關(guān)節(jié)軟骨潤(rùn)滑功能的降低是導(dǎo)致軟骨退化、出現(xiàn)磨損和誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎等疾病的關(guān)鍵原因之一。因此開(kāi)發(fā)模擬天然關(guān)節(jié)潤(rùn)滑的材料和技術(shù)，對(duì)減少關(guān)節(jié)磨損、預(yù)防關(guān)節(jié)疾病和改善患者生活質(zhì)量有著重要意義。水凝膠因其柔軟濕滑特性和優(yōu)異的生物相容性，成為了理想的軟骨替代材料之一。然而，傳統(tǒng)水凝膠在承受外部機(jī)械應(yīng)力和長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中面臨著力學(xué)強(qiáng)度不足、缺乏潤(rùn)滑性和耐磨性等挑戰(zhàn)，這限制了其在一些高負(fù)荷和極端條件下的廣泛應(yīng)用。因此，如何設(shè)計(jì)能夠模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)強(qiáng)度和潤(rùn)滑性能的水凝膠材料，已成為關(guān)節(jié)修復(fù)和生物潤(rùn)滑領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件組利用微相分離、氫鍵網(wǎng)絡(luò)等微觀尺度分子設(shè)計(jì)策略構(gòu)筑了系列高性能的強(qiáng)韌濕滑水凝膠材料，賦予其高強(qiáng)度、超韌性、潤(rùn)滑性等性能，并結(jié)合宏觀尺度制造技術(shù)在濕滑水凝膠高精度制造及生物醫(yī)用領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了一系列原創(chuàng)性科研成果，尤其在增強(qiáng)其力學(xué)性能和改善潤(rùn)滑性能方面取得了顯著進(jìn)展，為解決生物摩擦和磨損問(wèn)題提供了創(chuàng)新解決方案。

針對(duì)目前潤(rùn)滑水凝膠存在的機(jī)械性能不足、潤(rùn)滑性能差以及易發(fā)生磨損等問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了利用納米晶域調(diào)控策略來(lái)構(gòu)筑強(qiáng)韌濕滑且生物相容性的雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聚乙烯醇/殼聚糖（PVA/CS）水凝膠，并通過(guò)改變退火溫度優(yōu)化調(diào)控了PVA/CS水凝膠的機(jī)械性能和潤(rùn)滑性能。在30 N、1 Hz和水作為潤(rùn)滑介質(zhì)的摩擦工況條件下，PVA/CS水凝膠的潤(rùn)滑性能接近天然軟骨（摩擦系數(shù)約為~0.05），且也具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的潤(rùn)滑性能，賦予了其高承載、低摩擦和耐磨性。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)借助模板澆鑄構(gòu)建了多種具有潤(rùn)滑功能的承重軟組織替代物（半月板、襯墊和關(guān)節(jié)軟骨），為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域仿生軟骨水潤(rùn)滑涂層和生物植入物的研發(fā)提供了新的材料選擇。相關(guān)成果發(fā)表在Nano Research(2024,17,9784–9795;https://doi.org/10.1007/s12274-024-6968-8)上。

圖1. 高承載、低摩擦、耐磨損的雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)水凝膠

近日，團(tuán)隊(duì)提出了一種低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)調(diào)控策略，即通過(guò)調(diào)節(jié)高熵非晶態(tài)和低熵晶態(tài)結(jié)構(gòu)的比例來(lái)構(gòu)建機(jī)械魯棒性的潤(rùn)滑水凝膠。研究人員通過(guò)提高聚合物網(wǎng)絡(luò)中PVA大分子鏈的百分比（相對(duì)于CS的比例）來(lái)誘導(dǎo)PVA鏈的結(jié)晶生長(zhǎng)，獲得了具有低熵聚合物鏈態(tài)和高結(jié)晶度的PVA/CS水凝膠，再經(jīng)水化后獲得具有高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異潤(rùn)滑性的水凝膠材料。調(diào)控優(yōu)化的水凝膠斷裂強(qiáng)度為7.7~17.5 MPa、彈性模量為8.6~10.6 MPa、韌性為8.8~62.1 MJ m^-3、壓痕硬度為10.4~21.7 MPa，同時(shí)該水凝膠的摩擦系數(shù)可低至0.026，且具有很好的潤(rùn)滑持久性，實(shí)現(xiàn)了水凝膠在機(jī)械強(qiáng)度和潤(rùn)滑性能的雙重提升，解決了傳統(tǒng)水凝膠在高負(fù)載條件下易破裂或變形問(wèn)題。此外，研究還展示了PVA/CS水凝膠在模擬人體承重組織中優(yōu)異的耐磨性，特別是在人工髖關(guān)節(jié)中的應(yīng)用，為高性能人工關(guān)節(jié)潤(rùn)滑材料的研發(fā)提供了新思路。

圖2. 低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的機(jī)械魯棒性潤(rùn)滑水凝膠

上述研究深化了水凝膠在力學(xué)強(qiáng)度、潤(rùn)滑性能和耐久性提升方面的創(chuàng)新進(jìn)展，豐富了高強(qiáng)韌濕滑水凝膠在生物潤(rùn)滑領(lǐng)域的應(yīng)用探索，為其在關(guān)節(jié)置換、植入物潤(rùn)滑等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

相關(guān)研究工作以“Mechanically Robust Lubricating Hydrogels Contrived by Harnessing Low-Entropy Nanocrystalline Polymer Network”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（?2025,2508450；https://doi.org/10.1002/adfm.202508450）上。蘭州化物所博士生胡丹麗為論文第一作者，劉德勝助理研究員和王曉龍研究員為共同通訊作者。

上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、甘肅省科技計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院特別研究助理資助項(xiàng)目、蘭州化物所重點(diǎn)培育項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。