Introducere
Hidrogelurile pe bază de alcool polivinilic (PVA) sunt materiale polimerice moi, de înaltă performanță, cu perspective largi de aplicare în domenii precum biomedicina, electronica flexibilă și ingineria țesuturilor, datorită biocompatibilității lor excelente, proprietăților mecanice reglabile și structurii unice de rețea tridimensională. Testarea reologică este o metodă cheie pentru investigarea proprietăților viscoelastice, a structurii rețelei reticulate și a proprietăților mecanice ale hidrogelurilor PVA, jucând un rol semnificativ în înțelegerea relației dintre microstructura unui material și performanța sa macroscopică.
Hidrogelurile PVA prezintă o structură de rețea tridimensională formată prin conectarea lanțurilor moleculare de PVA prin reticulare fizică sau chimică, ceea ce le permite să absoarbă și să rețină cantități substanțiale de apă fără a se dizolva. Hidrogelurile de alcool polivinilic (PVA) prezintă o biocompatibilitate excelentă, fiind netoxice și neiritante, ceea ce le face potrivite pentru aplicații biomedicale. Proprietățile mecanice reglabile ale acestora permit ajustarea caracteristicilor de la moale și elastic la rezistență ridicată și tenacitate ridicată prin modificarea condițiilor de preparare. Hidrofilitatea puternică, combinată cu un conținut ridicat de apă, le conferă proprietăți superioare de transport de masă. Stabilitatea chimică remarcabilă le permite să-și mențină integritatea structurală în diverse medii.
Testarea modulului reologic este esențială pentru a stabili legătura între microstructura hidrogelurilor PVA și performanța lor macroscopică în aplicații, oferind îndrumări directe pentru utilizarea practică a materialului. Modulul de stocare (G') reflectă direct densitatea reticulării materialului și rezistența rețelei. Pentru aplicații care suportă sarcini, precum cartilajul artificial sau ligamentele, o valoare suficient de mare a lui G' indică faptul că materialul își poate menține forma sub sarcină dinamică și poate dispersa eficient tensiunea. În schimb, modulul de pierdere (G'') și factorul de pierdere (tan δ) caracterizează capacitatea materialului de a disipa energia prin vâscozitate. În aplicații precum lubrifierea articulațiilor, o vâscozitate adecvată facilitează absorbția energiei, în timp ce în domeniul eliberării medicamentelor, vâscozitatea poate fi utilizată pentru a controla ratele de eliberare. Determinarea regiunii viscoelastice liniare (Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER) prin teste reologice ajută la evaluarea stabilității structurale a materialului în timpul utilizării efective (de exemplu, îndoirea repetată și frecarea cartilajului artificial). Prin urmare, modulul reologic nu este doar un indicator cantitativ pentru evaluarea proprietăților mecanice ale hidrogelurilor PVA, ci și un criteriu esențial pentru determinarea adecvării acestora pentru aplicații specifice și pentru optimizarea proceselor de preparare.
Măsurători și rezultate
Prepararea unei soluții de PVA
Metoda specifică de preparare este detaliată în Nota de aplicare 421 a NETZSCH. Mai întâi, s-a preparat o soluție omogenă de PVA folosind un agitator cu palete și un vas de 34 mm (figura 1a). Ulterior, s-a obținut un hidrogel PVA în vrac printr-o metodă fizică de îngheț-dezgheț, care implică o secvență ciclică de încălzire și răcire, utilizând sistemul nostru Kinexus (figura 1b). Hidrogelul obținut a fost apoi tăiat în bucăți cu ajutorul unui cuțit (figura 1d). Ulterior, proba a fost încărcată pe reometru (figura 1e) cu control al forței normale pentru a asigura un contact bun între probă și elementele de testare. Apoi, au fost efectuate testele reologice relevante.
Această notă de aplicație nu se concentrează exclusiv asupra efectului conținutului de PVA asupra proprietăților structurale ale hidrogelurilor. Prin urmare, au fost preparate două tipuri de hidrogeluri cu conținuturi diferite de PVA, de 8 % în greutate și 15 % în greutate. Condițiile de îngheț-dezgheț au fost identice pentru cele două probe, așa cum se arată în figura 1b. Secvența include 5 cicluri, iar fiecare ciclu cuprinde: creșterea treptată a temperaturii de la 10 °C la -20 °C cu 1 K/min; menținerea timp de 30 de minute la -20 °C; creșterea treptată a temperaturii de la -20 °C la 10 °C cu 1 K/min; și menținerea timp de 30 de minute la 10 °C.
Încercări mecanice și structurale asupra hidrogelurilor de PVA
Figura 2 prezintă curbele de variație a amplitudinii pentru hidrogelurile PVA cu concentrații de 8% în greutate și 15% în greutate. Rezultatele testelor indică faptul că hidrogelul PVA de 15% în greutate prezintă un modul de stocare, G', mai ridicat și o regiune viscoelastică liniară (Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER) mai extinsă. Modulul de stocare, G', al hidrogelului de PVA de 15% în greutate este semnificativ mai mare decât cel al hidrogelului de PVA de 8% în greutate. Pentru aplicații care suportă sarcini, cum ar fi cartilajul artificial, modulul este un indicator esențial al capacității unui material de a rezista la deformare. Valoarea mai mare a lui G' a hidrogelului de PVA de 15 % în greutate indică o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate de reticulare mai mare și o structură de rețea mai puternică, ceea ce îi permite să ofere o rigiditate mai mare pentru a simula răspunsul mecanic al cartilajului artificial sub sarcini fiziologice. Prin urmare, hidrogelul de PVA cu concentrația de 15 % în greutate imită mai fidel proprietățile mecanice ale cartilajului natural decât hidrogelul de PVA cu concentrația de 8 % în greutate, putând menține spațiul articular și amortiza șocurile mai eficient.
