában a lehető legpontosabban legyen ábrázolva. Az itt leírt alkalmazás esetében a valós triborendszer természeténél fogva térben eloszló és többpontos, hasonlóan az emberi ízületekben a combcsontfej és a csípőizületi vápa közötti érintkezéshez. Ezért a többpontos érintkezési modell megfelelőbb, mint az egypontos érintkezési modell. Erre a célra a három gömb-lemez módszer (három gömb, amelyek egyenlő oldalú háromszög elrendezésben helyezkednek el ugyanazon a lemezen, a hidrogélt pedig az alsó lemezre rögzítik) hatékonyan kiküszöböli ezt a problémát. A normál erő egyenletesen oszlik el a három gömb között, ami jelentősen csökkenti a feszültség helyi koncentrációját. A hárompontos érintkezés stabil tárolást tesz lehetővé és biztosítja a jó érintkezést. Például az emberi ízületekben a combcsontfej és a csípőizületi vápa közötti érintkezés természeténél fogva térben eloszló és többpontos. Ezért a hárompontos érintkezés jobban közelíti a tényleges fiziológiai állapotot, mint az egypontos érintkezés.
A reométerrel kombinálva a súrlódási együttható (CoF) a következő képlet segítségével számítható ki:
ahol τ a nyomaték, R a három golyó helyzetével meghatározott kör sugara,Fn pedig a normálerő. Ekkor kapjuk meg a súrlódási együttható görbét, amelyet általában Stribeck-görbének neveznek, amikor a súrlódási együtthatót (CoF) a csúszási sebesség függvényében ábrázoljuk (a csúszási sebességet képviselő forgási sebesség változtatásával). A Stribeck-görbe feltárja a kenési viszonyokat, és lehetővé teszi számunkra, hogy különböző sebességek mellett meghatározzuk az anyag kenési mechanizmusát, valamint értékeljük annak alkalmazkodóképességét valós üzemi körülmények között (például az ízületi mozgás sebességének változásai esetén). Érdemes megjegyezni, hogy a sweep-tesztet oda-vissza irányban is el lehet végezni, azaz a sebességet alacsonyról magasra fokozatosan növelve, majd azonnal vissza magasról alacsonyra. Ez a megközelítés feltárhatja, hogy az anyag kenési állapota visszafordítható-e, és hogy létezik-e kenési memória jellemző [1, 2], ami nagy jelentőséggel bír az emberi ízületek változó sebességű mozgásának (például elindulás, gyorsulás, lassulás és leállás) szimulálásához.
A Kinexus rotációs reométer segítségével egyszerűen kiterjeszthető a rendszer egy tribológiai modellrendszerhez szükséges tribológiai felépítésre. A reométer legfőbb előnye a sebesség és a normál erő precíz szabályozásában rejlik, amint azt az 1. táblázat részletesen bemutatja. Általában a speciális súrlódásvizsgáló gépek csapágyai mindig mechanikus csapágyak, míg a rotációs reométer légcsapágy-technológiát alkalmaz, ami rendkívül alacsony forgási sebességeket tesz lehetővé, így pontosabban szimulálható a súrlódás statikus és alacsony sebességű mozgási körülmények között. Ezen felül a reométer nagy pontosságú érzékelői nagyobb nyomatékfelbontást biztosítanak, ami azt jelenti, hogy a súrlódási folyamat során több small átmeneti változást figyelhetünk meg. A reométer hőmérséklet-szabályozása mindig Peltier-technológián alapul, ±0,01 °C-os hőmérsékleti pontossággal, amely képes szimulálni a 37 °C-os fiziológiai környezetet.
