Studiu tribologic al hidrogelului PVA cu ajutorul reometrului Kinexus

Introducere

Hidrogelul de alcool polivinilic (PVA), ca material polimeric moale de înaltă performanță, prezintă perspective largi de aplicare în domenii precum biomedicina, electronica flexibilă și ingineria țesuturilor, datorită biocompatibilității sale excelente, proprietăților mecanice reglabile și structurii unice de rețea tridimensională. Atunci când acest tip de hidrogel PVA moale și alunecos este utilizat ca potențial cartilaj artificial, apare o întrebare esențială: cum se comportă acesta în condiții de frecare? În mod tradițional, pe piață există numeroase mașini specializate de testare a frecării pentru teste tribologice. Cu toate acestea, este mai puțin cunoscut faptul că reometrul pe care îl folosim de obicei pentru a evalua viscoelasticitatea poate fi transformat cu ușurință într-o platformă puternică de testare tribologică cu ajutorul accesoriului corespunzător. Această Notă de aplicare va prezenta modul de efectuare a testelor tribologice ale hidrogelurilor PVA folosind reometrul nostru rotativ Kinexus și va discuta avantajele unice ale acestei metode.

În testarea tribologică a hidrogelurilor PVA, geometria de contact trebuie selectată astfel încât sistemul tribologic real să fie reprezentat cât mai precis posibil la scară de model. Pentru aplicația descrisă aici, sistemul tribologic real este, prin natura sa, distribuit spațial și multipunctual, precum contactul dintre capul femural și acetabul în articulațiile umane. Prin urmare, un model de contact multipunctual este mai adecvat decât unul cu un singur punct de contact. În acest scop, metoda celor trei bile și a plăcii (trei bile poziționate pe același disc într-o dispunere de triunghi echilateral, cu hidrogelul fixat pe placa inferioară) evită în mod eficient această problemă. Forța normală este distribuită uniform pe cele trei bile, reducând semnificativ concentrarea locală a tensiunii. Contactul în trei puncte permite o susținere stabilă și asigură un contact bun. De exemplu, în articulațiile umane, contactul dintre capul femural și acetabul este, prin însăși natura sa, distribuit spațial și multipunctual. Prin urmare, contactul în trei puncte se apropie mai mult de starea fiziologică reală decât contactul într-un singur punct.

În combinație cu reometrul, coeficientul de frecare (CoF) poate fi calculat folosind următoarea formulă:

unde τ reprezintă cuplul, R este raza cercului definit de poziția celor trei bile, iar_Fn este forța normală. Apoi, obținem curba coeficientului de frecare, cunoscută în mod obișnuit sub numele de curba Stribeck, atunci când coeficientul de frecare (CoF) este reprezentat grafic ca funcție a vitezei de alunecare (prin varierea vitezei de rotație, care reprezintă viteza de alunecare). Curba Stribeck relevă regimul de lubrifiere și ne permite să determinăm mecanismul de lubrifiere al materialului la viteze diferite și să evaluăm adaptabilitatea acestuia în condiții reale de funcționare (cum ar fi variațiile vitezei de mișcare a articulației). În mod deosebit, un test de baleiaj poate fi efectuat și în mod alternativ, adică prin creșterea continuă a vitezei de la mică la mare și apoi imediat înapoi de la mare la mică. Această abordare poate dezvălui dacă starea de lubrifiere a materialului este reversibilă și dacă există o caracteristică de „memorie de lubrifiere” [1, 2], ceea ce prezintă o mare valoare pentru simularea mișcării cu viteză variabilă a articulațiilor umane (cum ar fi pornirea, accelerarea, decelerarea și oprirea).

Reometrul rotativ Kinexus permite extinderea simplă la o configurație tribologică pentru un sistem model tribologic. Avantajul principal al reometrului constă în precizia controlului vitezei și al forței normale, așa cum este detaliat în Tabelul 1. De obicei, rulmenții mașinilor specializate de testare a frecării sunt întotdeauna rulmenți mecanici, în timp ce reometrul rotativ utilizează tehnologia rulmenților cu aer, permițând viteze de rotație extrem de mici, ceea ce face posibilă o simulare mai precisă a frecării în condiții de mișcare statică și la viteză redusă. În plus, senzorii de înaltă precizie ai reometrului oferă o rezoluție mai mare a cuplului, ceea ce înseamnă că putem observa schimbări tranzitorii mai small e în timpul procesului de frecare. Controlul temperaturii utilizat pe un reometru se bazează întotdeauna pe tehnologia Peltier, cu o precizie a temperaturii de ±0,01 °C, care poate simula mediul fiziologic de 37 °C.

