Introduzione
Gli idrogel di alcool polivinilico (PVA) sono materiali polimerici morbidi ad alte prestazioni con ampie prospettive di applicazione in settori quali la biomedicina, l’elettronica flessibile e l’ingegneria tissutale, grazie alla loro eccellente biocompatibilità, alle proprietà meccaniche regolabili e alla struttura reticolare tridimensionale unica. Le prove reologiche sono un metodo fondamentale per lo studio delle proprietà viscoelastiche, della struttura reticolare reticolata e delle proprietà meccaniche degli idrogel di PVA, e svolgono un ruolo significativo nella comprensione della relazione tra la microstruttura di un materiale e le sue prestazioni macroscopiche.
Gli idrogel di PVA presentano una struttura reticolare tridimensionale formata dal collegamento delle catene molecolari di PVA tramite reticolazione fisica o chimica, che consente loro di assorbire e trattenere notevoli quantità d’acqua senza dissolversi. Gli idrogel di alcool polivinilico (PVA) presentano un’eccellente biocompatibilità, sono atossici e non irritanti, il che li rende adatti ad applicazioni biomediche. Le loro proprietà meccaniche regolabili consentono di adattare le caratteristiche da morbide ed elastiche a elevate resistenze e tenacità, modificando le condizioni di preparazione. La loro forte idrofilia, unita all’elevato contenuto d’acqua, conferisce loro proprietà di trasporto di massa superiori. L’eccezionale stabilità chimica permette loro di mantenere l’integrità strutturale in vari ambienti.
L’analisi del modulo reologico è fondamentale per collegare la microstruttura degli idrogel di PVA alle loro prestazioni applicative macroscopiche, fornendo indicazioni dirette per le applicazioni pratiche del materiale. Il modulo di conservazione (G') riflette direttamente la densità di reticolazione e la resistenza della rete del materiale. Per applicazioni soggette a carico, come la cartilagine artificiale o i legamenti, un valore di G' sufficientemente elevato indica che il materiale è in grado di mantenere la propria forma sotto carico dinamico e di distribuire efficacemente le sollecitazioni. Al contrario, il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita (G'') e il fattore di perdita (tan δ) caratterizzano la capacità del materiale di dissipare energia attraverso la viscosità. In applicazioni quali la lubrificazione delle articolazioni, una viscosità adeguata facilita l’assorbimento di energia, mentre nei campi del rilascio di farmaci la viscosità può essere utilizzata per controllare le velocità di rilascio. La determinazione della Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.regione viscoelastica lineare (LVER) tramite prove reologiche aiuta a valutare la stabilità strutturale del materiale durante l’uso effettivo (ad esempio, flessione e attrito ripetuti della cartilagine artificiale). Pertanto, il modulo reologico non è solo un indicatore quantitativo per la valutazione delle proprietà meccaniche degli idrogel di PVA, ma anche un criterio fondamentale per determinarne l’idoneità ad applicazioni specifiche e per l’ottimizzazione dei processi di preparazione.
Misure e risultati
Preparazione di una soluzione di PVA
Il metodo di preparazione specifico è descritto in dettaglio nella nota applicativa n. 421 di NETZSCH. Innanzitutto, è stata preparata una soluzione omogenea di PVA utilizzando un agitatore a pale e una beva da 34 mm (figura 1a). Successivamente, è stato prodotto un idrogel di PVA sfuso mediante un metodo fisico di congelamento-scongelamento che impiega una sequenza ciclica di riscaldamento e raffreddamento utilizzando il nostro Kinexus (figura 1b). L’idrogel in blocco così ottenuto è stato poi tagliato in pezzi con un coltello (figura 1d). Successivamente, il campione è stato caricato sul reometro (figura 1e) con controllo della forza normale per garantire un buon contatto tra il campione e le geometrie. Sono state quindi condotte le prove reologiche pertinenti.
La presente nota applicativa non si concentra esclusivamente sull’effetto del contenuto di PVA sulle proprietà strutturali degli idrogel. Pertanto, sono stati preparati due tipi di idrogel con contenuti di PVA diversi, pari all’8% in peso e al 15% in peso. Le condizioni di congelamento-scongelamento erano identiche per i due campioni, come mostrato nella figura 1b. La sequenza comprende 5 cicli e ciascun ciclo prevede: un aumento graduale della temperatura da 10 °C a -20 °C a una velocità di 1 K/min; una sosta di 30 minuti a -20 °C; un aumento graduale da -20 °C a 10 °C a una velocità di 1 K/min; e una sosta di 30 minuti a 10 °C.
