Tribologisch onderzoek naar PVA-hydrogel met behulp van de Kinexus-reometer

Inleiding

Polyvinylalcohol (PVA)-hydrogel, een hoogwaardig zacht polymeermateriaal, biedt brede toepassingsmogelijkheden op gebieden zoals de biogeneeskunde, flexibele elektronica en weefselengineering, dankzij de uitstekende biocompatibiliteit, de aanpasbare mechanische eigenschappen en de unieke driedimensionale netwerkstructuur. Wanneer dit soort zachte en gladde PVA-hydrogel wordt gebruikt als potentieel kunstkraakbeen, rijst een cruciale vraag: hoe presteert het onder wrijving? Traditioneel zijn er talrijke gespecialiseerde wrijvingsmeetapparaten op de markt voor tribologische tests. Het is echter minder bekend dat de reometer die wij doorgaans gebruiken om de visco-elasticiteit te beoordelen, met de bijbehorende accessoires eenvoudig kan worden omgevormd tot een krachtig tribologisch testplatform. In deze toepassingsnota wordt uitgelegd hoe tribologische tests van PVA-hydrogels kunnen worden uitgevoerd met behulp van onze Kinexus-rotatiereometer, en worden de unieke voordelen van deze methode besproken.

Bij tribologische tests van PVA-hydrogels moet de contactgeometrie zodanig worden gekozen dat het werkelijke tribosysteem zo nauwkeurig mogelijk op modelschaal wordt weergegeven. Voor de hier beschreven toepassing is het werkelijke tribosysteem inherent ruimtelijk verdeeld en meerpunts, zoals het contact tussen de femurkop en het heupkom in menselijke gewrichten. Daarom is een meerpuntscontactmodel geschikter dan een enkelpuntscontactmodel. Voor dit doel biedt de drie-kogel-plaatmethode (drie kogels die in een gelijkzijdige driehoek op dezelfde schijf zijn geplaatst, waarbij de hydrogel op de onderste plaat is bevestigd) een effectieve oplossing voor dit probleem. De normaalkracht wordt gelijkmatig over de drie kogels verdeeld, waardoor de lokale spanningsconcentratie aanzienlijk wordt verminderd. Het driepuntscontact maakt een stabiele opstelling mogelijk en waarborgt een goed contact. In menselijke gewrichten is het contact tussen de femurkop en het heupkom bijvoorbeeld van nature ruimtelijk verdeeld en meerpunts. Daarom komt driepuntscontact dichter in de buurt van de werkelijke fysiologische toestand dan enkelpuntscontact.

In combinatie met de reometer kan de wrijvingscoëfficiënt (CoF) worden berekend met behulp van de volgende formule:

waarbij τ het koppel is, R de straal van de cirkel die wordt bepaald door de posities van de drie kogels, en_Fn de normaalkracht. Vervolgens verkrijgen wij de wrijvingscoëfficiëntcurve, die algemeen bekend staat als de Stribeck-curve, wanneer de wrijvingscoëfficiënt (CoF) wordt uitgezet als functie van de glijsnelheid (door de rotatiesnelheid te variëren, die de glijsnelheid vertegenwoordigt). De Stribeck-curve geeft het smeerregime weer en stelt ons in staat het smeermechanisme van het materiaal bij verschillende snelheden te bepalen en de aanpasbaarheid ervan onder reële bedrijfsomstandigheden (zoals variaties in de bewegingssnelheid van het gewricht) te beoordelen. Opvallend is dat een sweep-test ook heen en weer kan worden uitgevoerd, d.w.z. door de snelheid continu te verhogen van laag naar hoog en vervolgens onmiddellijk weer terug van hoog naar laag. Deze aanpak kan aan het licht brengen of de smeringstoestand van het materiaal omkeerbaar is en of er sprake is van een smeergeheugenkarakteristiek [1, 2], wat van grote waarde is voor het simuleren van de beweging met variabele snelheid van menselijke gewrichten (zoals starten, versnellen, vertragen en stoppen).

