Analysis of the tribological properties of polyvinyl alcohol hydrogels for articular cartilage repair

Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease that affects millions of people worldwide, leading to pain, stiffness, and decreased mobility. As the global population ages, OA is becoming a significant public health concern, with a substantial social and economic impact due to disability and the need for long-term medical care. One promising treatment for OA is the use of hydrogels as synthetic replacements for damaged cartilage. Hydrogels can mimic the mechanical properties and water retention of natural cartilage, making them potential tissue-engineered substitutes that could help restore joint function. This thesis focuses on the development of artificial cartilage models for the tribological characterization of viscosupplementation hydrogels, specifically evaluating the friction coefficient of PVA hydrogels under different lubrication conditions. Three types of PVA hydrogel with concentrations of 15%, 20%, and 25% were tested, along with four different hyaluronic acid (HA) formulations to represent various lubrication conditions. A PBS-only condition was also included for comparison. The tests were performed at three different frequencies: 0.05 Hz, 0.5 Hz, and 2.5 Hz, to assess the frictional behaviour of PVA hydrogels under conditions that mimic natural joint movement. To further investigate the effects of these lubricants, a Scanning Electron Microscope (SEM) analysis was conducted to examine the surface morphology of the PVA hydrogels. Based on the results obtained from the material comparison, PVA 20% exhibited a compressive elastic modulus comparable to natural cartilage and a low friction coefficient of 0.14, similar to that of natural cartilage (0.01-0.2 in osteoarthritis cases). These properties make PVA 20% a promising candidate for mimicking natural cartilage's mechanical and tribological behaviour in biomedical applications. The lubrication comparison results indicated that HA1 and HA2 exhibited higher frictional re-sistance than HA3 and HA4, which showed comparable performance on PVA 20% samples. Notably, all HA formulations reduced PVA-PVA friction compared to the PBS condition. Finally, SEM analysis revealed that HA lubricants significantly improved the surface morphology of PVA 20%, reducing wear compared to PBS lubricated samples. These findings underscore the importance of lubricant composition in enhancing the tribological properties of PVA hydrogels. Despite promising results, the study has some limitations. Friction tests at high frequencies showed inconsistencies due to potential inertial effects from rapid motion, highlighting the need for more refined statistical analysis. Future work should focus on testing higher frequencies and applied stresses to better simulate physiological conditions, as well as optimizing HA lubricant formulations to further reduce friction and wear, improving the tribological performance of PVA hydrogels for biomedical applications.

L'osteoartrite (OA) è una patologia degenerativa delle articolazioni che colpisce milioni di persone a livello globale, causando dolore, rigidità e riduzione della mobilità. Con l'invecchiamento della popolazione mondiale, l'OA sta diventando una preoccupazione crescente per la salute pubblica, con un impatto sociale ed economico significativo dovuto alla disabilità e alla necessità di cure mediche a lungo termine. Un trattamento promettente per l'OA è rappresentato dall'uso degli idrogeli come sostituti sin-tetici della cartilagine danneggiata. Gli idrogeli sono in grado di replicare le proprietà meccaniche e la capacità di ritenzione dell'acqua della cartilagine naturale, rendendoli potenziali sostituti ingegnerizzati che potrebbero contribuire al ripristino della funzionalità articolare. La presente tesi si concentra sullo sviluppo di modelli di cartilagine artificiale per la caratterizzazione tribologica degli idrogeli utilizzati per la viscosupplementazione, con particolare attenzione alla valutazione del coefficiente di attrito degli idrogeli di alcol polivinilico (PVA) sotto diverse condizioni di lubrificazione. Sono stati testati tre tipi di idrogeli di PVA con concentrazioni del 15%, 20% e 25%, insieme a quattro diverse formulazioni di acido ialuronico (HA), al fine di rappresentare le varie condizioni di lubrificazione. È stata inclusa anche una condizione con solo PBS (soluzione fosfato salina) per il confronto. I test sono stati eseguiti a tre frequenze differenti: 0,05 Hz, 0,5 Hz e 2,5 Hz, per valutare il comportamento tribologico degli idrogeli di PVA in condizioni che simulano il movimento naturale delle articolazioni. Per approfondire gli effetti di tali lubrificanti, è stata effettuata un'analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) per esaminare la morfologia superficiale degli idrogeli di PVA. Dai risultati ottenuti dal confronto dei materiali, i campioni di PVA al 20% hanno mostrato un modulo elastico di compressione comparabile alla cartilagine naturale e un coefficiente di attrito medio pari a 0,14, simile a quello della cartilagine sana (0,01-0,2 nei casi di osteoartrite). Queste caratteristiche rendono il PVA 20% un candidato promettente per replicare il comportamento meccanico e tribologico della cartilagine naturale nelle applicazioni biomediche. I risultati del confronto tra i lubrificanti hanno mostrato che le formulazioni HA1 e HA2 presentano una resistenza all'attrito maggiore rispetto a HA3 e HA4, le quali hanno mostrato prestazioni comparabili sui campioni di PVA 20%. Il risultato più significativo è che tutte le formulazioni di HA hanno determinato una riduzione dell'attrito tra gli idrogeli di PVA rispetto alla condizione di lubrificazione con PBS. Infine, l'analisi SEM ha evidenziato che i lubrificanti a base di HA migliorano significativa-mente la morfologia superficiale degli idrogeli di PVA al 20%, riducendo l'usura rispetto ai campioni lubrificati con PBS. Questi risultati sottolineano l'importanza della composizione del lubrificante nel migliorare le proprietà tribologiche degli idrogeli di PVA. Nonostante i risultati promettenti, lo studio presenta alcune limitazioni. I test di attrito a frequenze elevate hanno mostrato alcune incoerenze dovute a possibili effetti inerziali derivanti dai movimenti rapidi, evidenziando la necessità di un'analisi statistica più precisa. Studi futuri dovrebbero concentrarsi sull'esecuzione di test a frequenze e sollecitazioni più elevate, al fine di simulare in modo più realistico le condizioni fisiologiche, e sull'ottimizza-zione delle formulazioni di lubrificante a base di acido ialuronico per ridurre ulteriormente l'attrito e l'usura, migliorando così le performance tribologiche degli idrogeli di PVA nelle applicazioni biomediche.