科研進展
蘭州化物所強韌濕滑水凝膠研究取得系列進展
關(guān)節(jié)軟骨潤滑功能的降低是導(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。因此開發(fā)模擬天然關(guān)節(jié)潤滑的材料和技術(shù)，對減少關(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械應(yīng)力和長時間使用過程中面臨著力學(xué)強度不足、缺乏潤滑性和耐磨性等挑戰(zhàn)，這限制了其在一些高負荷和極端條件下的廣泛應(yīng)用。因此，如何設(shè)計能夠模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)強度和潤滑性能的水凝膠材料，已成為關(guān)節(jié)修復(fù)和生物潤滑領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點實驗室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)計策略構(gòu)筑了系列高性能的強韌濕滑水凝膠材料，賦予其高強度、超韌性、潤滑性等性能，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)域開創(chuàng)了一系列原創(chuàng)性科研成果，尤其在增強其力學(xué)性能和改善潤滑性能方面取得了顯著進展，為解決生物摩擦和磨損問題提供了創(chuàng)新解決方案。
針對目前潤滑水凝膠存在的機械性能不足、潤滑性能差以及易發(fā)生磨損等問題，團隊提出了利用納米晶域調(diào)控策略來構(gòu)筑強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，并通過改變退火溫度優(yōu)化調(diào)控了PVA/CS水凝膠的機械性能和潤滑性能。在30 N、1 Hz和水作為潤滑介質(zhì)的摩擦工況條件下，PVA/CS水凝膠的潤滑性能接近天然軟骨（摩擦系數(shù)約為~0.05），且也具有長期穩(wěn)定的潤滑性能，賦予了其高承載、低摩擦和耐磨性。同時，團隊借助模板澆鑄構(gòu)建了多種具有潤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，團隊提出了一種低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)調(diào)控策略，即通過調(diào)節(jié)高熵非晶態(tài)和低熵晶態(tài)結(jié)構(gòu)的比例來構(gòu)建機械魯棒性的潤滑水凝膠。研究人員通過提高聚合物網(wǎng)絡(luò)中PVA大分子鏈的百分比（相對于CS的比例）來誘導(dǎo)PVA鏈的結(jié)晶生長，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械強度和優(yōu)異潤滑性的水凝膠材料。調(diào)控優(yōu)化的水凝膠斷裂強度為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，同時該水凝膠的摩擦系數(shù)可低至0.026，且具有很好的潤滑持久性，實現(xiàn)了水凝膠在機械強度和潤滑性能的雙重提升，解決了傳統(tǒng)水凝膠在高負載條件下易破裂或變形問題。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)建的機械魯棒性潤滑水凝膠
上述研究深化了水凝膠在力學(xué)強度、潤滑性能和耐久性提升方面的創(chuàng)新進展，豐富了高強韌濕滑水凝膠在生物潤滑領(lǐng)域的應(yīng)用探索，為其在關(guān)節(jié)置換、植入物潤滑等多個領(lǐng)域的應(yīng)用拓展奠定了堅實的材料基礎(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家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、甘肅省科技計劃、中國科學(xué)院特別研究助理資助項目、蘭州化物所重點培育項目等項目的支持。
