Введение
Гидрогели на основе поливинилового спирта (ПВА) представляют собой высокоэффективные мягкие полимерные материалы, обладающие широкими перспективами применения в таких областях, как биомедицина, гибкая электроника и тканевая инженерия, благодаря своей превосходной биосовместимости, регулируемым механическим свойствам и уникальной трехмерной сетчатой структуре. Реологические испытания являются ключевым методом исследования вязкоупругих свойств, сшитой сетевой структуры и механических характеристик гидрогелей ПВА, играя важную роль в понимании взаимосвязи между микроструктурой материала и его макроскопическими характеристиками.
Гидрогели ПВА характеризуются трехмерной сеточной структурой, образованной соединением молекулярных цепей ПВА посредством физического или химического сшивания, что позволяет им поглощать и удерживать значительные объемы воды, не растворяясь. Гидрогели на основе поливинилового спирта (ПВА) обладают превосходной биосовместимостью, нетоксичны и не вызывают раздражения, что делает их пригодными для применения в биомедицине. Благодаря регулируемым механическим свойствам характеристики гидрогелей можно варьировать от мягких и эластичных до высокопрочных и высокоударных путем изменения условий получения. Высокая гидрофильность в сочетании с большим содержанием воды обеспечивает им превосходные свойства массопереноса. Выдающаяся химическая стабильность позволяет им сохранять структурную целостность в различных средах.
Испытания реологического модуля имеют решающее значение для установления связи между микроструктурой гидрогелей ПВА и их макроскопическими эксплуатационными характеристиками, что дает прямые рекомендации для практического применения материала. Модуль хранения (G') напрямую отражает плотность сшивания материала и прочность сетки. Для применений, предполагающих нагрузку, таких как искусственный хрящ или связки, достаточно высокое значение G' указывает на то, что материал способен сохранять свою форму под динамической нагрузкой и эффективно распределять напряжение. Напротив, модуль потерь (G'') и коэффициент потерь (tan δ) характеризуют способность материала рассеивать энергию за счет вязкости. В таких областях, как смазка суставов, соответствующая вязкость способствует поглощению энергии, тогда как в сфере контролируемого высвобождения лекарственных веществ вязкость можно использовать для регулирования скорости высвобождения. Определение линейно-вязкоупругой области (Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER) с помощью реологических испытаний помогает оценить структурную стабильность материала в реальных условиях эксплуатации (например, при многократном изгибе и трении искусственного хряща). Таким образом, реологический модуль является не только количественным показателем для оценки механических свойств гидрогелей ПВА, но и ключевым критерием для определения их пригодности к конкретным применениям и оптимизации процессов их получения.
Измерения и результаты
Приготовление раствора ПВА
Конкретный метод приготовления подробно описан в приложении № 421 к руководству по применению системы « NETZSCH ». Сначала был приготовлен однородный раствор ПВА с использованием лопастного мешалки и чашки диаметром 34 мм (рисунок 1а). Затем был получен объемный гидрогель ПВА с помощью физического метода замораживания-размораживания, включающего циклическую последовательность нагрева и охлаждения с использованием нашего прибора Kinexus (рис. 1b). Полученный объемный гидрогель затем разрезали на куски с помощью ножа (рис. 1d). После этого образец устанавливали в реометр (рис. 1e) с регулировкой нормальной силы, чтобы обеспечить хороший контакт между образцом и измерительными элементами. Затем проводились соответствующие реологические испытания.
В данном практическом руководстве внимание уделяется не только влиянию содержания ПВА на структурные свойства гидрогелей. Поэтому были приготовлены два типа гидрогелей с различным содержанием ПВА — 8% по массе и 15% по массе. Условия замораживания-размораживания для обоих образцов были одинаковыми, как показано на рисунке 1b. Последовательность включала 5 циклов, каждый из которых состоял из: повышения температуры от 10 °C до -20 °C со скоростью 1 К/мин; выдержки в течение 30 минут при -20 °C; постепенный переход от -20 °C до 10 °C со скоростью 1 К/мин; и выдержку в течение 30 минут при 10 °C.
