Estudo tribológico do hidrogel de PVA com o reômetro Kinexus

Introdução

O hidrogel de álcool polivinílico (PVA), como material polimérico macio de alto desempenho, apresenta amplas perspectivas de aplicação em áreas como a biomedicina, a eletrônica flexível e a engenharia de tecidos, devido à sua excelente biocompatibilidade, propriedades mecânicas ajustáveis e estrutura de rede tridimensional única. Quando esse tipo de hidrogel de PVA, macio e escorregadio, é utilizado como uma potencial cartilagem artificial, surge uma questão crítica: como ele se comporta sob atrito? Tradicionalmente, há muitas máquinas especializadas no mercado para testes tribológicos. No entanto, é menos conhecido que o reômetro que costumamos utilizar para avaliar a viscoelasticidade pode ser facilmente transformado em uma poderosa plataforma de testes tribológicos com o acessório correspondente. Esta Nota de Aplicação apresentará como realizar testes tribológicos de hidrogéis de PVA utilizando nosso reômetro rotacional Kinexus e discutirá as vantagens exclusivas desse método.

Nos testes tribológicos de hidrogéis de PVA, a geometria de contato deve ser selecionada de modo que o sistema tribológico real seja representado com a maior precisão possível em escala de modelo. Para a aplicação aqui descrita, o sistema tribológico real é inerentemente distribuído espacialmente e multiponto, como o contato entre a cabeça femoral e o acetábulo nas articulações humanas. Portanto, um modelo de contato multiponto é mais adequado do que um modelo de contato de ponto único. Para esse fim, o método das três esferas e placa (três esferas posicionadas no mesmo disco em um arranjo triangular equilátero, com o hidrogel fixado na placa inferior) evita efetivamente esse problema. A força normal é distribuída uniformemente pelas três esferas, reduzindo significativamente a concentração local da EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão. O contato de três pontos permite um armazenamento estável e garante um bom contato. Por exemplo, nas articulações humanas, o contato entre a cabeça do fêmur e o acetábulo é, por sua própria natureza, espacialmente distribuído e multiponto. Portanto, o contato de três pontos se aproxima mais do estado fisiológico real do que o contato de um único ponto.

Em combinação com o reômetro, o coeficiente de atrito (CoF) pode ser calculado utilizando a seguinte fórmula:

onde τ é o torque, R é o raio do círculo definido pela posição das três esferas e_Fn é a força normal. Assim, obtemos a curva do coeficiente de atrito, comumente conhecida como curva de Stribeck, quando o coeficiente de atrito (CoF) é representado graficamente em função da velocidade de deslizamento (variando a velocidade de rotação, que representa a velocidade de deslizamento). A curva de Stribeck revela o regime de lubrificação e permite determinar o mecanismo de lubrificação do material em diferentes velocidades, bem como avaliar sua adaptabilidade em condições reais de operação (tais como variações na velocidade de movimento da articulação). Notavelmente, um teste de varredura também pode ser realizado de maneira alternada, ou seja, aumentando continuamente a velocidade de baixa para alta e, em seguida, voltando imediatamente de alta para baixa. Essa abordagem pode revelar se o estado de lubrificação do material é reversível e se existe uma característica de memória de lubrificação [1, 2], o que é de grande valor para simular o movimento de velocidade variável das articulações humanas (como partida, aceleração, desaceleração e parada).

O reômetro rotacional Kinexus permite a expansão simples para uma configuração tribológica destinada a um sistema modelo tribológico. A principal vantagem do reômetro reside em seu controle preciso de velocidade e força normal, conforme detalhado na Tabela 1. Normalmente, os rolamentos das máquinas especializadas em testes de atrito são sempre rolamentos mecânicos, enquanto o reômetro rotacional utiliza tecnologia de rolamento a ar, permitindo velocidades de rotação extremamente baixas, o que possibilita uma simulação mais precisa do atrito em condições estáticas e de movimento em baixa velocidade. Além disso, os sensores de alta precisão do reômetro oferecem maior resolução de torque, o que significa que podemos observar mudanças transitórias mais e small es durante o processo de atrito. O controle de temperatura utilizado em um reômetro é sempre a tecnologia Peltier, com uma precisão de temperatura de ±0,01 °C, capaz de simular o ambiente fisiológico de 37 °C.

