Original title: Studium biotribologických vlastností hydrogelů pro náhradu kloubní chrupavky
Translated title: An investigation of biotribological performance of hydrogels for cartilage replacement
Authors: Němeček, Daniel ; Daniel, Matej (referee) ; Nečas, David (advisor)
Document type: Master’s theses
Year: 2025
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract: [eng] [cze]
Kloubní chrupavka, jedinečné přírodní ložisko, které podporuje naši pohybovou činnost po celý život – aniž bychom si toho byli vědomi. Nevýhodou této bezúdržbové funkce je, že jakmile dojde k poškození chrupavky, nedokáže se sama opravit. Existuje mnoho přístupů k léčbě chrupavky. Mezi hlavní inženýrské přístupy je vytvoření její umělé náhrady – napodobeniny chrupavky. K tomuto účelu se zkoumají materiály na bázi vody (hydrogely). Ty však čelí zásadnímu problému: jak spojit vysokou pevnost materiálu s nízkým třením a odolností proti opotřebení. Cílem této práce bylo pokusit se objasnit, jak tuhost hydrogelu ovlivňuje jeho odolnost proti opotřebení a odhalit související třecí mechanismy. Bylo zjištěno, že hydrogel, který byl dlouho zatížen (podobně jako při sezení na židli), vykazuje třecí mechanismus jiné chování (dochází totiž k přímému kontaktu spolu zabírajících povrchů), než plně hydratovaný hydrogel při pohybu, kde jsou povrchy převážně oddělené tenkou mazací vrstvou (podobně jako při chůzi nebo běhu). Mazací vlastnosti pevné fáze hydrogelu souvisely s jeho polymerní strukturou. Polymerní struktura způsobovala buď abrazivní tření, nebo ochranné adhezivní tření. Při dominantě kapalinovém mazání jsou pro nízké tření zásadní vlastnosti jako obsah vody v hydrogelu a jeho propustnost. Závěrem bylo zjištěno, že poddajné hydrogely vytvářejí na povrchu odolnou polymerní vrstvu („polymerový kartáč“), která přispívá k menšímu opotřebení. A to jak v případě přímého kontaktu povrchů, tak v kapalinné fázi. Naopak tužší hydrogely zpravidla vykazují horší vlastnosti kvůli nedostatku vyčnívajících polymerních řetězců na povrchu, což vede k nadměrnému opotřebení. Articular cartilage, a superior nature’s bearing, is a hidden treasure supporting us throughout our very lives, without us even noticing. The downside of such maintainless function is that once the cartilage is damaged, it cannot repair itself. Approaches to cartilage’ treatment are many. An engineering one is to make a cartilage-like replica as its replacement. For that water-based materials (hydrogel) have been studied – dealing with a prevailing issue of combining a high strength material with wear-resistant low frictional surface. The aim of the present work was to find out how hydrogel stiffness affects its resistance to wear and reveal the corresponding frictional mechanisms. It was found that hydrogel that was preloaded for a long time (e.g. sitting), exhibits a different frictional mechanism – corresponded to its solid friction properties, than rehydrated hydrogel in motion – corresponded to fluid load properties (e.g. walking, running). The lubricating properties of the hydrogel’s solid phase were associated with cross-linking polymer structure inducing either abrasive friction or non-destructive adhesion friction. For dominant fluid lubrication, properties such as hydrogel’ water content and water permeability are crucial for low friction. In conclusion, compliant hydrogels were found to create wear-resistant polymer brush layer – contributing both to better lubrication at solid (boundary) and fluid (biphasic) phase dominant lubrication. Stiffer hydrogels usually perform worse due to deficiency of protruding polymers to the surface, resulting in excessive wear.
Keywords: biotribologie; dvojfázové mazání; hydrogel; mezné mazání; opotřebení; pHEMA; PVA; tření; umělá chrupavka; artificial cartilage; biotribology; biphasic lubrication; boundary lubrication; friction; hydrogel; pHEMA; PVA; wear

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/251875

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-774325


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Master’s theses