Introduzione
L’idrogel di alcol polivinilico (PVA), in quanto materiale polimerico morbido ad alte prestazioni, presenta ampie prospettive di applicazione in settori quali la biomedicina, l’elettronica flessibile e l’ingegneria tissutale, grazie alla sua eccellente biocompatibilità, alle proprietà meccaniche regolabili e alla struttura reticolare tridimensionale unica nel suo genere. Quando questo tipo di idrogel di PVA, morbido e scivoloso, viene utilizzato come potenziale cartilagine artificiale, sorge una domanda fondamentale: come si comporta in condizioni di attrito? Tradizionalmente, sul mercato sono disponibili numerose macchine specializzate per le prove di attrito destinate ai test tribologici. Tuttavia, è meno noto che il reometro che solitamente utilizziamo per valutare la viscoelasticità possa essere facilmente trasformato in una potente piattaforma di prova tribologica con l’accessorio corrispondente. La presente nota applicativa illustrerà come condurre prove tribologiche sugli idrogel di PVA utilizzando il nostro reometro rotazionale Kinexus e discuterà i vantaggi esclusivi di questo metodo.
Nelle prove tribologiche degli idrogel di PVA, la geometria di contatto deve essere selezionata in modo tale che il sistema tribologico reale sia rappresentato nel modo più accurato possibile su scala modellistica. Per l’applicazione qui descritta, il sistema tribologico reale è intrinsecamente distribuito nello spazio e multipunto, come il contatto tra la testa del femore e l’acetabolo nelle articolazioni umane. Pertanto, un modello di contatto multipunto risulta più appropriato rispetto a un modello a punto singolo. A tal fine, il metodo a tre sfere e piastra (tre sfere posizionate sullo stesso disco in una disposizione a triangolo equilatero, con l’idrogel fissato sulla piastra inferiore) risolve efficacemente questo problema. La forza normale viene distribuita uniformemente sulle tre sfere, riducendo significativamente la concentrazione locale della sollecitazione. Il contatto a tre punti consente una conservazione stabile e garantisce un buon contatto. Ad esempio, nelle articolazioni umane, il contatto tra la testa del femore e l’acetabolo è, per sua stessa natura, distribuito spazialmente e multipunto. Pertanto, il contatto a tre punti si avvicina maggiormente allo stato fisiologico effettivo rispetto al contatto a punto singolo.
In combinazione con il reometro, il coefficiente di attrito (CoF) può essere calcolato utilizzando la seguente formula:
dove τ è la coppia, R è il raggio del cerchio definito dalla posizione delle tre sfere eFn è la forza normale. Si ottiene quindi la curva del coefficiente di attrito, comunemente nota come curva di Stribeck, quando il coefficiente di attrito (CoF) viene rappresentato graficamente in funzione della velocità di scorrimento (variando la velocità di rotazione, che rappresenta la velocità di scorrimento). La curva di Stribeck rivela il regime di lubrificazione e consente di determinare il meccanismo di lubrificazione del materiale a diverse velocità, nonché di valutarne l’adattabilità in condizioni operative reali (quali le variazioni della velocità di movimento dell’articolazione). In particolare, è possibile eseguire una prova di scansione anche con movimento alternato, ovvero aumentando continuamente la velocità da bassa ad alta e poi riportandola immediatamente da alta a bassa. Questo approccio consente di stabilire se lo stato di lubrificazione del materiale sia reversibile e se esista una caratteristica di memoria di lubrificazione [1, 2], il che riveste grande importanza per la simulazione del movimento a velocità variabile delle articolazioni umane (come l’avvio, l’accelerazione, la decelerazione e l’arresto).