Механические и структурные испытания гидрогелей ПВА
На рисунке 2 представлены кривые амплитудного сканирования для гидрогелей ПВА с концентрациями 8% по массе и 15% по массе. Результаты испытаний показывают, что гидрогель ПВА с концентрацией 15% по массе демонстрирует более высокий модуль хранения G' и более широкую линейную вязкоупругую область (Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER). Модуль хранения G' гидрогеля ПВА с концентрацией 15% по массе значительно выше, чем у гидрогеля ПВА с концентрацией 8% по массе. Для применений, связанных с переносом нагрузки, таких как искусственный хрящ, этот модуль является ключевым показателем способности материала сопротивляться деформации. Более высокое значение G' гидрогеля PVA с концентрацией 15% по массе свидетельствует о более высокой плотности сшивания и более прочной сетчатой структуре, что позволяет ему обеспечивать большую жесткость для имитации механического поведения искусственного хряща при физиологических нагрузках. Таким образом, гидрогель ПВА с концентрацией 15 % по массе более точно имитирует механические свойства естественного хряща, чем гидрогель ПВА с концентрацией 8 % по массе, что потенциально позволяет более эффективно сохранять суставную щель и амортизировать удары.
Линейно-вязкоупругая область (Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER) гидрогеля с 15-процентным содержанием ПВА также шире, чем у гидрогеля с 8-процентным содержанием ПВА, что свидетельствует о его способности сохранять сетевую структуру без разрушения в более широком диапазоне сдвиговых деформаций и обладать более высокой структурной стабильностью. Искусственный хрящ в суставах человека должен выдерживать длительные, периодические и с амплитудой large сдвиговые и сжимающие деформации, подобные тем, которые возникают при ходьбе или приседании. Более широкий диапазон Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER указывает на то, что гидрогель ПВА с концентрацией 15 % по массе способен сохранять целостность своей трехмерной сети при деформациях с переменной скоростью ( large ), что делает его менее подверженным пластической деформации или разрушению. Это обеспечивает долговечность и безопасность материала имплантата в условиях сложных режимов нагружения.
На рисунке 3 показаны кривые частотного сканирования для гидрогелей ПВА с концентрациями 8% и 15% по массе. Весь диапазон частотного сканирования соответствует различным скоростям движения суставов человека — от медленной ходьбы до бега. Модуль хранения гидрогеля PVA с концентрацией 15% по массе выше, чем у гидрогеля PVA с концентрацией 8% по массе. Это указывает на то, что в условиях динамической нагрузки гидрогель PVA с концентрацией 15% по массе может обеспечить большую жесткость для сопротивления деформации. Это означает, что как при низкочастотных статических нагрузках, так и при высокочастотных ударных нагрузках гидрогель с концентрацией ПВА 15% по массе способен более эффективно выдерживать вес тела и снижать нагрузку. Однако фазовые углы двух гидрогелей ПВА практически совпадают. Это свидетельствует о том, что, хотя увеличение концентрации ПВА повышает жесткость материала, оно не влияет на его вязкоупругость. Из этого следует, что, обеспечивая более прочную механическую поддержку, гидрогель с 15-процентным содержанием ПВА по-прежнему способен сохранять характеристики поглощения энергии и амортизации, аналогичные характеристикам гидрогеля с 8-процентным содержанием ПВА, имеющего большее содержание воды. Такая оптимальная вязкоупругость помогает эффективно поглощать энергию удара во время движения сустава и защищать его.
Таким образом, гидрогель с содержанием ПВА 15 % по массе является более предпочтительным выбором по сравнению с гидрогелем с содержанием ПВА 8 % по массе. Хотя гидрогель ПВА с концентрацией 8% по массе имеет более низкий модуль упругости, что делает его более мягким и способным удерживать больше воды, а также обеспечивает лучшую транспортабельность материала, его несущая способность недостаточна для условий суставов, несущих вес, что делает его более подверженным механической усталости или разрушению из-за чрезмерной деформации. Напротив, гидрогель PVA с концентрацией 15% по массе благодаря более плотной структуре сети может лучше имитировать вязкоупругое механическое поведение суставного хряща. Он значительно повышает жесткость без ущерба для вязкоупругости. В практическом применении это обеспечивает превосходное поглощение энергии удара и сопротивление деформации, что потенциально способствует защите сустава.
Заключение
Реология является ключевым фактором для понимания взаимосвязи между микроструктурой гидрогелей ПВА и их макроскопическими эксплуатационными характеристиками. Результаты испытаний гидрогелей ПВА с различной концентрацией, проведенных методом амплитудного и частотного сканирования, показывают, что увеличение концентрации ПВА эффективно повышает плотность сшивания и прочность сетки геля, тем самым улучшая его несущую способность и структурную стабильность при воздействии внешних нагрузок. В то же время изменение концентрации не оказало существенного влияния на вязкоупругие свойства материала, что позволило ему сохранить хорошие характеристики поглощения энергии при одновременном обеспечении повышенной механической поддержки. Эти результаты демонстрируют, что реологические испытания позволяют проводить количественную оценку вязкоупругих свойств гидрогелей, а также дают важные рекомендации по оптимизации материалов на этапах отбора и подготовки для конкретных сценариев применения.