Met de Kinexus-rotatiereometer kan eenvoudig worden uitgebreid naar een tribologische opstelling voor een tribologisch modelsysteem. Het belangrijkste voordeel van de reometer ligt in de nauwkeurige regeling van de snelheid en de normaalkracht, zoals gedetailleerd weergegeven in tabel 1. Doorgaans zijn de lagers van gespecialiseerde wrijvings testmachines altijd mechanische lagers, terwijl de rotatiereometer gebruikmaakt van luchtlagertechnologie, waardoor extreem lage rotatiesnelheden mogelijk zijn die een nauwkeurigere simulatie van wrijving onder statische en lage-snelheidsbewegingsomstandigheden mogelijk maken. Bovendien bieden de uiterst nauwkeurige sensoren van de reometer een hogere koppelresolutie, wat betekent dat wij meer small tijdelijke veranderingen tijdens het wrijvingsproces kunnen waarnemen. De temperatuurregeling die op een reometer wordt toegepast, is altijd gebaseerd op de Peltier-technologie met een temperatuurnauwkeurigheid van ±0,01 °C, waarmee de fysiologische omgeving van 37 °C kan worden gesimuleerd.

Tabel 1: Vergelijking tussen een gespecialiseerde wrijvings testmachine en een reometer

Metingen en resultaten

Bereiding van een PVA-hydrogel voor tribologische tests

Figuur 1a toont onze opstelling voor tribologische tests. De bovenste opstelling bestaat uit drie roestvrijstalen kogels die in een gelijkzijdige driehoek zijn geplaatst, terwijl de onderste opstelling bestaat uit een plaat met een bevestigingsring. Wij moeten het testmonster met behulp van de bevestigingsring en schroeven op de onderste plaat vastzetten. Voor PVA-hydrogel, een dergelijk kwetsbaar monster, zijn de mogelijkheden voor deze bevestiging echter beperkt, en kan dit leiden tot aanzienlijke vervorming of zelfs scheuren in de gel, wat uiteindelijk de testresultaten beïnvloedt. Daarom hebben wij de PVA-hydrogel rechtstreeks op de onderste plaat bereid, zodat deze stevig aan de plaat hecht en ermee versmelt.

De reometer werd gebruikt voor het gehele bereidingsproces van de PVA-hydrogel. De specifieke bereidingsmethode werd beschreven in AN 421. Een homogene PVA-oplossing wordt bereid met behulp van een bovenste geometrie met roerblad en een 34 mm-beker-systeem (figuur 1b). Vervolgens werd de bereide PVA-oplossing op de onderplaat van de in figuur 1a afgebeelde tribologieset gegoten. Daarna werd een bulk-PVA-hydrogel vervaardigd met behulp van een fysische vries-dooimethode, waarbij gebruik werd gemaakt van een cyclische verwarmings- en afkoelingssequentie (figuur 1c). Uiteindelijk ontstaat een hydrogel die stevig is verbonden met en geïntegreerd in de onderste plaat (figuur 1d). Vervolgens kunnen de tribologische tests worden uitgevoerd op de PVA-hydrogel.

Tribologische test op een PVA-hydrogel

De tribologische evaluatie werd uitgevoerd op onze Kinexus-rotatierheometer van NETZSCH, uitgerust met een tribologieset. Er werd gebruikgemaakt van de drie-kogel-plaatmethode, waarbij de specifieke testomstandigheden in tabel 2 zijn weergegeven. De normale belasting werd ingesteld op 0,5 N en de glijsnelheid werd toegepast in een continue rampmodus, waarbij de hoeksnelheid logaritmisch toenam van 0,00001 rad/s tot 5 rad/s binnen een rampduur van 1 minuut. Dit snelheidsbereik bestreek het gehele spectrum van statische tot medium-snelheidsglijbeweging. Er werd gekozen voor een heen-en-weer-sweepmodus (met wisselende rotatiesnelheid: laag → hoog → laag). Er werden twee herhaalde tests uitgevoerd op hetzelfde monster om de betrouwbaarheid van de testmethode systematisch te evalueren.

