Dynamical behaviour of synthetic hydrogel fibers and its application for the design of fatigue resistant ligament substitutes

Abstract

Künstliche Ersatzstoffe für die Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes sollten während des gesamten Patientenlebens funktionsfähig bleiben und müssen daher hunderte Millionen Ladezyklen aushalten. Potentielle Ersatzstoffe müssen daher ein gutes Ermüdungsverhalten zeigen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Anordnungen von Polyvinylalkohol (PVA) -Hydrogelfasern biokompatibel sind und ein ähnliches mechanische Verhalten wie natürliche Kreuzbänder aufweisen, deren Ermüdungsverhalten jedoch noch nicht untersucht wurde. Hier untersuchen wir das Ermüdungsverhalten von einzelnen Polyvinylalkohol (PVA) -Hydrogelfasern. Diese Hydrogelfasern wurden unter Zugbelastung bis zu Millionen Dehnungszyklen getestet. Die Hydrogelfasern überlebten mehr als eine Million Zugbelastungszyklen ohne Bruch oder wesentliche Verschlechterung ihrer mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus zeigten die Hydrogelfasern nach mehrstündiger Ruhe eine vollständige Wiederherstellung ihrer mechanischen Eigenschaften. Durch das Einfügen von Ruhezeiten zwischen den Ermüdungszyklen zeigen wir, dass dieser Selbstwiederherstellungseffekt einen günstigen Effekt auf das Ermüdungsverhalten haben kann, indem sowohl die Restverformung als auch der Elastizitätsmodulverlust reduziert werden. Die guten Ermüdungsleistungen einzelner PVA-Hydrogelfasern legen weitere Erkundungen dieser Fasern als künstlichen Kreuzbandersatz nahe.

Artificial substitutes for anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction should remain functional during the whole patients life and thus they have to withstand hundred millions of loading cycles. Hence, potential substitutes must provide a good fatigue behavior. Previous works have shown that assemblies of poly-vinyl alcohol (PVA) hydrogel fibers are biocompatible and have a similar mechanical response as native ACL but their fatigue performance has not been studied yet. Here, we investigate the fatigue behavior of single poly-vinyl alcohol (PVA) hydrogel fibers. Single hydrogel fibers were tested under tensile loading until millions of stretching cycles. The PVA hydrogel fibers survived more than a million tensile loading cycles without rupture or major deterioration of their mechanical properties. Furthermore, the hydrogel fibers showed full recovery of its mechanical properties after several hours of rest. By inserting rest times between the fatigue cycles, we show that this self recovery effect can have a beneficial effect on the fatigue behaviour by reducing both the residual deformation and the loss in elastic modulus. The good fatigue performances of single PVA hydrogel fibers suggest further explorations of these fibers as artificial ACL substitutes.