Pendahuluan
Hidrogel polivinil alkohol (PVA), sebagai bahan polimer lunak berkinerja tinggi, memiliki prospek aplikasi yang luas di berbagai bidang seperti biomedis, elektronik fleksibel, dan rekayasa jaringan, berkat biokompatibilitasnya yang sangat baik, sifat mekanik yang dapat disesuaikan, serta struktur jaringan tiga dimensi yang unik. Ketika hidrogel PVA yang lunak dan licin ini digunakan sebagai kandidat tulang rawan buatan, muncul pertanyaan penting: Bagaimana kinerjanya saat mengalami gesekan? Secara tradisional, terdapat banyak mesin uji gesekan khusus di pasaran untuk uji tribologi. Namun, kurang diketahui bahwa reometer yang biasanya kita gunakan untuk mengevaluasi viskoelastisitas dapat dengan mudah diubah menjadi platform pengujian tribologi yang mumpuni dengan aksesori yang sesuai. Catatan Aplikasi ini akan memperkenalkan cara melakukan pengujian tribologi hidrogel PVA menggunakan reometer rotasi Kinexus kami dan membahas keunggulan unik dari metode ini.
Dalam pengujian tribologi hidrogel PVA, geometri kontak harus dipilih sedemikian rupa sehingga sistem tribologi yang sebenarnya dapat direpresentasikan seakurat mungkin pada skala model. Untuk aplikasi yang dijelaskan di sini, sistem tribologi yang sebenarnya secara inheren tersebar secara spasial dan multipoint, seperti kontak antara kepala femur dan acetabulum pada sendi manusia. Oleh karena itu, model kontak multipoint lebih tepat daripada model kontak satu titik. Untuk tujuan ini, metode tiga bola-pelat (tiga bola yang ditempatkan pada cakram yang sama dalam susunan segitiga sama sisi, dengan hidrogel terpasang pada pelat bawah) secara efektif mengatasi masalah ini. Gaya normal didistribusikan secara merata ke tiga bola tersebut, sehingga secara signifikan mengurangi konsentrasi tegangan lokal. Kontak tiga titik memungkinkan penyimpanan yang stabil dan memastikan kontak yang baik. Sebagai contoh, pada sendi manusia, kontak antara kepala femur dan acetabulum, secara alami, tersebar secara spasial dan bersifat multipoint. Oleh karena itu, kontak tiga titik lebih mendekati kondisi fisiologis sebenarnya dibandingkan kontak satu titik.
Bersama dengan rheometer, koefisien gesekan (CoF) dapat dihitung menggunakan rumus berikut:
di mana τ adalah torsi, R adalah jari-jari lingkaran yang dibentuk oleh posisi ketiga bola, danFn adalah gaya normal. Kemudian, kita memperoleh kurva koefisien gesekan yang umumnya dikenal sebagai kurva Stribeck ketika koefisien gesekan (CoF) digambarkan sebagai fungsi kecepatan geser (dengan memvariasikan kecepatan rotasi, yang mewakili kecepatan geser). Kurva Stribeck mengungkapkan rezim pelumasan dan memungkinkan kita untuk menentukan mekanisme pelumasan material pada kecepatan yang berbeda serta mengevaluasi kemampuan adaptasinya dalam kondisi operasi nyata (seperti variasi kecepatan gerakan sambungan). Perlu dicatat bahwa uji sapuan juga dapat dilakukan secara bolak-balik, yaitu dengan terus-menerus meningkatkan kecepatan dari rendah ke tinggi dan kemudian segera kembali dari tinggi ke rendah. Pendekatan ini dapat mengungkap apakah keadaan pelumasan material bersifat reversibel dan apakah terdapat karakteristik memori pelumasan [1, 2], yang sangat berharga untuk mensimulasikan gerakan sendi manusia dengan kecepatan variabel (seperti memulai, mempercepat, memperlambat, dan berhenti).