Regiunea viscoelastică liniară (Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER) a hidrogelului de PVA cu concentrația de 15 % în greutate este, de asemenea, mai extinsă decât cea a hidrogelului de PVA cu concentrația de 8 % în greutate, ceea ce indică faptul că acesta își poate menține structura rețelei fără a se perturba pe un interval mai larg de deformație de forfecare și că posedă o stabilitate structurală superioară. Cartilajul artificial din articulațiile umane trebuie să reziste la deformații de forfecare și compresiune pe termen lung, periodice și cu amplitudin large ă, precum cele resimțite la mers sau la ghemuit. O valoare Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER mai mare indică faptul că hidrogelul de PVA cu concentrația de 15 % în greutate își poate menține integritatea rețelei tridimensionale sub deformații de tip „ large ”, fiind astfel mai puțin predispus la cedare sau defectare. Acest lucru asigură durabilitatea pe termen lung și siguranța materialului implantului în condiții complexe de solicitare.
Figura 3 prezintă curbele de baleiaj de frecvență pentru hidrogelurile de PVA la concentrații de 8% în greutate și 15% în greutate. Întregul interval de baleiaj de frecvență reprezintă diferite viteze de mișcare ale articulațiilor umane, de la mersul lent până la alergare. Modulul de stocare al hidrogelului de PVA de 15 % în greutate este mai mare decât cel al hidrogelului de PVA de 8 % în greutate. Acest lucru indică faptul că, în condiții de încărcare dinamică, hidrogelul de PVA de 15 % în greutate poate oferi o rigiditate mai mare pentru a rezista la deformare. Aceasta înseamnă că, fie sub sarcini statice de joasă frecvență, fie sub sarcini de impact de înaltă frecvență, hidrogelul PVA de 15% în greutate poate susține mai eficient greutatea corporală și poate ameliora stresul. Cu toate acestea, unghiurile de fază ale celor două hidrogeluri de PVA sunt, în esență, similare. Acest lucru sugerează că, deși creșterea concentrației de PVA sporește rigiditatea materialului, aceasta nu afectează viscoelasticitatea. Acest lucru implică faptul că, deși oferă un suport mecanic mai puternic, PVA-ul de 15 % în greutate poate menține în continuare performanțele de absorbție a energiei și de amortizare, care sunt similare cu cele ale PVA-ului de 8 % în greutate, cu un conținut mai mare de apă. Această viscoelasticitate adecvată ajută la absorbția eficientă a energiei de impact în timpul mișcării articulației și la protejarea acesteia.
Pe scurt, hidrogelul de PVA cu concentrația de 15 % în greutate reprezintă o opțiune superioară în comparație cu hidrogelul de PVA cu concentrația de 8 % în greutate. Deși hidrogelul de PVA de 8% în greutate are un modul mai mic, fiind mai moale și având un conținut mai ridicat de apă, cu o transportabilitate mai bună a materialului, capacitatea sa de a suporta sarcini este insuficientă pentru mediul articulațiilor care suportă greutatea, ceea ce îl face mai predispus la oboseală mecanică sau la cedare din cauza deformării excesive. În schimb, hidrogelul de PVA de 15 % în greutate poate simula mai bine comportamentul mecanic viscoelastic al cartilajului articular datorită structurii sale reticulare mai dense. Acesta sporește semnificativ rigiditatea fără a sacrifica viscoelasticitatea. În aplicațiile practice, acest lucru asigură o absorbție superioară a energiei de impact și o rezistență superioară la deformare, protejând potențial articulația.
Concluzie
Reologia reprezintă un factor esențial în înțelegerea relației dintre microstructura hidrogelurilor de PVA și performanța lor macroscopică în aplicații. Rezultatele testelor de baleiaj de amplitudine și de baleiaj de frecvență efectuate pe hidrogeluri de PVA cu concentrații diferite arată că creșterea concentrației de PVA îmbunătățește în mod eficient densitatea reticulării și rezistența rețelei gelului, îmbunătățind astfel capacitatea sa de a suporta sarcini și stabilitatea structurală sub acțiunea solicitărilor externe. În același timp, modificarea concentrației nu a afectat în mod semnificativ viscoelasticitatea materialului, permițându-i să-și mențină proprietățile bune de absorbție a energiei, oferind în același timp un suport mecanic îmbunătățit. Aceste rezultate demonstrează că testarea reologică permite evaluarea cantitativă a proprietăților viscoelastice ale hidrogelurilor și oferă, de asemenea, îndrumări esențiale pentru optimizarea materialelor în cadrul proceselor de selecție și preparare pentru scenarii de aplicare specifice.