Il reometro rotazionale Kinexus consente di espandere facilmente la configurazione per un sistema modello tribologico. Il vantaggio principale del reometro risiede nel controllo preciso della velocità e della forza normale, come illustrato in dettaglio nella Tabella 1. In genere, i cuscinetti delle macchine specializzate per le prove di attrito sono sempre di tipo meccanico, mentre il reometro rotazionale utilizza la tecnologia dei cuscinetti ad aria, consentendo velocità di rotazione estremamente basse che permettono una simulazione più accurata dell’attrito in condizioni di movimento statico e a bassa velocità. Inoltre, i sensori ad alta precisione del reometro offrono una maggiore risoluzione della coppia, il che significa che è possibile osservare variazioni transitorie più small durante il processo di attrito. Il controllo della temperatura utilizzato su un reometro si basa sempre sulla tecnologia Peltier con una precisione di ±0,01 °C, in grado di simulare l’ambiente fisiologico a 37 °C.
Tabella 1: Confronto tra una macchina di prova dell’attrito specializzata e un reometro
| Parametro | Esempio di macchina di prova dell’attrito specializzata disponibile in commercio | NETZSCH Reometro rotazionale Kinexus |
|---|---|---|
| Precisione della forza normale | ±0,1 N | ±0,01 N |
| Risoluzione della coppia | 0,1 mNm (100.000 nNm) | 0,1 nMm |
| Intervallo di velocità | 0,1 - 2.000 giri/min | 10⁻⁷ - 4.700 giri/min |
| Velocità di trasmissione dati | da 10 a 100 Hz | 5000 Hz |
| Precisione della temperatura | ±0,5 °C | ±0,1 °C |
Misurazioni e risultati
Preparazione di un idrogel di PVA utilizzato per prove tribologiche
La Figura 1a mostra il nostro accessorio per le prove tribologiche. La struttura superiore è costituita da tre sfere in acciaio inossidabile disposte a formare un triangolo equilatero, mentre quella inferiore è costituita da una piastra dotata di un anello di fissaggio. È necessario fissare il campione di prova alla piastra inferiore utilizzando l’anello di fissaggio e le viti. Tuttavia, nel caso dell’idrogel di PVA, trattandosi di un campione fragile, tale fissaggio risulta limitato e può causare una deformazione significativa o addirittura la rottura del gel, influenzando in ultima analisi i risultati della prova. Pertanto, abbiamo preparato l’idrogel di PVA direttamente sulla piastra inferiore, assicurandoci che aderisse saldamente alla piastra e si integrasse con essa.
Il reometro è stato utilizzato per l’intero processo di preparazione dell’idrogel di PVA. Il metodo di preparazione specifico è stato illustrato nella norma AN 421. Si prepara una soluzione omogenea di PVA utilizzando una geometria superiore con pala di agitazione e un sistema a coppa da 34 mm (figura 1b). Successivamente, la soluzione di PVA preparata è stata versata sulla piastra inferiore del set tribologico illustrato nella figura 1a. In seguito, è stato realizzato un idrogel di PVA in massa mediante un metodo fisico di congelamento-scongelamento che impiega una sequenza ciclica di riscaldamento e raffreddamento (figura 1c). Infine, si forma un idrogel saldamente legato e integrato con la piastra inferiore (figura 1d). È quindi possibile condurre le prove tribologiche sull’idrogel di PVA.
Prova tribologica su un idrogel di PVA
La valutazione tribologica è stata condotta utilizzando il nostro reometro rotazionale Kinexus dell’ NETZSCH, dotato di un kit tribologico. È stato impiegato il metodo a tre sfere e piastra, con condizioni di prova specifiche descritte in dettaglio nella Tabella 2. Il carico normale è stato impostato a 0,5 N e la velocità di scorrimento è stata applicata in modalità a rampa continua, con la velocità angolare che aumentava in modo logaritmico da 0,00001 rad/s a 5 rad/s entro un tempo di rampa di 1 minuto. Questo intervallo di velocità copriva l’intero spettro dal movimento di scorrimento statico a quello a velocità medium. È stata adottata una modalità di scansione avanti e indietro (con velocità di rotazione variabile: bassa → alta → bassa). Sono state condotte due prove ripetute sullo stesso campione per valutare sistematicamente l’affidabilità del metodo di prova.