Reometer rotasi Kinexus memungkinkan perluasan yang sederhana ke pengaturan tribologi untuk sistem model tribologi. Keunggulan utama rheometer ini terletak pada kontrol kecepatan dan gaya normal yang presisi, sebagaimana dijelaskan dalam Tabel 1. Biasanya, bantalan pada mesin uji gesekan khusus selalu berupa bantalan mekanis, sedangkan rheometer rotasi menggunakan teknologi bantalan udara, yang memungkinkan kecepatan rotasi sangat rendah sehingga simulasi gesekan di bawah kondisi statis dan gerakan kecepatan rendah menjadi lebih akurat. Selain itu, sensor presisi tinggi pada reometer ini menawarkan resolusi torsi yang lebih tinggi, yang berarti kita dapat mengamati perubahan transien yang lebih small selama proses gesekan. Kontrol suhu yang digunakan pada reometer selalu menggunakan teknologi Peltier dengan akurasi suhu ±0,01°C, yang dapat mensimulasikan lingkungan fisiologis pada 37°C.
Tabel 1: Perbandingan mesin uji gesekan khusus dan rheometer
| Parameter | Contoh mesin uji gesekan khusus yang tersedia di pasaran | NETZSCH Reometer Rotasi Kinexus |
|---|---|---|
| Akurasi gaya normal | ±0,1 N | ±0,01 N |
| Resolusi torsi | 0,1 mNm (100.000 nNm) | 0,1 nMm |
| Rentang kecepatan | 0,1–2.000 rpm | 10⁻⁷ - 4.700 rpm |
| Laju data | 10 - 100 Hz | 5.000 Hz |
| Akurasi suhu | ±0,5°C | ±0,1°C |
Pengukuran dan Hasil
Pembuatan Hidrogel PVA untuk Uji Tribologi
Gambar 1a menunjukkan alat bantu pengujian tribologi kami. Geometri bagian atas terdiri dari tiga bola baja tahan karat yang disusun dalam bentuk segitiga sama sisi, sedangkan geometri bagian bawah berupa pelat dengan cincin pengikat. Kami perlu mengamankan sampel uji ke pelat bawah menggunakan cincin pengikat dan sekrup. Namun, untuk hidrogel PVA—yang merupakan sampel rapuh—penyekatan semacam ini memiliki keterbatasan, dan dapat menyebabkan deformasi signifikan atau bahkan pecahnya gel, yang pada akhirnya memengaruhi hasil uji. Oleh karena itu, kami menyiapkan hidrogel PVA langsung di atas pelat bawah, memastikan hidrogel tersebut menempel erat pada pelat dan menyatu dengannya.
Rheometer digunakan untuk seluruh proses persiapan hidrogel PVA. Metode persiapan spesifiknya telah dijelaskan dalam AN 421. Larutan PVA yang homogen disiapkan menggunakan geometri atas berupa bilah pengaduk dan sistem cangkir berdiameter 34 mm (Gambar 1b). Kemudian, larutan PVA yang telah disiapkan dituangkan ke atas pelat bawah perangkat tribologi yang ditunjukkan pada gambar 1a. Selanjutnya, hidrogel PVA padat dibuat menggunakan metode pembekuan-pencairan fisik dengan urutan pemanasan dan pendinginan siklik (gambar 1c). Akhirnya, terbentuklah hidrogel yang terikat erat dan terintegrasi dengan pelat bawah (Gambar 1d). Uji tribologi kemudian dapat dilakukan pada hidrogel PVA tersebut.
Uji Tribologi pada Hidrogel PVA
Evaluasi tribologi dilakukan menggunakan reometer rotasi Kinexus dari NETZSCH yang dilengkapi dengan perangkat tribologi. Metode tiga bola-pelat digunakan, dengan kondisi uji spesifik yang dirinci dalam Tabel 2. Beban normal ditetapkan sebesar 0,5 N, dan kecepatan geser diterapkan dalam mode ramp kontinu, dengan kecepatan sudut yang meningkat secara logaritmik dari 0,00001 rad/s hingga 5 rad/s dalam waktu ramp 1 menit. Rentang kecepatan ini mencakup seluruh spektrum dari gerak geser statis hingga gerak geser berkecepatan medium. Mode sapuan bolak-balik (dengan kecepatan rotasi yang berubah: rendah → tinggi → rendah) diterapkan. Dua pengujian berulang dilakukan pada sampel yang sama untuk mengevaluasi keandalan metode pengujian secara sistematis.