Tabelul 1: Comparație între un aparat specializat de testare a frecării și un reometru

Măsurători și rezultate

Prepararea unui hidrogel de PVA utilizat pentru testarea tribologică

Figura 1a prezintă accesoriul nostru pentru testarea tribologică. Geometria superioară este formată din trei bile din oțel inoxidabil dispuse într-un triunghi echilateral, în timp ce geometria inferioară este o placă prevăzută cu un inel de fixare. Trebuie să fixăm proba de testare pe placa inferioară folosind inelul de fixare și șuruburi. Cu toate acestea, în cazul hidrogelului de PVA, o probă atât de fragilă, această metodă de fixare este limitată și poate provoca deformări semnificative sau chiar ruperea gelului, ceea ce afectează în cele din urmă rezultatele testului. Prin urmare, am preparat hidrogelul de PVA direct pe placa inferioară, asigurându-ne că acesta aderă strâns la placă și se integrează cu aceasta.

Reometrul a fost utilizat pe parcursul întregului proces de preparare a hidrogelului de PVA. Metoda specifică de preparare a fost prezentată în AN 421. Se prepară o soluție omogenă de PVA folosind o geometrie superioară cu paletă de agitare și un sistem de cupă de 34 mm (figura 1b). Apoi, soluția de PVA preparată a fost turnată pe placa inferioară a setului tribologic prezentat în figura 1a. Ulterior, se fabrică un hidrogel de PVA în vrac folosind o metodă fizică de îngheț-dezgheț, care implică o secvență ciclică de încălzire și răcire (figura 1c). În final, se formează un hidrogel strâns legat și integrat cu placa inferioară (figura 1d). Testele tribologice pot fi apoi efectuate pe hidrogelul de PVA.

Test tribologic pe un hidrogel de PVA

Evaluarea tribologică a fost efectuată pe reometrul nostru rotativ Kinexus de la NETZSCH, echipat cu un set tribologic. S-a utilizat metoda cu trei bile și o placă, condițiile specifice de testare fiind detaliate în Tabelul 2. Sarcina normală a fost setată la 0,5 N, iar viteza de alunecare a fost aplicată într-un mod de rampă continuă, cu viteza unghiulară crescând logaritmic de la 0,00001 rad/s la 5 rad/s într-un timp de rampă de 1 minut. Acest interval de viteză a acoperit întregul spectru, de la mișcarea de alunecare statică la cea cu viteză d medium ă. S-a adoptat un mod de baleiaj înainte-înapoi (cu viteză de rotație variabilă: mică → mare → mică). S-au efectuat două teste repetate pe aceeași probă pentru a evalua sistematic fiabilitatea metodei de testare.

Tabelul 2: Condițiile de testare tribologică cu trei bile

Figura 2 prezintă curbele Stribeck ale hidrogelului PVA. Testul a utilizat un mod de baleiaj înainte-înapoi, accelerând continuu de la o viteză extrem de mică de ^10⁻⁷ m/s la 0,1 m/s, apoi decelerând imediat înapoi de la 0,1 m/s la ^10⁻⁷ m/s. Curbele obținute în urma a două teste repetate pe aceeași probă s-au suprapus aproape complet, indicând o repetabilitate excelentă și stabilitatea probei.

Conform clasificării tribologice convenționale a vitezei, viteza maximă de 0,1 m/s corespunde vitezei de alunecare a articulațiilor în timpul mersului uman normal, în intervalul de viteză medium, și nu atinge intervalul de viteză cu adevărat ridicat (de exemplu, alergarea sau săritura, corespunzând unor viteze de peste 0,1 până la 0,3 m/s) [3]. Prin urmare, acest test s-a concentrat de fapt pe regiunile de viteză redusă și de viteză „ medium ”, în special pe regiunea de viteză extrem de redusă, cum ar fi ^10⁻⁷ până la ^10⁻³ m/s, unde au fost colectate cele mai dense puncte de date. Această regiune reprezintă stările fiziologice critice în timpul inițierii și microajustării articulațiilor umane, oferind o valoare unică pentru analiza aplicațiilor.

Curbele prezintă o dependență clară de direcția rampei de viteză. Curba ascendentă de la viteză mică la viteză mare (albastră) începe în domeniul vitezelor extrem de mici, cu o valoare a CoF apropiată de 0, apoi crește rapid odată cu viteza, atinge un maxim de aproximativ 0,4 la circa ^10⁻³ m/s și scade apoi la aproape 0,1 pe măsură ce viteza continuă să crească până la 0,1 m/s.