1. táblázat: Egy speciális súrlódásvizsgáló gép és egy reométer összehasonlítása
| Paraméter | Példa egy kereskedelmi forgalomban kapható speciális súrlódási vizsgálóberendezésre | NETZSCH Kinexus rotációs reométer |
|---|---|---|
| Normál erő pontossága | ±0,1 N | ±0,01 N |
| Nyomaték felbontás | 0,1 mNm (100 000 nNm) | 0,1 nMm |
| Sebességtartomány | 0,1 – 2000 fordulat/perc | 10⁻⁷ – 4700 fordulat/perc |
| Adatátviteli sebesség | 10 – 100 Hz | 5000 Hz |
| Hőmérséklet-pontosság | ±0,5 °C | ±0,1 °C |
Mérések és eredmények
Tribológiai vizsgálathoz használt PVA-hidrogél előállítása
Az 1a. ábra a tribológiai vizsgálati segédeszközünket mutatja. A felső rész három, egyenlő oldalú háromszögbe elrendezett rozsdamentes acélgolyóból áll, míg az alsó rész egy rögzítőgyűrűvel ellátott lemez. A vizsgálati mintát a rögzítőgyűrű és csavarok segítségével kell az alsó lemezhez rögzítenünk. A PVA-hidrogél esetében azonban – mivel ez egy törékeny minta – ez a rögzítési módszer korlátozott, és jelentős deformációt vagy akár a gél szakadását is okozhatja, ami végső soron befolyásolja a vizsgálati eredményeket. Ezért a PVA-hidrogélt közvetlenül az alsó lemezen készítettük el, biztosítva, hogy szorosan tapadjon a lemezhez, és azzal egybeolvadjon.
A reométert a PVA-hidrogél teljes előkészítési folyamatához használtuk. A konkrét előkészítési módszert az AN 421-ben mutattuk be. Homogén PVA-oldatot készítünk egy keverőlapátos felső geometriával és egy 34 mm-es csészés rendszerrel (1b. ábra). Ezután az elkészített PVA-oldatot az 1a. ábrán látható tribológiai készlet alsó lemezére öntöttük. Ezt követően ciklikus fűtési és hűtési sorozatot alkalmazó fizikai fagyás-olvasztási módszerrel tömeges PVA-hidrogélt állítottunk elő (1c. ábra). Végül kialakul egy olyan hidrogél, amely szorosan kötődik az alsó lemezhez és azzal egybeolvad (1d. ábra). Ezután elvégezhetők a tribológiai vizsgálatok a PVA-hidrogélen.
Tribológiai vizsgálat PVA-hidrogélen
A tribológiai értékelést a NETZSCH Kinexus rotációs reométerünkön végeztük, amely tribológiai készlettel van felszerelve. Háromgolyós-lemezes módszert alkalmaztunk, a konkrét vizsgálati feltételeket a 2. táblázat tartalmazza. A normál terhelést 0,5 N-ra állítottuk be, a csúszási sebességet pedig folyamatos emelkedési üzemmódban alkalmaztuk, amelynek során a szögsebesség logaritmikusan nőtt 0,00001 rad/s-ról 5 rad/s-ra 1 perces emelkedési idő alatt. Ez a sebességtartomány a statikus csúszástól a medium sebességű csúszásig terjedő teljes spektrumot lefedte. Oda-vissza pásztázási módot (változó forgási sebességgel: alacsony → magas → alacsony) alkalmaztunk. Ugyanazon mintán két ismételt vizsgálatot végeztünk a vizsgálati módszer megbízhatóságának szisztematikus értékelése érdekében.
2. táblázat: Három golyós tribológiai vizsgálati feltételek
| Vizsgálati módszer | rSolution_0032 A kenési tulajdonságok és a súrlódási együttható értékelése tribológiai módszerrel háromgolyós felállítások esetén |
|---|---|
| Geometria | Három golyó (rozsdamentes acél) a KNX2282 lemeztribológiai cellában |
| Hőmérséklet | 25 °C |
| Normál erő | 0,5 N |
| Sebességtartomány | 0,00001–5 rad/s |
| Sebesség-emelkedési idő | 1 perc |
A 2. ábra a PVA-hidrogél Stribeck-görbéit mutatja. A vizsgálat során oda-vissza pásztázási módot alkalmaztunk, amely során a sebességet a rendkívül alacsony 10⁻⁷ m/s-ról folyamatosan 0,1 m/s-ra gyorsítottuk, majd azonnal visszafékeztük 0,1 m/s-ról 10⁻⁷ m/s-ra. Ugyanazon mintán elvégzett két ismételt vizsgálat görbéi szinte teljesen egybeestek, ami kiváló ismételhetőséget és mintastabilitást jelez.
