Badanie tribologiczne hydrożelu PVA przy użyciu reometru Kinexus

Wprowadzenie

Hydrożel z alkoholu poliwinylowego (PVA), jako wysokowydajny miękki materiał polimerowy, wykazuje szerokie perspektywy zastosowań w takich dziedzinach, jak biomedycyna, elektronika elastyczna oraz inżynieria tkankowa, dzięki swojej doskonałej biokompatybilności, regulowanym właściwościom mechanicznym oraz unikalnej trójwymiarowej strukturze sieciowej. Gdy tego rodzaju miękki i śliski hydrożel PVA jest wykorzystywany jako potencjalna sztuczna chrząstka, pojawia się kluczowe pytanie: jak zachowuje się on w warunkach tarcia? Tradycyjnie na rynku dostępnych jest wiele specjalistycznych maszyn do badań tarcia przeznaczonych do testów tribologicznych. Mniej znanym faktem jest jednak to, że reometr, którego zazwyczaj używamy do oceny lepkosprężystości, można łatwo przekształcić w wydajną platformę do badań tribologicznych przy użyciu odpowiedniego osprzętu. W niniejszej notatce aplikacyjnej przedstawimy sposób przeprowadzania badań tribologicznych hydrożeli PVA przy użyciu naszego reometru rotacyjnego Kinexus oraz omówimy wyjątkowe zalety tej metody.

W badaniach tribologicznych hydrożeli PVA należy dobrać geometrię styku tak, aby rzeczywisty układ tribologiczny był jak najdokładniej odwzorowany w skali modelowej. W przypadku opisanego tutaj zastosowania rzeczywisty układ tribologiczny ma z natury charakter przestrzenny i wielopunktowy, podobnie jak kontakt między głową kości udowej a panewką w stawach ludzkich. W związku z tym model styku wielopunktowego jest bardziej odpowiedni niż model styku jednopunktowego. W tym celu metoda trzech kulek i płyty (trzy kulki umieszczone na tym samym dysku w układzie trójkąta równobocznego, z hydrożelem zamocowanym na dolnej płycie) skutecznie pozwala uniknąć tego problemu. Siła normalna jest równomiernie rozłożona na trzy kulki, co znacznie zmniejsza lokalną koncentrację naprężeń. Trójpunktowy kontakt pozwala na stabilne przechowywanie i zapewnia dobry kontakt. Na przykład w stawach ludzkich kontakt między głową kości udowej a panewką jest z natury rozłożony przestrzennie i wielopunktowy. W związku z tym kontakt trzypunktowy bardziej zbliża się do rzeczywistego stanu fizjologicznego niż kontakt jednopunktowy.

W połączeniu z reometrem współczynnik tarcia (CoF) można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

gdzie τ oznacza moment obrotowy, R – promień okręgu wyznaczonego przez położenie trzech kulek, a_Fn – siłę normalną. Następnie otrzymujemy krzywą współczynnika tarcia, powszechnie znaną jako krzywa Stribecka, gdy współczynnik tarcia (CoF) jest przedstawiony jako funkcja prędkości poślizgu (poprzez zmianę prędkości obrotowej, która odpowiada prędkości poślizgu). Krzywa Stribecka ujawnia reżim smarowania i pozwala określić mechanizm smarowania materiału przy różnych prędkościach oraz ocenić jego zdolność adaptacyjną w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych (takich jak zmiany prędkości ruchu połączenia). Warto zauważyć, że badanie typu „sweep” można również przeprowadzić w trybie tam-i-z powrotem, tj. poprzez ciągłe zwiększanie prędkości od niskiej do wysokiej, a następnie natychmiastowe powrót od wysokiej do niskiej. Podejście to pozwala ustalić, czy stan smarowania materiału jest odwracalny oraz czy występuje zjawisko pamięci smarowania [1, 2], co ma ogromne znaczenie dla symulacji ruchu ludzkich stawów o zmiennej prędkości (takiego jak rozpoczęcie ruchu, przyspieszanie, zwalnianie i zatrzymanie).

