Трибологическое исследование гидрогеля PVA с использованием реометра Kinexus

Введение

Гидрогель на основе поливинилового спирта (ПВА), являясь высокоэффективным мягким полимерным материалом, обладает широкими перспективами применения в таких областях, как биомедицина, гибкая электроника и тканевая инженерия, благодаря своей превосходной биосовместимости, регулируемым механическим свойствам и уникальной трехмерной сеточной структуре. Когда такой мягкий и скользкий гидрогель ПВА используется в качестве потенциального искусственного хряща, возникает важный вопрос: как он ведет себя в условиях трения? Традиционно на рынке представлено множество специализированных машин для испытаний на трение, предназначенных для трибологических исследований. Однако мало кому известно, что реометр, который мы обычно используем для оценки вязкоупругости, с помощью соответствующего приспособления можно легко превратить в мощную платформу для трибологических испытаний. В данном примечании по применению будет описано, как проводить трибологические испытания гидрогелей ПВА с использованием нашего ротационного реометра Kinexus, а также будут рассмотрены уникальные преимущества данного метода.

При трибологических испытаниях гидрогелей ПВА геометрия контакта должна быть подобрана таким образом, чтобы реальная трибосистема была как можно точнее представлена в модельном масштабе. В случае, описываемом в данном документе, реальная трибосистема по своей сути является пространственно распределённой и многоточечной, подобно контакту между головкой бедренной кости и вертлужной впадиной в суставах человека. Поэтому многоточечная модель контакта является более подходящей, чем одноточечная. Для этой цели метод «три шарика-пластина» (три шарика, расположенные на одном диске в виде равностороннего треугольника, при этом гидрогель закреплён на нижней пластине) позволяет эффективно избежать этой проблемы. Нормальная сила равномерно распределяется между тремя шариками, что значительно снижает локальную концентрацию напряжения. Трехточечный контакт обеспечивает стабильное удержание и гарантирует надёжный контакт. Например, в суставах человека контакт между головкой бедренной кости и вертлужной впадиной по своей сути является пространственно распределённым и многоточечным. Поэтому трёхточечный контакт более точно отражает реальное физиологическое состояние, чем одноточечный.

В сочетании с реометром коэффициент трения (CoF) можно рассчитать по следующей формуле:

где τ — крутящий момент, R — радиус окружности, определяемой положением трёх шариков, а_Fn — нормальная сила. Затем мы получаем кривую коэффициента трения, широко известную как кривая Стрибека, когда коэффициент трения (CoF) отображается в зависимости от скорости скольжения (путём изменения скорости вращения, которая отражает скорость скольжения). Кривая Стрибека показывает режим смазки и позволяет определить механизм смазки материала при различных скоростях, а также оценить его адаптивность в реальных условиях эксплуатации (таких как колебания скорости движения соединения). Примечательно, что испытание с плавным изменением скорости можно также проводить в режиме «туда-обратно», т. е. плавно увеличивая скорость от низкой до высокой, а затем немедленно возвращаясь от высокой к низкой. Такой подход позволяет установить, является ли состояние смазки материала обратимым и существует ли характеристика «памяти смазки» [1, 2], что представляет большую ценность для моделирования движения суставов человека с переменной скоростью (такого как начало движения, ускорение, замедление и остановка).

Ротационный реометр Kinexus позволяет легко преобразовать его в трибологическую установку для моделирования трибологических систем. Основное преимущество реометра заключается в точном регулировании скорости и нормальной силы, как подробно показано в таблице 1. Как правило, в специализированных установках для испытаний на трение используются механические подшипники, тогда как в ротационном реометре применяется технология воздушных подшипников, что позволяет достигать чрезвычайно низких скоростей вращения и, следовательно, более точно моделировать трение в условиях статического состояния и движения с низкой скоростью. Кроме того, высокоточные датчики реометра обеспечивают более высокое разрешение по крутящему моменту, что позволяет наблюдать более small переходных изменений в процессе трения. Регулирование температуры в реометре всегда осуществляется с помощью технологии Пельтье с точностью ±0,01 °C, что позволяет моделировать физиологическую среду с температурой 37 °C.