Tabela 1: Comparação entre uma máquina especializada para testes de atrito e um reômetro

Medições e resultados

Preparação de um hidrogel de PVA utilizado para ensaio tribológico

A Figura 1a mostra nosso acessório para testes tribológicos. A geometria superior consiste em três esferas de aço inoxidável dispostas em um triângulo equilátero, enquanto a geometria inferior é uma placa com um anel de fixação. É necessário fixar a amostra de teste na placa inferior utilizando o anel de fixação e parafusos. No entanto, no caso do hidrogel de PVA — uma amostra frágil —, essa fixação é limitada e pode causar deformação significativa ou até mesmo ruptura do gel, o que acaba afetando os resultados do teste. Portanto, preparamos o hidrogel de PVA diretamente sobre a placa inferior, garantindo que ele adira firmemente à placa e se integre a ela.

O reômetro foi utilizado durante todo o processo de preparação do hidrogel de PVA. O método específico de preparação foi apresentado na AN 421. Uma solução homogênea de PVA é preparada utilizando uma geometria superior com lâmina de agitação e um sistema de copo de 34 mm (figura 1b). Em seguida, a solução de PVA preparada foi vertida sobre a placa inferior do conjunto tribológico mostrado na figura 1a. Posteriormente, um hidrogel de PVA em massa é fabricado por meio de um método físico de congelamento-descongelamento, empregando uma sequência cíclica de aquecimento e resfriamento (figura 1c). Por fim, forma-se um hidrogel firmemente ligado e integrado à placa inferior (figura 1d). Os testes tribológicos podem então ser realizados no hidrogel de PVA.

Teste tribológico em um hidrogel de PVA

A avaliação tribológica foi realizada em nosso reômetro rotacional Kinexus da NETZSCH, equipado com um conjunto tribológico. Utilizou-se o método de três esferas e placa, com as condições específicas de ensaio detalhadas na Tabela 2. A carga normal foi definida em 0,5 N, e a velocidade de deslizamento foi aplicada em modo de rampa contínua, com a velocidade angular aumentando logaritmicamente de 0,00001 rad/s a 5 rad/s em um tempo de rampa de 1 minuto. Essa faixa de velocidade abrangeu todo o espectro, desde o movimento de deslizamento estático até o deslizamen medium. Foi adotado um modo de varredura para frente e para trás (com velocidade de rotação variável: baixa → alta → baixa). Foram realizados dois ensaios repetidos na mesma amostra para avaliar sistematicamente a confiabilidade do método de ensaio.

Tabela 2: Condições do teste tribológico com três esferas

A Figura 2 mostra as curvas de Stribeck do hidrogel de PVA. O teste empregou um modo de varredura de ida e volta, acelerando continuamente de uma velocidade extremamente baixa de ^10⁻⁷ m/s até 0,1 m/s e, em seguida, desacelerando imediatamente de volta de 0,1 m/s para ^10⁻⁷ m/s. As curvas de dois testes repetidos na mesma amostra se sobrepuseram quase completamente, indicando excelente repetibilidade e estabilidade da amostra.

De acordo com a classificação tribológica convencional de velocidade, a velocidade máxima de 0,1 m/s corresponde à velocidade de deslizamento das articulações durante a marcha humana normal, na faixa de velocidade medium, e não atinge a verdadeira faixa de alta velocidade (por exemplo, corrida ou salto, correspondentes a velocidades acima de 0,1 a 0,3 m/s) [3]. Portanto, este teste concentrou-se, na verdade, nas regiões de baixa velocidade e de velocidade medium, particularmente na região de velocidade extremamente baixa, como ^10⁻⁷ a ^10⁻³ m/s, onde foram coletados os pontos de dados mais densos. Essa região representa os estados fisiológicos críticos durante o início e o microajuste das articulações humanas, oferecendo um valor único para a análise de aplicações.

As curvas exibem uma clara dependência da direção da rampa de velocidade. A curva ascendente, da baixa para a alta velocidade (azul), inicia-se na região de velocidade extremamente baixa com um valor de CoF próximo a 0, e, em seguida, aumenta rapidamente com a velocidade, atinge um pico de cerca de 0,4 a aproximadamente ^10⁻³ m/s e, depois, diminui para quase 0,1 à medida que a velocidade continua a aumentar até 0,1 m/s.