Prove meccaniche e strutturali sugli idrogel di PVA
La Figura 2 mostra le curve di variazione dell'ampiezza per idrogel di PVA con concentrazioni dell'8% in peso e del 15% in peso. I risultati delle prove indicano che l'idrogel di PVA al 15% in peso presenta un modulo di immagazzinamento, G', più elevato e una Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.regione viscoelastica lineare (LVER) più ampia. Il modulo di immagazzinamento, G', dell’idrogel di PVA al 15% in peso è significativamente più elevato rispetto a quello dell’idrogel di PVA all’8% in peso. Per applicazioni soggette a carico, come la cartilagine artificiale, il modulo è un indicatore fondamentale della capacità di un materiale di resistere alla deformazione. Il valore più elevato di G' dell’idrogel di PVA al 15% in peso indica una maggiore densità di reticolazione e una struttura reticolare più robusta, consentendogli di fornire una maggiore rigidità per simulare la risposta meccanica della cartilagine artificiale sotto carichi fisiologici. Pertanto, l’idrogel di PVA al 15% in peso riproduce le proprietà meccaniche della cartilagine naturale in modo più fedele rispetto all’idrogel di PVA all’8% in peso, potendo mantenere lo spazio articolare e attutire gli urti in modo più efficace.
Anche la Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.regione viscoelastica lineare (LVER) dell’idrogel di PVA al 15% in peso è più ampia rispetto a quella dell’idrogel di PVA all’8% in peso, indicando che è in grado di mantenere la propria struttura reticolare senza rotture in un intervallo più ampio di deformazione di taglio e che possiede una stabilità strutturale superiore. La cartilagine artificiale nelle articolazioni umane deve sopportare sollecitazioni di taglio e di compressione a lungo termine, periodiche e di ampiezz large e, come quelle a cui si è sottoposti quando si cammina o ci si accovaccia. Un Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER più ampio indica che l’idrogel di PVA al 15% in peso è in grado di mantenere l’integrità della propria rete tridimensionale in presenza di deformazioni large, rendendolo meno soggetto a cedimenti o rotture. Ciò garantisce la durabilità a lungo termine e la sicurezza del materiale dell’impianto in condizioni di sollecitazione complesse.
La Figura 3 mostra le curve di scansione di frequenza per gli idrogel di PVA a concentrazioni dell’8% in peso e del 15% in peso. L’intero intervallo di scansione di frequenza rappresenta diverse velocità di movimento delle articolazioni umane, dal camminare lento alla corsa. Il modulo di conservazione dell’idrogel di PVA al 15% in peso è superiore a quello dell’idrogel di PVA all’8% in peso. Ciò indica che, in condizioni di carico dinamico, l’idrogel di PVA al 15% in peso è in grado di fornire una maggiore rigidità per resistere alla deformazione. Ciò significa che, sia in presenza di carichi statici a bassa frequenza che di carichi d’urto ad alta frequenza, l’idrogel di PVA al 15% in peso è in grado di sostenere più efficacemente il peso corporeo e di alleviare Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.lo stress. Tuttavia, gli angoli di fase dei due idrogel di PVA sono sostanzialmente coerenti. Ciò suggerisce che, sebbene l’aumento della concentrazione di PVA migliori la rigidità del materiale, non influisca sulla viscoelasticità. Ciò implica che, pur fornendo un supporto meccanico più forte, l’idrogel al 15% in peso di PVA è comunque in grado di mantenere prestazioni di assorbimento dell’energia e di ammortizzazione simili a quelle dell’idrogel all’8% in peso di PVA, che presenta un maggiore contenuto d’acqua. Questa adeguata viscoelasticità contribuisce ad assorbire efficacemente l’energia d’urto durante il movimento articolare e a proteggere l’articolazione.
In sintesi, l’idrogel di PVA al 15% in peso rappresenta una scelta migliore rispetto all’idrogel di PVA all’8% in peso. Sebbene l’idrogel di PVA all’8% in peso abbia un modulo di elasticità inferiore, il che lo rende più morbido e gli conferisce una maggiore capacità di ritenzione idrica con una migliore trasportabilità del materiale, la sua capacità di carico è insufficiente per l’ambiente portante delle articolazioni, rendendolo più soggetto a fatica meccanica o cedimento a causa di una deformazione eccessiva. Al contrario, l’idrogel di PVA al 15% in peso è in grado di simulare meglio il comportamento meccanico viscoelastico della cartilagine articolare grazie alla sua struttura reticolare più densa. Migliora significativamente la rigidità senza sacrificare la viscoelasticità. Nelle applicazioni pratiche, ciò garantisce un assorbimento dell’energia d’urto e una resistenza alla deformazione superiori, proteggendo potenzialmente l’articolazione.
Conclusione
La reologia è un fattore fondamentale per comprendere la relazione tra la microstruttura degli idrogel di PVA e le loro prestazioni applicative a livello macroscopico. I risultati dei test di sweep di ampiezza e di sweep di frequenza sugli idrogel di PVA con diverse concentrazioni mostrano che l'aumento della concentrazione di PVA migliora efficacemente la densità di reticolazione e la resistenza della rete del gel, migliorandone così la capacità di carico e la stabilità strutturale sotto sollecitazioni esterne. Allo stesso tempo, la variazione di concentrazione non ha influito in modo significativo sulla viscoelasticità del materiale, consentendogli di mantenere le buone proprietà di assorbimento dell’energia e fornendo al contempo un supporto meccanico potenziato. Questi risultati dimostrano che le prove reologiche consentono una valutazione quantitativa delle proprietà viscoelastiche degli idrogel e forniscono inoltre indicazioni fondamentali per l’ottimizzazione dei materiali nei processi di selezione e preparazione per specifici scenari applicativi.