Tabel 2: Tribologische testomstandigheden met drie kogels

Figuur 2 toont de Stribeck-curves van de PVA-hydrogel. Bij de test werd gebruikgemaakt van een heen-en-weer-sweepmodus, waarbij continu werd versneld van een uiterst lage snelheid van ^10⁻⁷ m/s tot 0,1 m/s, waarna onmiddellijk weer werd afgeremd van 0,1 m/s tot ^10⁻⁷ m/s. De krommen van twee herhaalde tests op hetzelfde monster overlapten elkaar vrijwel volledig, wat wijst op een uitstekende herhaalbaarheid en stabiliteit van het monster.

Volgens de conventionele tribologische snelheidsclassificatie komt de hoogste snelheid van 0,1 m/s overeen met de glijsnelheid van het gewricht tijdens normaal menselijk lopen, in het bereik van medium, en bereikt deze niet het echte hogesnelheidsbereik (bijvoorbeeld rennen of springen, wat overeenkomt met snelheden boven 0,1 tot 0,3 m/s) [3]. Daarom was deze test in feite gericht op de lage-snelheids- en medium-snelheidsgebieden, met name het gebied met extreem lage snelheden zoals ^10⁻⁷ tot ^10⁻³ m/s, waar de meeste gegevenspunten werden verzameld. Dit gebied vertegenwoordigt de kritieke fysiologische toestanden tijdens het initiëren en de micro-aanpassing van menselijke gewrichten, wat een unieke waarde biedt voor toepassingsanalyse.

De curven vertonen een duidelijke afhankelijkheid van de richting van de snelheidsstijging. De opwaartse curve van lage naar hoge snelheid (blauw) begint in het gebied met extreem lage snelheden met een CoF-waarde dicht bij 0, en neemt vervolgens snel toe met de snelheid, bereikt een piek van ongeveer 0,4 bij circa ^10⁻³ m/s, en daalt daarna tot bijna 0,1 naarmate de snelheid verder toeneemt tot 0,1 m/s.

De dalende curve van hoge naar lage snelheid begint bij 0,1 m/s met een CoF van ongeveer 0,1. Naarmate de snelheid afneemt, vertoont de CoF-waarde een zekere stijging, bereikt deze een piek van ongeveer 0,2 bij circa ^10⁻³ m/s en daalt vervolgens tot ongeveer 0,05 bij verdere vertraging naar het gebied van extreem lage snelheden. De pieken voor zowel de opgaande als de neergaande curve treden op bij ongeveer ^10⁻³ m/s, maar de piekwaarde van de voorwaartse curve is aanzienlijk hoger dan die van de achterwaartse curve. Dit kenmerk onthult het mechanisme achter het smeringsgedrag van de PVA-hydrogel tijdens beweging met variabele snelheid. De opgaande helling vertegenwoordigt het begin vanuit een ongeschoven begintoestand. Naarmate de snelheid toeneemt, doorloopt het hydrogeloppervlak het volledige proces van vast contact tot de geleidelijke vorming van een gehydrateerde smeerlaag. Bij het opstarten is er een periode met hoge CoF-waarden. Hoewel het oppervlak in statische toestand uiterst glad is, moet er een aanzienlijke startweerstand worden overwonnen zodra de beweging begint. De piek bij ^10⁻³ m/s, gevolgd door schommelingen in de curve, geeft aan dat dit het kritieke overgangspunt is van grenssmering naar gemengde smering, waarbij de smeerfilm nog niet effectief is gevormd, wat resulteert in een hoge en onstabiele CoF. Voorbij dit kritieke snelheidspunt wordt de hydratatielaag geleidelijk gevormd en neemt de CoF dienovereenkomstig af. De achterwaartse helling geeft de vertraging weer vanuit een volledig gesmeerde toestand. Op dit punt heeft het hydrogeloppervlak reeds hoge schuifkrachten ondergaan en is de hydratatielaag volledig geactiveerd en blijft deze stabiel. Zelfs wanneer de snelheid afnam, verdween deze smeerfilm niet onmiddellijk en behield deze een uiterst lage CoF van 0,05, zelfs in het gebied van extreem lage snelheden. Dit toont de smeergeheugeneigenschappen van het materiaal aan. Zodra er beweging heeft plaatsgevonden en er een stabiele, gehydrateerde smeerlaag is gevormd, kunnen de smeerprestaties worden gehandhaafd, zelfs wanneer de snelheid tot extreem lage niveaus daalt, en is het niet nodig om tijdens het voortdurende start- en stopproces opnieuw een smeerfilm aan te brengen. Dit is met name van belang voor patiënten met intermitterende activiteiten, zoals afwisselend zitten en staan.

