Inleiding
Polyvinylalcohol (PVA)-hydrogels zijn hoogwaardige, zachte polymeermaterialen met brede toepassingsmogelijkheden op gebieden zoals de biogeneeskunde, flexibele elektronica en weefselengineering, dankzij hun uitstekende biocompatibiliteit, instelbare mechanische eigenschappen en unieke driedimensionale netwerkstructuur. Reologische tests zijn een belangrijke methode voor het onderzoeken van de visco-elastische eigenschappen, de verknoopte netwerkstructuur en de mechanische eigenschappen van PVA-hydrogels, en spelen een belangrijke rol bij het begrijpen van de relatie tussen de microstructuur van een materiaal en de macroscopische prestaties.
PVA-hydrogels hebben een driedimensionale netwerkstructuur die wordt gevormd door PVA-molecuulketens met elkaar te verbinden via fysische of chemische verknoping, waardoor ze aanzienlijke hoeveelheden water kunnen opnemen en vasthouden zonder op te lossen. Polyvinylalcohol (PVA)-hydrogels vertonen een uitstekende biocompatibiliteit, zijn niet-toxisch en niet-irriterend, waardoor ze geschikt zijn voor biomedische toepassingen. Dankzij de instelbare mechanische eigenschappen kunnen de kenmerken worden aangepast van zacht en elastisch tot hoge sterkte en hoge taaiheid door de bereidingsomstandigheden te wijzigen. De sterke hydrofiliciteit in combinatie met een hoog watergehalte zorgt voor superieure massatransporteigenschappen. Door de uitstekende chemische stabiliteit behoudt het zijn structurele integriteit in diverse omgevingen.
Het testen van de reologische modulus is van cruciaal belang om de microstructuur van PVA-hydrogels te koppelen aan hun macroscopische prestaties in de praktijk, en biedt directe richtlijnen voor praktische materiaaltoepassingen. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus (G') geeft direct de verknopingsdichtheid en de sterkte van het netwerk van het materiaal weer. Voor toepassingen waarbij het materiaal belasting moet dragen, zoals kunstmatig kraakbeen of ligamenten, geeft een voldoende hoge G'-waarde aan dat het materiaal zijn vorm kan behouden onder dynamische belasting en spanning effectief kan verdelen. Omgekeerd karakteriseren de Viskeuze modulusDe complexe modulus (viskeuze component), verliesmodulus of G'', is het "imaginaire" deel van de totale complexe modulus van het monster. Deze viskeuze component geeft de vloeistofachtige, of uit fase, respons van het te meten monster aan. verliesmodulus (G'') en de verliesfactor (tan δ) het vermogen van het materiaal om energie via viscositeit af te voeren. Bij toepassingen zoals de smering van gewrichten bevordert een geschikte viscositeit de energieabsorptie, terwijl op het gebied van de afgifte van geneesmiddelen de viscositeit kan worden gebruikt om de afgiftesnelheden te regelen. Het bepalen van het lineair visco-elastische gebied (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER) via reologische tests helpt bij het beoordelen van de structurele stabiliteit van het materiaal tijdens daadwerkelijk gebruik (bijv. herhaaldelijk buigen en wrijving van kunstmatig kraakbeen). Daarom is de reologische modulus niet alleen een kwantitatieve indicator voor het evalueren van de mechanische eigenschappen van PVA-hydrogels, maar ook een kerncriterium voor het bepalen van hun geschiktheid voor specifieke toepassingen en voor het optimaliseren van bereidingsprocessen.
Metingen en resultaten
Bereiding van een PVA-oplossing
De specifieke bereidingsmethode wordt gedetailleerd beschreven in de toepassingsnota 421 van de NETZSCH. Eerst werd een homogene PVA-oplossing bereid met behulp van een peddelroerder en een beker van 34 mm (figuur 1a). Vervolgens werd bulk-PVA-hydrogel vervaardigd via een fysische vries-dooimethode, waarbij gebruik werd gemaakt van een cyclische verwarmings- en afkoelingssequentie met behulp van onze Kinexus (figuur 1b). De resulterende bulkhydrogel werd vervolgens met een mes in stukken gesneden (figuur 1d). Daarna werd het monster op de reometer geplaatst (figuur 1e) met regeling van de normaalkracht om een goed contact tussen het monster en de meetopstellingen te waarborgen. Vervolgens werden de relevante reologische tests uitgevoerd.
Deze toepassingsnota richt zich niet uitsluitend op het effect van het PVA-gehalte op de structurele eigenschappen van hydrogels. Daarom werden twee soorten hydrogels met verschillende PVA-gehaltes, namelijk 8 gew.% en 15 gew.%, bereid. De bevriezings- en ontdooiingsomstandigheden waren voor beide monsters identiek, zoals weergegeven in figuur 1b. De reeks omvat 5 cycli en elke cyclus omvat: een temperatuurstijging van 10 °C naar -20 °C met een snelheid van 1 K/min; 30 minuten vasthouden bij -20 °C; een temperatuurstijging van -20 °C naar 10 °C met een snelheid van 1 K/min; en 30 minuten vasthouden bij 10 °C.