Curba descendentă de la viteză mare la viteză mică începe la 0,1 m/s, cu un coeficient de frecare (CoF) de aproximativ 0,1. Pe măsură ce viteza scade, valoarea CoF prezintă o anumită creștere, atinge un vârf de aproximativ 0,2 la aproximativ ^10⁻³ m/s, apoi scade la aproximativ 0,05 odată cu decelerarea ulterioară către zona de viteză extrem de redusă. Vârfurile atât pentru curbele ascendente, cât și pentru cele descendente apar în apropierea valori^{i de 10⁻³} m/s, dar valoarea maximă a curbei ascendente este semnificativ mai mare decât cea a curbei descendente. Această caracteristică relevă mecanismul comportamentului de lubrifiere al hidrogelului PVA în timpul mișcării cu viteză variabilă. Rampa ascendentă reprezintă inițierea dintr-o stare inițială fără forfecare. Pe măsură ce viteza crește, suprafața hidrogelului parcurge procesul complet de la contactul solid la formarea treptată a unui strat de lubrifiere hidratat. La pornirea inițială există o fereastră cu valori ridicate ale CoF. Deși suprafața este extrem de netedă în stare statică, odată ce mișcarea începe, trebuie depășită o rezistență semnificativă la pornire. Vârful de la ^10⁻³ m/s, urmat de fluctuații pe curbă, indică faptul că acesta este punctul critic de tranziție de la lubrifierea la limită la lubrifierea mixtă, unde pelicula lubrifiantă nu s-a format încă în mod eficient, ceea ce duce la un CoF ridicat și instabil. Dincolo de acest punct critic de viteză, stratul de hidratare se formează treptat, iar CoF scade în consecință. Rampa descendentă reprezintă decelerarea dintr-o stare complet lubrifiată. În acest moment, suprafața hidrogelului a fost deja supusă unei forțe de forfecare la viteză mare, iar stratul de hidratare a fost complet activat și rămâne stabil. Chiar și atunci când viteza a scăzut, acest film lubrifiant nu dispare imediat și menține un CoF extrem de scăzut, de 0,05, chiar și în zona de viteză extrem de redusă. Acest lucru evidențiază caracteristicile de memorie de lubrifiere ale materialului. Odată ce mișcarea a avut loc și s-a format un strat de lubrifiere hidratat stabil, performanța de lubrifiere poate fi menținută chiar și atunci când viteza scade la niveluri extrem de mici, nefiind necesară refacerea filmului în timpul procesului continuu de pornire și oprire. Acest aspect este deosebit de important pentru pacienții cu activități intermitente, cum ar fi alternarea între poziția șezând și cea în picioare.

În mod deosebit, datele abundente din intervalul de viteză extrem de redusă al acestui test oferă informații utile pentru evaluarea performanței materialului în reabilitarea postoperatorie timpurie și în activitățile zilnice intermitente. Diferența semnificativă dintre curbele de creștere și de scădere indică faptul că performanța de lubrifiere a acestui hidrogel PVA prezintă o caracteristică distinctă de pornire și activare. Există o rezistență inițială la pornire, dar odată activată, performanța de lubrifiere este îmbunătățită semnificativ și poate fi menținută în mod persistent. Deși acest hidrogel PVA nu este un material de implant, această caracteristică oferă îndrumări clare pentru aplicațiile clinice. În reabilitarea postoperatorie, stratul de lubrifiere dintre articulații poate fi activat rapid prin mișcări simple de pregătire, cum ar fi flexia și extensia articulațiilor, evitându-se astfel frecarea ridicată la început. În același timp, caracteristicile de „memorie de lubrifiere” ale materialului permit menținerea unei stări bune de lubrifiere în timpul activităților intermitente, îmbunătățind experiența pacientului în activitățile zilnice și prelungind durata de viață a materialului. Acest tip de test la viteză extrem de redusă poate fi realizat cu un tribometru convențional.

Concluzie

Datorită capacităților de control precis și a posibilităților de extindere ale unui reometru, putem realiza o caracterizare cuprinzătoare, de la comportamentul reologic până la performanța tribologică, pe o singură platformă. Avantajele principale ale unui reometru constau în tehnologia sa cu lagăre pneumatice și în sistemul de detectare a cuplului de înaltă precizie, care permit efectuarea de măsurători stabile la viteze extrem de mici, lucru dificil de realizat cu mașinile convenționale de testare a frecării cu lagăre mecanice. În acest test, comportamentul de frecare al hidrogelului PVA în regimul de viteză extrem de redusă simulează cu precizie stările fiziologice critice, cum ar fi inițierea statică și microajustarea articulațiilor umane, iar datele oferă un ghid pentru evaluarea performanței materialului în reabilitarea postoperatorie timpurie și în activitățile intermitente. Curba de rampă ascendentă a relevat o fereastră de pornire cu un coeficient de frecare (CoF) ridicat, iar curba de rampă descendentă a evidențiat caracteristicile de memorie de lubrifiere ale hidrogelului PVA. Ambele se bazează pe capacitățile de control precis și de achiziție a datelor ale reometrului la viteze extrem de mici. Prin stabilirea unei relații între vitezele de testare și activitățile fiziologice, reometrul nu numai că validează potențialul de lubrifiere al hidrogelurilor PVA ca materiale de substituție a cartilajului, dar oferă și îndrumări cantitative pentru optimizarea materialului și aplicațiile clinice. Reometrul prezintă numeroase posibilități noi pentru testele tribologice.