高强度、低摩擦脂质润滑水凝胶材料的构建及其摩擦行为研究

作     者：严小东 陈凯 陈琴 张欣悦 冯海燕 冯存傲 赵晓铎 张德坤 

作者机构：中国矿业大学材料与物理学院 中国矿业大学化工学院 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室 

出 版 物：《摩擦学学报》 (Tribology)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52305238) 江苏省自然科学基金面上项目(BK20211243) 清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室开放基金项目(SKLTKF21B15) 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放基金(LSL-2107) 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放基金项目(LSL-2201)资助 

主　　题：水凝胶 高强度 仿生软骨 脂质润滑 生物摩擦学 

摘      要：关节软骨是人体关节部位承担支撑、缓冲以及润滑的重要组织。随着年龄的增长、先天性疾病和创伤等因素关节软骨会发生损伤及退化，最终会导致骨关节炎的发生，目前骨关节炎是世界上头号致残性疾病之一。然而，关节软骨周围几乎没有血管与神经组织，损伤后难以自愈。临床上，人工关节置换是治疗关节损伤最有效的方法之一，传统的人工关节材料主要为金属材料、陶瓷材料和高分子材料，接触方式主要为硬-硬接触、硬-软接触，植入人体后容易产生磨损，产生异物反应最终导致松动失效。受到天然关节表面软骨有效减缓冲击、降低磨损的启发，解决人工关节材料磨损、松动等问题的首要任务是构建高性能的软骨替代材料。水凝胶类似于生物软组织兼具固液两相特性，具有天然软骨微观结构相似性、高含水率、优异的生物相容性和稳定的理化性能等特性，已发展成为关节软骨最佳的替代材料。然而传统水凝胶的润滑性能和机械性能较差，限制了其在人工关节软骨替代材料领域的应用。本文中基于关节软骨非流体以及脂质润滑的特性，以二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)脂质体为润滑相，将其引入PVA/PAA(聚乙烯醇/聚丙烯酸)水凝胶中，通过冷冻解冻、退火技术构建了具有优异机械强度、润滑性能的脂质体复合水凝胶。研究结果表明，脂质体复合水凝胶具有优异的机械强度(拉伸强度为10.4±1.2MPa、拉伸模量为4.1±0.8MPa、压缩强度9.5±1MPa、压缩模量为8.2±0.9MPa)和良好的抗疲劳性(100循环压缩下其最大应力也能保留首次循环应力的93%)。此外，脂质体复合水凝胶表面存在脂质囊泡小球，显著降低了水凝胶的摩擦系数(0.049)，并且在很宽滑动速度、法向载荷下具有良好的润滑。润滑性能的增强主要是由于水凝胶中的脂质在载荷的作用下暴露在凝胶表面，随着时间的延长润滑脂就会扩散到整个水凝胶接触区域，形成脂质边界层通过水合润滑机制降低了摩擦。因此，本研究为构建高强度以及低摩擦仿软骨材料开辟了1条新途径，为软骨置换和人工关节提供潜在的应用。