A curva descendente, da velocidade alta para a baixa, começa em 0,1 m/s com um CoF de cerca de 0,1. À medida que a velocidade diminui, o valor do CoF apresenta um certo aumento, atinge um pico de cerca de 0,2 a aproximadamente ^10⁻³ m/s e, em seguida, cai para cerca de 0,05 com a desaceleração adicional até a região de velocidades extremamente baixas. Os picos tanto da curva ascendente quanto da descendente ocorrem próximos ^{a 10⁻³} m/s, mas o valor de pico da curva ascendente é significativamente maior do que o da curva descendente. Essa característica revela o mecanismo de comportamento de lubrificação do hidrogel de PVA durante o movimento em velocidade variável. A rampa ascendente representa o início a partir de um estado inicial sem cisalhamento. À medida que a velocidade aumenta, a superfície do hidrogel passa por todo o processo, desde o contato sólido até o estabelecimento gradual de uma camada de lubrificação hidratada. Existe uma faixa com alto valor de CoF no início da partida. Embora a superfície seja extremamente lisa no estado estático, é necessário superar uma resistência inicial significativa assim que o movimento se inicia. O pico em ^10⁻³ m/s, seguido por flutuações na curva, indica que este é o ponto crítico de transição da lubrificação de fronteira para a lubrificação mista, onde a película lubrificante ainda não foi formada de maneira eficaz, resultando em um CoF elevado e instável. Além desse ponto crítico de velocidade, a camada de hidratação é gradualmente estabelecida, e o CoF diminui proporcionalmente. A rampa descendente representa a desaceleração a partir de um estado totalmente lubrificado. Nesse ponto, a superfície do hidrogel já sofreu cisalhamento em alta velocidade, e a camada de hidratação foi totalmente ativada e permanece estável. Mesmo quando a velocidade diminuiu, essa película lubrificante não desapareceu imediatamente e mantém um CoF extremamente baixo, de 0,05, mesmo na região de velocidades extremamente baixas. Isso revela as características de memória de lubrificação do material. Uma vez que o movimento tenha ocorrido e uma camada de lubrificação hidratada e estável tenha sido estabelecida, o desempenho de lubrificação pode ser mantido mesmo quando a velocidade cai para níveis extremamente baixos, e não há necessidade de restabelecer a película durante o processo contínuo de partida e parada. Isso é particularmente importante para pacientes com atividades intermitentes, como alternar entre ficar sentado e em pé.

Notavelmente, os dados abundantes na faixa de velocidades extremamente baixas deste teste fornecem insights para avaliar o desempenho do material na reabilitação pós-operatória precoce e nas atividades diárias intermitentes. A diferença significativa entre as curvas de rampa ascendente e descendente indica que o desempenho de lubrificação deste hidrogel de PVA exibe uma característica distinta de inicialização e ativação. Há uma resistência inicial durante o início do movimento, mas, uma vez ativado, o desempenho de lubrificação é significativamente aprimorado e pode ser mantido de forma persistente. Embora este hidrogel de PVA não seja um material de implante, essa característica fornece orientações claras para aplicações clínicas. Na reabilitação pós-operatória, a camada lubrificante entre as articulações pode ser rapidamente ativada por meio de movimentos simples antes da atividade, como a flexão e extensão das articulações, evitando alto atrito durante o início do movimento. Ao mesmo tempo, as características de memória de lubrificação do material permitem manter um bom estado de lubrificação durante atividades intermitentes, beneficiando a experiência do paciente nas atividades diárias e a vida útil do material. Esse tipo de teste em velocidade extremamente baixa pode ser limitado com um tribômetro convencional.

Conclusão

Com os recursos de controle preciso e a capacidade de expansão de um reômetro, podemos realizar uma caracterização abrangente, desde o comportamento reológico até o desempenho tribológico, em uma única plataforma. As principais vantagens de um reômetro residem em sua tecnologia de mancal a ar e no sistema de detecção de torque de alta precisão, que permitem medições estáveis em velocidades extremamente baixas — algo difícil de se alcançar com máquinas convencionais de ensaio de atrito com mancais mecânicos. Neste teste, o comportamento de atrito do hidrogel de PVA no regime de velocidades extremamente baixas simula com precisão os estados fisiológicos críticos, tais como o início estático e o microajuste das articulações humanas, e os dados fornecem orientação para a avaliação do desempenho do material na reabilitação pós-operatória inicial e em atividades intermitentes. A curva de rampa ascendente revelou uma janela de inicialização com alto coeficiente de atrito (CoF), e a curva de rampa descendente mostrou características de memória de lubrificação do hidrogel de PVA. Ambas dependem do controle preciso e das capacidades de aquisição de dados do reômetro em velocidades extremamente baixas. Ao estabelecer uma relação entre as velocidades de teste e as atividades fisiológicas, o reômetro não apenas valida o potencial de lubrificação dos hidrogéis de PVA como materiais substitutos da cartilagem, mas também fornece orientação quantitativa para a otimização do material e aplicações clínicas. O reômetro apresenta muitas novas possibilidades para testes tribológicos.