Reometr obrotowy Kinexus umożliwia łatwą rozbudowę do układu tribologicznego dla modelowego systemu tribologicznego. Główną zaletą reometru jest precyzyjna kontrola prędkości i siły normalnej, co szczegółowo przedstawiono w tabeli 1. Zazwyczaj łożyska w specjalistycznych maszynach do badań tarcia są zawsze łożyskami mechanicznymi, podczas gdy reometr obrotowy wykorzystuje technologię łożysk powietrznych, umożliwiającą uzyskanie wyjątkowo niskich prędkości obrotowych, co pozwala na dokładniejsze symulowanie tarcia w warunkach statycznych oraz przy ruchu o niskiej prędkości. Ponadto precyzyjne czujniki reometru zapewniają wyższą rozdzielczość momentu obrotowego, co oznacza, że można zaobserwować więcej small przejściowych zmian zachodzących podczas procesu tarcia. Regulacja temperatury w reometrze opiera się zawsze na technologii Peltiera o dokładności ±0,01°C, co pozwala na symulację środowiska fizjologicznego o temperaturze 37°C.

Tabela 1: Porównanie specjalistycznej maszyny do badań tarcia i reometru

Pomiary i wyniki

Przygotowanie hydrożelu PVA do badań tribologicznych

Rysunek 1a przedstawia nasze osprzęt do badań tribologicznych. Górna część składa się z trzech kulek ze stali nierdzewnej ułożonych w trójkąt równoboczny, natomiast dolna część to płyta z pierścieniem mocującym. Próbkę badawczą należy zamocować na dolnej płycie za pomocą pierścienia mocującego i śrub. Jednak w przypadku hydrożelu PVA, będącego próbką delikatną, takie mocowanie ma ograniczoną skuteczność i może powodować znaczne odkształcenia, a nawet pęknięcie żelu, co ostatecznie wpływa na wyniki badań. W związku z tym przygotowaliśmy hydrożel PVA bezpośrednio na dolnej płycie, zapewniając jego ścisłe przyleganie do płyty i zintegrowanie z nią.

W całym procesie przygotowania hydrożelu PVA wykorzystano reometr. Szczegółową metodę przygotowania przedstawiono w dokumencie AN 421. Jednorodny roztwór PVA przygotowuje się przy użyciu górnej geometrii z łopatką mieszającą oraz systemu kubków o średnicy 34 mm (rysunek 1b). Następnie przygotowany roztwór PVA wlano na dolną płytkę zestawu tribologicznego pokazanego na rysunku 1a. W dalszej kolejności wytworzono masowy hydrożel PVA przy użyciu fizycznej metody zamrażania i rozmrażania, polegającej na cyklicznej sekwencji ogrzewania i chłodzenia (rys. 1c). W rezultacie powstaje hydrożel ściśle związany i zintegrowany z dolną płytą (rys. 1d). Następnie można przeprowadzić badania tribologiczne na hydrożelu PVA.

Badanie tribologiczne hydrożelu PVA

Ocenę tribologiczną przeprowadzono przy użyciu naszego reometru rotacyjnego Kinexus firmy NETZSCH, wyposażonego w zestaw tribologiczny. Zastosowano metodę z trzema kulkami i płytką, a szczegółowe warunki badania przedstawiono w tabeli 2. Obciążenie normalne ustalono na 0,5 N, a prędkość ślizgania była regulowana w trybie ciągłego narastania, przy czym prędkość kątowa wzrastała logarytmicznie od 0,00001 rad/s do 5 rad/s w ciągu 1 minuty. Zakres ten obejmował całe spektrum ruchów ślizgowych, od statycznych po ruchy o prędkości medium. Zastosowano tryb przemiatania tam i z powrotem (ze zmieniającą się prędkością obrotową: niska → wysoka → niska). Przeprowadzono dwa powtórzone badania na tej samej próbce w celu systematycznej oceny wiarygodności zastosowanej metody badawczej.