A hagyományos tribológiai sebességosztályozás szerint a legnagyobb, 0,1 m/s sebesség a normál emberi járás során fellépő ízületi csúszási sebességnek felel meg, amely az medium sebességtartományba esik, és nem éri el a valódi nagy sebességtartományt (pl. futás vagy ugrás, amely 0,1–0,3 m/s feletti sebességeknek felel meg) [3]. Ezért ez a vizsgálat valójában az alacsony sebességű és a medium sebességtartományokra összpontosított, különösen az olyan rendkívül alacsony sebességű tartományra, mint a 10⁻⁷–10⁻³ m/s, ahol a legsűrűbb adatpontokat gyűjtötték. Ez a tartomány az emberi ízületek mozgásának megkezdése és mikroszabályozása során fellépő kritikus fiziológiai állapotokat képviseli, ami egyedülálló értéket nyújt az alkalmazáselemzéshez.
A görbék egyértelmű függést mutatnak a sebességnövekedés irányától. Az alacsony sebességről a magas sebesség felé emelkedő görbe (kék) a rendkívül alacsony sebességtartományban kezdődik, ahol a CoF-érték 0 közelében van, majd a sebesség növekedésével gyorsan emelkedik, körülbelül 10⁻³ m/s-nál eléri a 0,4 körüli csúcsot, és a sebesség további növekedésével 0,1 m/s-ig majdnem 0,1-re csökken.
A nagy sebességről alacsony sebességre irányuló csökkenő görbe 0,1 m/s-nál kezdődik, körülbelül 0,1-es súrlódási együtthatóval (CoF). Ahogy a sebesség csökken, a súrlódási együttható értéke némileg emelkedik, körülbelül 10⁻³ m/s-nál éri el a 0,2 körüli csúcsot, majd a rendkívül alacsony sebességtartományba történő további lassulás során körülbelül 0,05-re csökken. Mind a felfelé, mind a lefelé irányuló görbe csúcsai 10⁻³ m/s közelében jelennek meg, de az előre irányuló görbe csúcsértéke jelentősen magasabb, mint a hátrafelé irányuló görbéé. Ez a jellemző feltárja a PVA-hidrogél kenési viselkedésének mechanizmusát változó sebességű mozgás során. A felfelé ívelő szakasz a nyírásmentes kiindulási állapotból való indulást jelenti. A sebesség növekedésével a hidrogél felülete végigmegy a szilárd érintkezéstől a hidratált kenőréteg fokozatos kialakulásáig tartó teljes folyamaton. Az indítás kezdeti szakaszában magas súrlódási tényező (CoF) értékek figyelhetők meg. Bár a felület statikus állapotban rendkívül sima, a mozgás megkezdésekor jelentős indítási ellenállást kell leküzdeni. A 10⁻³ m/s-nál jelentkező csúcs, amelyet a görbe ingadozásai követnek, azt jelzi, hogy ez a kritikus átmeneti pont a határkenésről a vegyes kenésre, ahol a kenőréteg még nem alakult ki hatékonyan, ami magas és instabil CoF-értéket eredményez. Ezen a kritikus sebességi ponton túl a hidratációs réteg fokozatosan kialakul, és a CoF ennek megfelelően csökken. A visszafelé irányuló emelkedő a teljesen kenett állapotból történő lassulást jelenti. Ezen a ponton a hidrogél felülete már nagy sebességű nyíróerőnek volt kitéve, a hidratációs réteg pedig teljesen aktiválódott és stabil marad. Még a sebesség csökkenése esetén sem tűnik el azonnal ez a kenőréteg, és rendkívül alacsony, 0,05-ös súrlódási tényezőt tart fenn még a rendkívül alacsony sebességtartományban is. Ez az anyag kenési memória tulajdonságait mutatja. Miután mozgás történt, és kialakult egy stabil, hidratált kenőréteg, a kenési teljesítmény akkor is fenntartható, ha a sebesség rendkívül alacsony szintre csökken, és nincs szükség újrafóliázásra a folyamatos indítás-leállítás folyamat során. Ez különösen fontos azoknál a betegeknél, akik szakaszos tevékenységeket végeznek, például felváltva ülnek és állnak.