Tabel 2: Kondisi uji tribologi tiga bola
| Metode pengujian | rSolution_0032 Menilai sifat pelumasan dan koefisien gesekan menggunakan tribologi untuk konfigurasi 3 bola |
|---|---|
| Geometri | Tiga bola (baja tahan karat) pada sel tribologi pelat KNX2282 |
| Suhu | 25°C |
| Gaya normal | 0,5 N |
| Rentang kecepatan | 0,00001–5 rad/s |
| Waktu percepatan kecepatan | 1 menit |
Gambar 2 menunjukkan kurva Stribeck dari hidrogel PVA. Pengujian ini menggunakan mode sapuan bolak-balik, yang secara terus-menerus berakselerasi dari kecepatan yang sangat rendah, yaitu 10⁻⁷ m/s, hingga 0,1 m/s, kemudian segera melambat kembali dari 0,1 m/s ke 10⁻⁷ m/s. Kurva dari dua pengujian berulang pada sampel yang sama hampir sepenuhnya tumpang tindih, yang menunjukkan pengulangan yang sangat baik dan stabilitas sampel.
Menurut klasifikasi kecepatan tribologi konvensional, kecepatan tertinggi sebesar 0,1 m/s setara dengan kecepatan geser sendi saat berjalan normal, yang berada dalam rentang kecepatan medium, dan belum mencapai rentang kecepatan tinggi sejati (misalnya, berlari atau melompat, yang setara dengan kecepatan di atas 0,1 hingga 0,3 m/s) [3]. Oleh karena itu, pengujian ini sebenarnya berfokus pada wilayah kecepatan rendah dan medium-kecepatan, khususnya wilayah kecepatan sangat rendah seperti 10⁻⁷ hingga 10⁻³ m/s, di mana titik data terpadat dikumpulkan. Wilayah ini mewakili kondisi fisiologis kritis selama inisiasi dan penyesuaian mikro sendi manusia, yang menawarkan nilai unik untuk analisis aplikasi.
Kurva-kurva tersebut menunjukkan ketergantungan yang jelas pada arah peningkatan kecepatan. Kurva naik dari kecepatan rendah ke tinggi (biru) dimulai di wilayah kecepatan sangat rendah dengan nilai CoF mendekati 0, lalu meningkat pesat seiring kenaikan kecepatan, mencapai puncak sekitar 0,4 pada kecepatan kira-kira 10⁻³ m/s, dan kemudian menurun hingga hampir 0,1 saat kecepatan terus meningkat hingga 0,1 m/s.
Kurva menurun dari kecepatan tinggi ke rendah dimulai pada 0,1 m/s dengan nilai CoF sekitar 0,1. Seiring berkurangnya kecepatan, nilai CoF menunjukkan peningkatan tertentu, mencapai puncak sekitar 0,2 pada sekitar 10⁻³ m/s, dan kemudian turun menjadi sekitar 0,05 saat terjadi deselerasi lebih lanjut ke wilayah kecepatan yang sangat rendah. Puncak untuk kurva naik dan turun muncul di sekitar 10⁻³ m/s, tetapi nilai puncak kurva maju jauh lebih tinggi daripada kurva mundur. Karakteristik ini mengungkapkan mekanisme perilaku pelumasan hidrogel PVA selama gerakan kecepatan variabel. Ramp naik mewakili inisiasi dari keadaan awal tanpa geser. Seiring peningkatan kecepatan, permukaan hidrogel mengalami proses lengkap dari kontak padat hingga pembentukan bertahap lapisan pelumasan terhidrasi. Terdapat jendela nilai CoF yang tinggi pada awal pengoperasian. Meskipun permukaannya sangat halus dalam keadaan statis, resistansi awal yang signifikan harus diatasi begitu gerakan dimulai. Puncak pada 10⁻³ m/s, diikuti oleh fluktuasi pada kurva, menunjukkan bahwa ini adalah titik transisi kritis dari pelumasan batas ke pelumasan campuran, di mana lapisan pelumas belum terbentuk secara efektif, sehingga menghasilkan CoF yang tinggi dan tidak stabil. Di luar titik kecepatan kritis ini, lapisan hidrasi terbentuk secara bertahap, dan nilai CoF pun menurun seiring dengan itu. Bagian kurva yang menurun ke belakang mewakili perlambatan dari keadaan yang sepenuhnya terlumasi. Pada titik ini, permukaan hidrogel telah mengalami geseran berkecepatan tinggi, dan lapisan hidrasi telah sepenuhnya aktif serta tetap stabil. Bahkan ketika kecepatan menurun, lapisan pelumas ini tidak akan langsung menghilang, dan tetap mempertahankan CoF yang sangat rendah sebesar 0,05 bahkan di wilayah kecepatan yang sangat rendah. Hal ini menunjukkan karakteristik memori pelumasan dari material tersebut. Setelah gerakan terjadi dan lapisan pelumasan terhidrasi yang stabil terbentuk, kinerja pelumasan dapat dipertahankan bahkan ketika kecepatan turun ke tingkat yang sangat rendah, dan tidak perlu pembentukan lapisan pelumas ulang selama proses start-stop yang berkelanjutan. Hal ini sangat penting bagi pasien dengan aktivitas intermiten seperti bergantian duduk dan berdiri.