Таблица 1: Сравнение специализированного испытательного станка для измерения трения и реометра

Измерения и результаты

Получение гидрогеля ПВА для трибологических испытаний

На рисунке 1а показан наш приспособление для трибологических испытаний. Верхняя часть конструкции состоит из трёх шариков из нержавеющей стали, расположенных в виде равностороннего треугольника, а нижняя часть представляет собой пластину с крепежным кольцом. Испытуемый образец необходимо закрепить на нижней пластине с помощью крепежного кольца и винтов. Однако в случае с гидрогелем ПВА, являющимся хрупким образцом, возможности такого крепления ограничены, что может привести к значительной деформации или даже разрыву геля, что, в конечном итоге, повлияет на результаты испытаний. Поэтому мы подготовили гидрогель ПВА непосредственно на нижней пластине, обеспечив его плотное прилегание к пластине и слияние с ней.

На протяжении всего процесса подготовки гидрогеля ПВА использовался реометр. Конкретный метод подготовки был описан в документе AN 421. Однородный раствор ПВА готовят с использованием верхней геометрии в виде перемешивающей лопатки и системы чашек диаметром 34 мм (рисунок 1b). Затем приготовленный раствор ПВА выливают на нижнюю пластину трибологической установки, показанной на рисунке 1а. Впоследствии с помощью физического метода замораживания-размораживания, предполагающего циклическую последовательность нагрева и охлаждения, изготавливается объемный гидрогель ПВА (рисунок 1в). В результате образуется гидрогель, прочно сцепленный и интегрированный с нижней пластиной (рис. 1d). После этого на гидрогеле ПВА можно проводить трибологические испытания.

Трибологические испытания гидрогеля на основе ПВА

Трибологическая оценка проводилась на нашем ротационном реометре Kinexus компании NETZSCH, оснащённом трибологическим комплектом. Использовался метод «три шарика и пластина», при этом конкретные условия испытаний подробно приведены в таблице 2. Нормальная нагрузка была установлена на уровне 0,5 Н, а скорость скольжения регулировалась в режиме плавного нарастания, при этом угловая скорость логарифмически увеличивалась от 0,00001 рад/с до 5 рад/с в течение 1 минуты. Данный диапазон скоростей охватывал весь спектр — от статического до скользящего движения со скоростью medium. Был выбран режим «туда-обратно» (с изменением скорости вращения: низкая → высокая → низкая). Для систематической оценки надежности метода испытаний на одном и том же образце было проведено два повторных испытания.

Таблица 2: Условия трибологического испытания с использованием трёх шариков

На рисунке 2 представлены кривые Стрибека гидрогеля PVA. В ходе испытания использовался режим «туда-обратно» с непрерывным ускорением от крайне низкой скорости ^10⁻⁷ м/с до 0,1 м/с, а затем немедленным замедлением обратно от 0,1 м/с до ^10⁻⁷ м/с. Кривые, полученные в ходе двух повторных испытаний одного и того же образца, практически полностью совпали, что свидетельствует об отличной воспроизводимости результатов и стабильности образца.

Согласно общепринятой трибологической классификации скоростей, максимальная скорость 0,1 м/с соответствует скорости скольжения суставов при нормальной ходьбе человека, находящейся в диапазоне скоростей medium, и не достигает диапазона истинных высоких скоростей (например, бег или прыжки, соответствующие скоростям выше 0,1–0,3 м/с) [3]. Поэтому данное испытание фактически было сосредоточено на низкоскоростной и medium-скоростной областях, в особенности на области крайне низких скоростей, таких как ^{10⁻⁷–10⁻³} м/с, где было собрано наибольшее количество точек данных. Эта область отражает критические физиологические состояния во время запуска и микрорегулировки суставов человека, что представляет уникальную ценность для анализа применения.

Кривые демонстрируют явную зависимость от направления нарастания скорости. Восходящая кривая от низкой к высокой скорости (синяя) начинается в области чрезвычайно низких скоростей со значением коэффициента трения (CoF), близким к 0, затем быстро возрастает с увеличением скорости, достигает пика около 0,4 при скорости примерно ^10⁻³ м/с, а затем снижается почти до 0,1 по мере дальнейшего увеличения скорости до 0,1 м/с.