Különösen figyelemre méltó, hogy a vizsgálat rendkívül alacsony sebességtartományában gyűjtött bőséges adatok betekintést nyújtanak az anyag teljesítményének értékeléséhez a műtét utáni korai rehabilitáció és a mindennapi, szakaszos tevékenységek során. A felfelé és lefelé irányuló emelkedő görbék közötti jelentős különbség arra utal, hogy ennek a PVA-hidrogélnek a kenési teljesítménye jellegzetes beindulási és aktiválódási jellemzőket mutat. A kezdeti indítás során indulási ellenállás tapasztalható, de az aktiválás után a kenési teljesítmény jelentősen javul, és tartósan fenntartható. Bár ez a PVA-hidrogél nem implantátumanyag, ez a jellemző egyértelmű iránymutatást nyújt a klinikai alkalmazásokhoz. A műtét utáni rehabilitáció során az ízületek közötti kenőréteg egyszerű, tevékenységet megelőző mozdulatokkal – például az ízületek egyszerű hajlításával és kinyújtásával – gyorsan aktiválható, elkerülve ezzel a beindulás során fellépő nagy súrlódást. Ugyanakkor az anyag kenési memória tulajdonságai lehetővé teszik a jó kenési állapot fenntartását szakaszos tevékenységek során is, ami javítja a beteg mindennapi tevékenységeinek élményét és az anyag élettartamát. Az ilyen rendkívül alacsony sebességű vizsgálatok elvégzése hagyományos tribométerrel korlátozott lehet.
Következtetés
A reométer precíz szabályozási képességeinek és bővíthetőségének köszönhetően egyetlen platformon végezhetjük el a reológiai viselkedéstől a tribológiai teljesítményig terjedő átfogó jellemzést. A reométer legfőbb előnyei a légcsapágyas technológiában és a nagy pontosságú nyomatékérzékelő rendszerben rejlenek, amelyek rendkívül alacsony fordulatszámon is stabil méréseket tesznek lehetővé – ez hagyományos, mechanikus csapágyas súrlódási vizsgálóberendezésekkel nehezen elérhető. Ebben a vizsgálatban a PVA-hidrogél rendkívül alacsony fordulatszám-tartományban mutatott súrlódási viselkedése pontosan szimulálja az olyan kritikus fiziológiai állapotokat, mint az emberi ízületek statikus mozgásba hozatala és mikroszintű beállítása, és az adatok iránymutatást nyújtanak az anyag teljesítményének értékeléséhez a műtét utáni korai rehabilitáció és az időszakos tevékenységek során. Az előre irányuló emelkedő görbe magas CoF-értékű indítási tartományt mutatott, míg a visszafelé irányuló emelkedő görbe a PVA-hidrogél kenési memória jellemzőit mutatta. Mindkettő a reométer rendkívül alacsony fordulatszámon történő precíz vezérlési és adatgyűjtési képességein alapul. A vizsgálati sebességek és a fiziológiai tevékenységek közötti összefüggés megállapításával a reométer nemcsak igazolja a PVA-hidrogélek porcpótló anyagként való kenési potenciálját, hanem kvantitatív iránymutatást is nyújt az anyagoptimalizáláshoz és a klinikai alkalmazásokhoz. A reométer számos új lehetőséget kínál a tribológiai vizsgálatok terén.