Tabela 2: Warunki badania tribologicznego z wykorzystaniem trzech kulek

Na rysunku 2 przedstawiono krzywe Stribecka dla hydrożelu PVA. W badaniu zastosowano tryb ruchu tam i z powrotem, polegający na ciągłym przyspieszaniu od bardzo niskiej prędkości wynoszącej ^10⁻⁷ m/s do 0,1 m/s, a następnie natychmiastowym zwalnianiu z powrotem od 0,1 m/s do ^10⁻⁷ m/s. Krzywe uzyskane w dwóch powtórzonych badaniach tej samej próbki niemal całkowicie się pokrywały, co wskazuje na doskonałą powtarzalność i stabilność próbki.

Zgodnie z konwencjonalną klasyfikacją prędkości trybologicznej najwyższa prędkość wynosząca 0,1 m/s odpowiada prędkości ślizgania się stawów podczas normalnego chodu człowieka, mieszczącej się w zakresie prędkości medium, i nie osiąga prawdziwego zakresu prędkości wysokich (np. bieganie lub skakanie, odpowiadające prędkościom powyżej 0,1–0,3 m/s) [3]. W związku z tym niniejsze badanie skupiało się w rzeczywistości na obszarach niskich i medium prędkości, a w szczególności na obszarze prędkości skrajnie niskich, takich jak ^10⁻⁷ do ^10⁻³ m/s, gdzie zebrano najgęstszą sieć punktów danych. Obszar ten odzwierciedla krytyczne stany fizjologiczne występujące podczas inicjacji i mikroregulacji stawów ludzkich, co stanowi wyjątkową wartość dla analizy zastosowań.

Krzywe wykazują wyraźną zależność od kierunku narastania prędkości. Krzywa wznosząca od niskiej do wysokiej prędkości (niebieska) rozpoczyna się w obszarze prędkości skrajnie niskich, gdzie wartość współczynnika tarcia (CoF) wynosi blisko 0, a następnie gwałtownie rośnie wraz z prędkością, osiąga wartość szczytową około 0,4 przy prędkości około ^10⁻³ m/s, po czym maleje do niemal 0,1 w miarę dalszego wzrostu prędkości do 0,1 m/s.

Krzywa malejąca od dużej do małej prędkości rozpoczyna się przy 0,1 m/s, przy współczynniku tarcia (CoF) wynoszącym około 0,1. W miarę spadku prędkości wartość współczynnika tarcia (CoF) wykazuje pewien wzrost, osiąga wartość szczytową wynoszącą około 0,2 przy prędkości około ^10⁻³ m/s, a następnie spada do około 0,05 w wyniku dalszego spowolnienia w obszarze prędkości skrajnie niskich. Wartości szczytowe zarówno krzywej rosnącej, jak i malejącej występują w pobliżu ^10⁻³ m/s, jednak wartość szczytowa krzywej rosnącej jest znacznie wyższa niż krzywej malejącej. Cecha ta ujawnia mechanizm zachowania hydrożelu PVA w zakresie smarowania podczas ruchu o zmiennej prędkości. Krzywa rosnąca przedstawia początek procesu od stanu początkowego bez ścinania. Wraz ze wzrostem prędkości powierzchnia hydrożelu przechodzi pełny proces od kontaktu w stanie stałym do stopniowego tworzenia się nawilżonej warstwy smarnej. Na początku uruchamiania występuje przedział o wysokich wartościach współczynnika tarcia (CoF). Chociaż w stanie statycznym powierzchnia jest niezwykle gładka, po rozpoczęciu ruchu konieczne jest pokonanie znacznego oporu początkowego. Szczyt przy ^{prędkości 10⁻³} m/s, po którym następują wahania na krzywej, wskazuje, że jest to krytyczny punkt przejścia od smarowania granicznego do smarowania mieszanego, w którym warstwa smarna nie została jeszcze skutecznie utworzona, co skutkuje wysokim i niestabilnym współczynnikiem tarcia (CoF). Po przekroczeniu tego krytycznego punktu prędkości warstwa nawodnienia stopniowo się tworzy, a współczynnik tarcia (CoF) odpowiednio maleje. Opadająca krzywa odzwierciedla hamowanie ze stanu pełnego smarowania. W tym momencie powierzchnia hydrożelu została już poddana szybkiemu ścinaniu, a warstwa nawodnienia została w pełni aktywowana i pozostaje stabilna. Nawet po zmniejszeniu prędkości warstwa smarna nie znika natychmiast i utrzymuje wyjątkowo niski współczynnik tarcia (CoF) wynoszący 0,05 nawet w zakresie prędkości skrajnie niskich. Świadczy to o właściwościach pamięci smarnej tego materiału. Po rozpoczęciu ruchu i utworzeniu stabilnej, uwodnionej warstwy smarującej właściwości smarne mogą być utrzymane nawet przy spadku prędkości do wyjątkowo niskich poziomów, a podczas ciągłego cyklu uruchamiania i zatrzymywania nie ma potrzeby ponownego tworzenia warstwy smarującej. Ma to szczególne znaczenie dla pacjentów wykonujących czynności przerywane, takie jak naprzemienne siedzenie i wstawanie.