Кривая, описывающая снижение коэффициента трения от высокой к низкой скорости, начинается при скорости 0,1 м/с с коэффициентом трения (CoF) около 0,1. По мере снижения скорости значение коэффициента трения демонстрирует определённое увеличение, достигает пика около 0,2 при скорости примерно ^10⁻³ м/с, а затем снижается до значения около 0,05 при дальнейшем замедлении в области крайне низких скоростей. Пиковые значения как для восходящей, так и для нисходящей кривых наблюдаются вблизи ^10⁻³ м/с, однако пиковое значение восходящей кривой значительно превышает пиковое значение нисходящей кривой. Данная характеристика раскрывает механизм смазывающего поведения гидрогеля ПВА при движении с переменной скоростью. Восходящий участок кривой отражает начало процесса из исходного состояния без сдвига. По мере увеличения скорости поверхность гидрогеля проходит полный процесс от твердого контакта до постепенного формирования гидратированного смазочного слоя. В момент начального запуска наблюдается интервал с высокими значениями коэффициента трения (CoF). Несмотря на то что в статическом состоянии поверхность чрезвычайно гладкая, при начале движения необходимо преодолеть значительное стартовое сопротивление. Пик при ^{скорости 10⁻³} м/с, за которым следуют колебания на кривой, указывает на то, что это критическая точка перехода от пограничной смазки к смешанной смазке, когда смазочная пленка ещё не сформировалась эффективно, что приводит к высокому и нестабильному значению CoF. За пределами этой критической точки скорости гидратированный слой постепенно формируется, и коэффициент трения (CoF) соответственно снижается. Обратный наклон кривой отражает замедление из состояния полной смазки. На этом этапе поверхность гидрогеля уже подверглась высокоскоростному сдвигу, а гидратированный слой полностью активировался и остается стабильным. Даже при снижении скорости эта смазочная пленка не исчезает сразу и сохраняет чрезвычайно низкий коэффициент трения (CoF) — 0,05 — даже в области крайне низких скоростей. Это свидетельствует о наличии у материала свойств «памяти смазки». После начала движения и формирования стабильного гидратированного смазочного слоя смазочные свойства сохраняются даже при снижении скорости до крайне низких значений, и нет необходимости в повторном образовании пленки во время непрерывного цикла запуска и остановки. Это особенно важно для пациентов, выполняющих прерывистые действия, такие как чередование положения сидя и стоя.

Примечательно, что обширные данные, полученные в диапазоне крайне низких скоростей в ходе данного испытания, позволяют оценить характеристики материала в условиях ранней послеоперационной реабилитации и повседневной прерывистой активности. Значительное различие между кривыми нарастания и спада указывает на то, что смазочные свойства данного гидрогеля ПВА демонстрируют отчетливую характеристику запуска и активации. В начале движения наблюдается стартовое сопротивление, однако после активации смазочные свойства значительно улучшаются и могут стабильно поддерживаться. Хотя данный гидрогель на основе ПВА не является материалом для имплантатов, эта характеристика дает четкие ориентиры для клинического применения. В ходе послеоперационной реабилитации смазочный слой между суставами можно быстро активировать с помощью простых предварительных действий, таких как сгибание и разгибание суставов, что позволяет избежать высокого трения на начальном этапе. В то же время свойства «памяти смазки» материала позволяют поддерживать хорошее состояние смазки во время прерывистых нагрузок, что благоприятно сказывается на повседневной активности пациента и продлевает срок службы материала. Проведение подобных испытаний на крайне низких скоростях с помощью обычного трибометра может быть ограничено.

Заключение

Благодаря возможностям точного управления и расширяемости реометра мы можем провести всестороннюю характеристику — от реологических свойств до трибологических характеристик — на одной платформе. Основные преимущества реометра заключаются в технологии воздушных подшипников и высокоточной системе измерения крутящего момента, которые обеспечивают стабильность измерений при чрезвычайно низких скоростях — что трудно достичь с помощью традиционных испытательных машин с механическими подшипниками трения. В данном испытании поведение гидрогеля ПВА при трении в режиме крайне низких скоростей точно моделирует критические физиологические состояния, такие как статическое запускание и микрорегулировка суставов человека, а полученные данные служат ориентиром для оценки характеристик материала на ранних этапах послеоперационной реабилитации и при выполнении прерывистых действий. Кривая нарастания скорости в прямом направлении продемонстрировала диапазон высоких начальных значений коэффициента трения (CoF), а кривая нарастания скорости в обратном направлении показала характеристики «памяти смазки» гидрогеля ПВА. Обе кривые основаны на возможностях реометра по точному управлению и сбору данных при чрезвычайно низких скоростях. Установив взаимосвязь между скоростями испытаний и физиологическими процессами, реометр не только подтверждает смазочный потенциал гидрогелей ПВА в качестве материалов-заменителей хряща, но и предоставляет количественные рекомендации для оптимизации материалов и их клинического применения. Реометр открывает множество новых возможностей для трибологических испытаний.