Tabella 2: Condizioni di prova tribologica a tre sfere
| Metodo di prova | rSolution_0032 Valutazione delle proprietà lubrificanti e del coefficiente di attrito mediante tribologia per configurazioni a 3 sfere |
|---|---|
| Geometria | Tre sfere (in acciaio inossidabile) su cella tribologica a piastra KNX2282 |
| Temperatura | 25 °C |
| Forza normale | 0,5 N |
| Intervallo di velocità | 0,00001~5 rad/s |
| Tempo di rampa della velocità | 1 min |
La Figura 2 mostra le curve di Stribeck dell’idrogel di PVA. Il test ha utilizzato una modalità di scansione avanti e indietro, accelerando continuamente da una velocità estremamente bassa di 10⁻⁷ m/s a 0,1 m/s, per poi decelerare immediatamente da 0,1 m/s a 10⁻⁷ m/s. Le curve ottenute da due prove ripetute sullo stesso campione si sovrapponevano quasi completamente, indicando un’eccellente ripetibilità e stabilità del campione.
Secondo la classificazione tribologica convenzionale delle velocità, la velocità massima di 0,1 m/s corrisponde alla velocità di scorrimento articolare durante la normale deambulazione umana, nell’ medium, e non raggiunge il vero intervallo delle alte velocità (ad esempio, la corsa o il salto, corrispondenti a velocità superiori a 0,1–0,3 m/s) [3]. Pertanto, questa prova si è effettivamente concentrata sulle regioni a bassa velocità e a velocità medium, in particolare sulla regione a velocità estremamente bassa compresa tra 10⁻⁷ e 10⁻³ m/s, dove sono stati raccolti i punti dati più densi. Questa regione rappresenta gli stati fisiologici critici durante l’avvio e la micro-regolazione delle articolazioni umane, offrendo un valore unico per l’analisi applicativa.
Le curve mostrano una chiara dipendenza dalla direzione della rampa di velocità. La curva ascendente dalla bassa alla alta velocità (blu) ha inizio nella regione delle velocità estremamente basse con un valore di CoF prossimo a 0, per poi aumentare rapidamente con l’aumentare della velocità, raggiungere un picco di circa 0,4 a circa 10⁻³ m/s e infine diminuire fino a quasi 0,1 man mano che la velocità continua ad aumentare fino a 0,1 m/s.
La curva discendente dalla velocità elevata a quella bassa ha inizio a 0,1 m/s con un coefficiente di attrito (CoF) pari a circa 0,1. Man mano che la velocità diminuisce, il valore del CoF mostra un certo aumento, raggiunge un picco di circa 0,2 a circa 10⁻³ m/s, per poi scendere a circa 0,05 in seguito a un’ulteriore decelerazione verso la regione delle velocità estremamente basse. I picchi sia della curva ascendente che di quella discendente si verificano in prossimità di 10⁻³ m/s, ma il valore di picco della curva in avanti è significativamente superiore a quello della curva all’indietro. Questa caratteristica rivela il meccanismo del comportamento lubrificante dell’idrogel di PVA durante il movimento a velocità variabile. La rampa ascendente rappresenta l’inizio da uno stato iniziale non sottoposto a taglio. Con l’aumentare della velocità, la superficie dell’idrogel subisce il processo completo che va dal contatto solido alla graduale formazione di uno strato lubrificante idratato. All’avvio iniziale si osserva un intervallo caratterizzato da valori elevati del CoF. Sebbene la superficie sia estremamente liscia allo stato statico, una volta avviato il movimento è necessario superare una notevole resistenza iniziale. Il picco a 10⁻³ m/s, seguito da fluttuazioni lungo la curva, indica che questo è il punto di transizione critico dalla lubrificazione al limite alla lubrificazione mista, in cui il film lubrificante non si è ancora formato in modo efficace, con conseguente CoF elevato e instabile. Oltre questo punto critico di velocità, lo strato di idratazione si forma gradualmente e il CoF diminuisce di conseguenza. La rampa discendente rappresenta la decelerazione da uno stato di piena lubrificazione. A questo punto, la superficie dell’idrogel ha già subito uno sforzo di taglio ad alta velocità e lo strato di idratazione è stato completamente attivato e rimane stabile. Anche quando la velocità diminuisce, questo film lubrificante non scompare immediatamente e mantiene un CoF estremamente basso, pari a 0,05, persino nella regione delle velocità estremamente basse. Ciò evidenzia le caratteristiche di memoria lubrificante del materiale. Una volta che il movimento ha avuto luogo e si è formato uno strato lubrificante idratato stabile, le prestazioni di lubrificazione possono essere mantenute anche quando la velocità scende a livelli estremamente bassi, e non è necessario ricostituire il film durante il processo continuo di avvio e arresto. Ciò è particolarmente importante per i pazienti che svolgono attività intermittenti, quali l’alternanza tra posizione seduta e in piedi.
