ハイドロゲルの摩耗機構解明～低摩耗な生体代替素材の創製に向けて

阐明水凝胶的磨损机制 - 致力于创建低磨损生物替代材料

• 批准号: 22K14170
• 负责人: 八島 慎太郎
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14170/
• 关键词: ハイドロゲル; 摩耗; 摩擦; ポリビニルアルコール; 全有機炭素測定; 紫外分光法; 全有機炭素; 表面パターニング

ハイドロゲルは一般的に柔軟で高含水率であり、優れた低摩擦性を示す。そのため、人工関節軟骨などの優れた滑り運動特性が求められる生体組織の代替物質として応用が期待される。これまでにゲルの滑り摩擦については数多くの研究がなされてきているが、ゲルを摩擦させたときに必然的に生じる「摩耗」については、詳しく調べられてこなかった。既往研究の多くは、滑り運動後の表面観察像や摩擦係数の時間変化などから摩耗の程度の大小を判断するにとどまり、定量性のある結果は非常に少ない。なぜなら、ゲルは空気中では容易に乾燥して収縮し、水中では摩耗部が膨潤してしまうため、重量測定や形状観察ではいずれも精確に摩耗量を測定できないためである。また、ゲルの微小な摩耗は検出すること自体が困難である。こういった理由から、材料としてゲルを応用するために摩耗は必須の評価項目であるが、定量性に欠ける議論しか成されてこなかった。ポリビニルアルコール(PVA)ゲルについて、摩擦後のゲル本体ではなく、潤滑液中に存在する摩耗粒子に着目し、ゲルの摩耗量が2つの手法で測定可能であることを示した。PVAの未鹸化部が紫外吸収(280nm)をもつことから、紫外分光法により潤滑液中の摩耗粒子由来のポリマー濃度を測定し、ゲルの摩耗量を定量的に求めることができた。また、潤滑液の全有機炭素測定(TOC)を行うことで、摩耗粒子の炭素量からゲルの摩耗量がより高感度で測定できることを示した。一般的に低摩耗とされるゲルの摩耗を初めて精確に定量できたと考えられる。PVAゲルの表面形状が摩耗に及ぼす効果をこれらの手法により確かめたところ、平滑なガラスを相手基板にした場合、凹みの表面構造もつゲルでは平坦なゲルに比べて潤滑液中に放出される摩耗粒子濃度が低いことが示された。

水凝胶通常是柔韧性的，水含量高，并且具有出色的低摩擦特性。因此，预计将用作生物组织的替代物质，该物质需要出色的滑动运动特征，例如人造关节软骨。尽管到目前为止已经对凝胶的滑动摩擦进行了许多研究，但在没有进行摩擦时不可避免地发生的“磨损”尚未详细研究。许多先前的研究仅根据滑动运动和摩擦系数的时间变化后的表面观察图像来确定磨损程度，而定量结果很少。这是因为凝胶很容易干燥并在空气中缩小，并在水中穿零件肿胀，因此它们无法使用重量测量或形状观察来准确地测量磨损量。此外，很难发现凝胶本身的小磨损。由于这些原因，磨损是将凝胶涂抹作为材料的必不可少的评估项目，但仅进行了缺乏定量性的讨论。关于聚乙烯醇（PVA）凝胶，我们专注于润滑液体中存在的磨损颗粒，而不是摩擦后凝胶的主体，并表明可以使用两种方法测量凝胶的磨损量。由于PVA的未屈服部分具有紫外线吸收（280 nm），因此通过紫外线光谱法测量了从润滑液中的磨料颗粒得出的聚合物的浓度，并且可以定量确定凝胶的磨损量。此外，通过测量润滑液体的总有机碳（TOC），已经表明，凝胶的磨损量可以根据磨蚀颗粒中的碳量来测量较高的敏感性。据信，通常认为凝胶的磨损通常被认为是首次量化的。当使用这些技术验证PVA凝胶表面形状对磨损的影响时，表明当将光滑的玻璃用作反底物时，具有凹入表面结构的凝胶的凝胶浓度低于释放到润滑液体中的浓度，而不是在扁平凝胶中。

项目成果

Wear Evaluation of Poly(vinyl alcohol) Hydrogel by UV Spectrometry and Total Organic Carbon Measurement of Lubricant

• DOI: 10.1007/s11249-022-01672-6
• 发表时间: 2022-11
• 期刊: Tribology Letters
• 影响因子: 3.2
• 作者: H. Takefuji;Hiroki Iwama;M. Annaka;Shintaro Yashima