Yang patut diperhatikan, data yang melimpah pada rentang kecepatan yang sangat rendah dalam pengujian ini memberikan wawasan untuk mengevaluasi kinerja bahan tersebut dalam rehabilitasi pascaoperasi awal dan aktivitas harian yang bersifat intermiten. Perbedaan yang signifikan antara kurva ramp naik dan turun menunjukkan bahwa kinerja pelumasan hidrogel PVA ini menunjukkan karakteristik awal dan aktivasi yang khas. Terdapat resistansi awal saat dimulainya gerakan, namun setelah diaktifkan, kinerja pelumasannya meningkat secara signifikan dan dapat dipertahankan secara konsisten. Meskipun hidrogel PVA ini bukan bahan implan, karakteristik ini memberikan panduan yang jelas untuk aplikasi klinis. Dalam rehabilitasi pascaoperasi, lapisan pelumasan di antara sendi dapat diaktifkan dengan cepat melalui aktivitas sederhana sebelum memulai, seperti fleksi dan ekstensi sendi ringan, sehingga menghindari gesekan tinggi pada tahap awal. Pada saat yang sama, karakteristik memori pelumasan bahan ini memungkinkan pemeliharaan kondisi pelumasan yang baik selama aktivitas yang tidak terus-menerus, sehingga meningkatkan pengalaman aktivitas sehari-hari pasien dan memperpanjang masa pakai bahan tersebut. Uji kecepatan sangat rendah semacam ini dapat dilakukan dengan tribometer konvensional.
Kesimpulan
Berkat kemampuan pengendalian yang presisi dan kemampuan perluasan yang dimiliki oleh rheometer, kita dapat melakukan karakterisasi menyeluruh—mulai dari perilaku reologi hingga kinerja tribologi—dalam satu platform. Keunggulan utama rheometer terletak pada teknologi bantalan udara dan sistem penginderaan torsi presisi tinggi, yang memungkinkan pengukuran stabil pada kecepatan yang sangat rendah, sesuatu yang sulit dicapai dengan mesin uji gesekan bantalan mekanis konvensional. Dalam pengujian ini, perilaku gesekan hidrogel PVA pada rentang kecepatan yang sangat rendah secara tepat mensimulasikan kondisi fisiologis kritis seperti inisiasi statis dan penyesuaian mikro sendi manusia, dan data tersebut memberikan panduan untuk mengevaluasi kinerja material pada tahap awal rehabilitasi pascaoperasi dan aktivitas intermiten. Kurva ramp maju menunjukkan jendela awal CoF yang tinggi, sedangkan kurva ramp mundur menunjukkan karakteristik memori pelumasan dari hidrogel PVA. Keduanya bergantung pada kemampuan kontrol dan akuisisi data yang presisi dari reometer pada kecepatan yang sangat rendah. Dengan menetapkan hubungan antara kecepatan uji dan aktivitas fisiologis, reometer ini tidak hanya memvalidasi potensi pelumasan hidrogel PVA sebagai bahan pengganti tulang rawan, tetapi juga memberikan panduan kuantitatif untuk optimasi bahan dan aplikasi klinis. Reometer ini menunjukkan banyak kemungkinan baru untuk uji tribologi.