Met name de overvloedige gegevens in het bereik van extreem lage snelheden van deze test bieden inzicht voor het beoordelen van de prestaties van het materiaal tijdens de vroege postoperatieve revalidatie en bij dagelijkse intermitterende activiteiten. Het significante verschil tussen de opwaartse en neerwaartse rampcurves geeft aan dat de smeringsprestaties van deze PVA-hydrogel een duidelijk opstart- en activeringskarakteristiek vertonen. Er is sprake van een startweerstand tijdens de eerste fase, maar zodra het materiaal is geactiveerd, worden de smerende eigenschappen aanzienlijk verbeterd en kunnen deze langdurig worden gehandhaafd. Hoewel deze PVA-hydrogel geen implantaatmateriaal is, biedt deze eigenschap duidelijke richtlijnen voor klinische toepassingen. Tijdens postoperatieve revalidatie kan de smeerlaag tussen gewrichten snel worden geactiveerd door middel van eenvoudige voorbereidende bewegingen, zoals het buigen en strekken van het gewricht, waardoor hoge wrijving tijdens de opstartfase wordt voorkomen. Tegelijkertijd zorgen de smeergeheugeneigenschappen van het materiaal ervoor dat een goede smering behouden blijft tijdens intermitterende activiteiten, wat ten goede komt aan de dagelijkse bewegingservaring van de patiënt en de levensduur van het materiaal. Dit soort tests bij extreem lage snelheden kan met een conventionele tribometer slechts in beperkte mate worden uitgevoerd.

Conclusie

Dankzij de nauwkeurige regelingsmogelijkheden en uitbreidingsmogelijkheden van een reometer kunnen wij op één platform een uitgebreide karakterisering realiseren, variërend van het reologische gedrag tot de tribologische prestaties. De belangrijkste voordelen van een reometer liggen in de luchtlagertechnologie en het uiterst nauwkeurige koppelsensorsysteem, die stabiele metingen bij extreem lage snelheden mogelijk maken – iets wat moeilijk te realiseren is met conventionele mechanische wrijvingsproefmachines met mechanische lagers. In deze test simuleert het wrijvingsgedrag van PVA-hydrogel bij extreem lage snelheden nauwkeurig de kritieke fysiologische toestanden, zoals het statisch in beweging komen en de micro-aanpassingen van menselijke gewrichten, en bieden de gegevens een leidraad voor het evalueren van de materiaalprestaties tijdens de vroege postoperatieve revalidatie en bij intermitterende activiteiten. De voorwaartse rampcurve bracht een startvenster met hoge wrijvingscoëfficiënt (CoF) aan het licht, terwijl de achterwaartse rampcurve de smeergeheugenkenmerken van de PVA-hydrogel aantoonde. Beide zijn afhankelijk van de nauwkeurige regel- en gegevensverzamelmogelijkheden van de reometer bij extreem lage snelheden. Door een verband te leggen tussen testsnelheden en fysiologische activiteiten valideert de reometer niet alleen het smeerpotentieel van PVA-hydrogels als kraakbeenvervangende materialen, maar biedt hij ook kwantitatieve richtlijnen voor materiaaloptimalisatie en klinische toepassingen. De reometer biedt talrijke nieuwe mogelijkheden voor tribologische tests.