科學家研發具有優異性能的仿生層狀關節軟骨潤滑材料

天然軟骨是一種兼備固-液雙相特征、具有典型層狀結構特征和特殊應力耗散機制的濕滑材料。目前，從工程應用角度來講，尋找類似于天然軟骨的新型潤滑材料仍然是一個挑戰。其間，表面接枝聚合物刷和水凝膠材料引起了廣泛的研究和關注。然而，傳統表面引發聚合方法制備的聚合物刷層往往較薄，在宏觀粗糙接觸尺度下很容易被剪切磨掉，嚴重限制了其在工程領域中的應用。而水凝膠是一種由親水性聚合物網絡構成的高分子材料，但是傳統水凝膠的水化能力與承載能力總是呈反比，水化度高的水凝膠材料過軟，在高承載剪切過程中易變形，力學強度較高的凝膠表面水化性能往往較差，無法給予水凝膠優良的潤滑性能。過去20年，針對軟物質潤滑材料相關的研究未能從界面潤滑、機械承載和抗磨損三個角度協同考慮。

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室材料表面與界面課題組與英國帝國理工學院等合作，構筑了新型仿生層狀關節軟骨水潤滑材料，實現了宏觀粗糙尺度接觸工況下高承載、低摩擦和抗磨損性能的統一，對推動高性能軟物質水潤滑材料走向實際工程應用起到了積極的促進作用。

該研究工作通過學習、分析和認識天然關節軟骨的界面水潤滑機制、生化結構分布特征和特殊的機械應力耗散機制，提出了一種新型雙層結構化聚合物刷/水凝膠復合材料的制備策略。研究人員通過將引發劑接枝于高強度雙交聯水凝膠網絡當中，經過原子轉移自由基聚合(ATRP)，聚合物刷會從凝膠亞表面生長出來纏繞進水凝膠網絡中，從而實現典型的分層結構。材料上層由于離子型聚合物刷的存在，形成了疏松的島狀結構并且具有更高的水化程度，起到了潤滑減磨的作用。而下層的凝膠保持著致密的網絡結構從而賦予材料更高的承載能力。