Warto zauważyć, że bogate dane zebrane w zakresie prędkości skrajnie niskich w ramach niniejszego badania dostarczają informacji przydatnych do oceny właściwości materiału we wczesnej rehabilitacji pooperacyjnej oraz podczas codziennych czynności wykonywanych w trybie przerywanym. Znacząca różnica między krzywymi narastania w górę i w dół wskazuje, że właściwości smarne tego hydrożelu PVA wykazują wyraźną charakterystykę rozruchu i aktywacji. Podczas początkowej fazy występuje opór rozruchowy, jednak po aktywacji właściwości smarne ulegają znacznemu wzmocnieniu i mogą być utrzymywane w sposób trwały. Chociaż ten hydrożel PVA nie jest materiałem implantacyjnym, cecha ta stanowi jasną wskazówkę dla zastosowań klinicznych. W rehabilitacji pooperacyjnej warstwa smarująca między stawami może zostać szybko aktywowana poprzez proste czynności wstępne, takie jak zgięcie i wyprost stawu, co pozwala uniknąć wysokiego tarcia na początku ruchu. Jednocześnie właściwości pamięci smarowania tego materiału pozwalają na utrzymanie dobrego stanu smarowania podczas czynności wykonywanych z przerwami, co pozytywnie wpływa na komfort codziennego funkcjonowania pacjenta oraz wydłuża żywotność materiału. Tego rodzaju badania przy wyjątkowo niskich prędkościach mogą być ograniczone w przypadku stosowania konwencjonalnego tribometru.

Wnioski

Dzięki precyzyjnym możliwościom sterowania oraz możliwości rozbudowy reometru możemy przeprowadzić kompleksową charakterystykę — od właściwości reologicznych po parametry trybologiczne — na jednej platformie. Główne zalety reometru wynikają z zastosowania technologii łożysk powietrznych oraz precyzyjnego systemu pomiaru momentu obrotowego, które umożliwiają stabilne pomiary przy wyjątkowo niskich prędkościach – co jest trudne do osiągnięcia w przypadku konwencjonalnych mechanicznych maszyn do badań tarcia z łożyskami mechanicznymi. W niniejszym badaniu zachowanie tarcia hydrożelu PVA w zakresie prędkości ekstremalnie niskich precyzyjnie symuluje krytyczne stany fizjologiczne, takie jak statyczne uruchamianie i mikroregulacja ludzkich stawów, a uzyskane dane stanowią wskazówki do oceny właściwości materiału we wczesnej rehabilitacji pooperacyjnej oraz podczas czynności wykonywanych z przerwami. Krzywa narastania w kierunku do przodu ujawniła okno rozruchowe o wysokim współczynniku tarcia (CoF), natomiast krzywa narastania w kierunku do tyłu wykazała właściwości pamięci smarnej hydrożelu PVA. Oba wyniki opierają się na precyzyjnej kontroli i możliwościach rejestracji danych przez reometr przy wyjątkowo niskich prędkościach. Dzięki ustaleniu zależności między prędkościami badawczymi a aktywnością fizjologiczną reometr nie tylko potwierdza potencjał smarny hydrożeli PVA jako materiałów zastępujących chrząstkę, ale także zapewnia ilościowe wytyczne dotyczące optymalizacji materiału i zastosowań klinicznych. Reometr otwiera wiele nowych możliwości w zakresie badań tribologicznych.