Mechanische en structurele tests op PVA-hydrogels
Figuur 2 toont de amplitudevariatiecurven voor PVA-hydrogels met concentraties van 8 gew.% en 15 gew.%. De testresultaten geven aan dat de 15 gew.% PVA-hydrogel een hogere Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, G', en een breder Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.lineair visco-elastisch gebied (LVER) vertoont. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus, G', van de PVA-hydrogel met 15 gew.% is aanzienlijk hoger dan die van de PVA-hydrogel met 8 gew.%. Voor toepassingen waarbij het materiaal belasting moet dragen, zoals kunstmatig kraakbeen, is de modulus een belangrijke indicator voor het vermogen van een materiaal om vervorming te weerstaan. De hogere G'-waarde van de 15-wt% PVA-hydrogel duidt op een hogere verknopingsdichtheid en een sterkere netwerkstructuur, waardoor deze een grotere stijfheid kan bieden om de mechanische respons van kunstmatig kraakbeen onder fysiologische belastingen te simuleren. Daarom bootst de 15-wt% PVA-hydrogel de mechanische eigenschappen van natuurlijk kraakbeen beter na dan de 8-wt% PVA-hydrogel, waardoor de gewrichtsruimte mogelijk beter behouden blijft en schokken effectiever worden opgevangen.
Het lineair visco-elastische gebied (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER) van de 15 gew.-% PVA-hydrogel is ook breder dan dat van de 8 gew.-% PVA-hydrogel, wat aangeeft dat deze zijn netwerkstructuur zonder verstoring kan behouden over een groter bereik van afschuifvervorming, en een superieure structurele stabiliteit bezit. Kunstmatig kraakbeen in menselijke gewrichten moet langdurige, periodieke en large-amplitude afschuif- en drukspanningen doorstaan, zoals die optreden bij het lopen of hurken. Een breder Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER-bereik geeft aan dat de 15-wt% PVA-hydrogel de integriteit van zijn driedimensionale netwerk kan behouden onder large vervormingen, waardoor het minder vatbaar is voor vervorming of falen. Dit waarborgt de duurzaamheid en veiligheid op lange termijn van het implantaatmateriaal onder complexe spanningsomstandigheden.
Figuur 3 toont de frequentiesweepcurves voor PVA-hydrogels met concentraties van 8 gew.% en 15 gew.%. Het gehele frequentiebereik vertegenwoordigt verschillende bewegingssnelheden van menselijke gewrichten, van langzaam lopen tot rennen. De Elasticiteit en elasticiteitsmodulusRubberelasticiteit of entropie-elasticiteit beschrijft de weerstand van een rubber- of elastomeersysteem tegen een extern toegepaste vervorming of rek. opslagmodulus van de 15 gew.% PVA-hydrogel is hoger dan die van de 8 gew.% PVA-hydrogel. Dit geeft aan dat de 15 gew.% PVA-hydrogel onder dynamische belastingsomstandigheden een grotere stijfheid kan bieden om vervorming te weerstaan. Dit betekent dat de 15-gew.% PVA-hydrogel, zowel bij statische belastingen met lage frequentie als bij impactbelastingen met hoge frequentie, het lichaamsgewicht effectiever kan ondersteunen en spanning kan verlichten. De fasehoeken van de twee PVA-hydrogels komen echter in wezen overeen. Dit suggereert dat, hoewel het verhogen van de PVA-concentratie de stijfheid van het materiaal vergroot, dit geen invloed heeft op de visco-elasticiteit. Dit impliceert dat de 15-wt% PVA, terwijl deze sterkere mechanische ondersteuning biedt, toch energieabsorptie en dempingsprestaties kan behouden die vergelijkbaar zijn met die van de 8-wt% PVA met een hoger watergehalte. Deze passende visco-elasticiteit helpt bij het effectief absorberen van stootenergie tijdens gewrichtsbewegingen en het beschermen van het gewricht.
Kortom, de PVA-hydrogel met 15 gewichtsprocent is een betere keuze dan de PVA-hydrogel met 8 gewichtsprocent. Hoewel de 8-wt% PVA-hydrogel een lagere modulus heeft, wat betekent dat deze zachter is en meer water bevat, waardoor het materiaal beter transporteerbaar is, is het draagvermogen ervan onvoldoende voor de gewichtdragende omgeving van gewrichten, waardoor het gevoeliger is voor mechanische vermoeidheid of falen als gevolg van overmatige vervorming. Daarentegen kan de PVA-hydrogel met 15 gew.% het visco-elastische mechanische gedrag van gewrichtskraakbeen beter nabootsen dankzij de dichtere netwerkstructuur. Deze verbetert de stijfheid aanzienlijk zonder in te boeten aan visco-elasticiteit. In praktische toepassingen zorgt dit voor een superieure absorptie van impactenergie en weerstand tegen vervorming, wat het gewricht mogelijk beschermt.
Conclusie
Reologie is een cruciale factor voor het begrijpen van het verband tussen de microstructuur van PVA-hydrogels en hun macroscopische prestaties bij toepassing. De resultaten van amplitude- en frequentiesweep-tests op PVA-hydrogels met verschillende concentraties tonen aan dat het verhogen van de PVA-concentratie de verknopingsdichtheid en de netwerksterkte van de gel effectief verbetert, waardoor het draagvermogen en de structurele stabiliteit onder externe belasting worden verbeterd. Tegelijkertijd had de verandering in concentratie geen significante invloed op de visco-elasticiteit van het materiaal, waardoor het zijn goede energieabsorberende eigenschappen behield en tegelijkertijd verbeterde mechanische ondersteuning bood. Deze resultaten tonen aan dat reologische tests een kwantitatieve evaluatie van de visco-elastische eigenschappen van hydrogels mogelijk maken en tevens cruciale richtlijnen bieden voor materiaaloptimalisatie bij screening- en bereidingsprocessen voor specifieke toepassingsscenario’s.