In particolare, i numerosi dati raccolti nella regione delle velocità estremamente basse di questo test forniscono indicazioni utili per valutare le prestazioni del materiale nella riabilitazione postoperatoria precoce e nelle attività quotidiane intermittenti. La differenza significativa tra le curve di rampa ascendente e discendente indica che le prestazioni lubrificanti di questo idrogel di PVA presentano una caratteristica distintiva di avvio e attivazione. Si riscontra una resistenza iniziale durante l’avvio, ma una volta attivata, le prestazioni lubrificanti risultano significativamente migliorate e possono essere mantenute in modo persistente. Sebbene questo idrogel di PVA non sia un materiale per impianti, tale caratteristica fornisce una chiara indicazione per le applicazioni cliniche. Nella riabilitazione postoperatoria, lo strato lubrificante tra le articolazioni può essere rapidamente attivato attraverso semplici movimenti preliminari, quali la flessione e l’estensione articolare, evitando così un elevato attrito durante la fase iniziale. Allo stesso tempo, le caratteristiche di «memoria lubrificante» del materiale consentono di mantenere un buono stato di lubrificazione durante le attività intermittenti, a vantaggio dell’esperienza del paziente nelle attività quotidiane e della durata del materiale. Questo tipo di prova a velocità estremamente bassa può essere limitata con un tribometro convenzionale.
Conclusione
Grazie alle capacità di controllo preciso e alle possibilità di espansione offerte da un reometro, è possibile ottenere una caratterizzazione completa, dal comportamento reologico alle prestazioni tribologiche, su un’unica piattaforma. I vantaggi principali di un reometro risiedono nella sua tecnologia a cuscinetti ad aria e nel sistema di rilevamento della coppia ad alta precisione, che consentono misurazioni stabili a velocità estremamente basse, difficili da ottenere con le tradizionali macchine di prova meccaniche basate sull’attrito dei cuscinetti. In questa prova, il comportamento di attrito dell’idrogel di PVA nel regime di velocità estremamente basse simula con precisione gli stati fisiologici critici quali l’innesco statico e il micro-adattamento delle articolazioni umane; i dati raccolti forniscono inoltre una guida per la valutazione delle prestazioni del materiale nella riabilitazione postoperatoria precoce e nelle attività intermittenti. La curva di rampa in avanti ha rivelato una finestra di avvio con elevato coefficiente di attrito (CoF), mentre la curva di rampa all’indietro ha evidenziato le caratteristiche di memoria lubrificante dell’idrogel di PVA. Entrambe si basano sulle capacità di controllo preciso e di acquisizione dati del reometro a velocità estremamente basse. Stabilendo una relazione tra le velocità di prova e le attività fisiologiche, il reometro non solo convalida il potenziale lubrificante degli idrogel di PVA come materiali sostitutivi della cartilagine, ma fornisce anche indicazioni quantitative per l’ottimizzazione dei materiali e le applicazioni cliniche. Il reometro offre numerose nuove possibilità per le prove tribologiche.