科學(xué)家研發(fā)具有優(yōu)異性能的仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨潤(rùn)滑材料

天然軟骨是一種兼?zhèn)涔?液雙相特征、具有典型層狀結(jié)構(gòu)特征和特殊應(yīng)力耗散機(jī)制的濕滑材料。目前，從工程應(yīng)用角度來(lái)講，尋找類似于天然軟骨的新型潤(rùn)滑材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。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(guān)注。然而，傳統(tǒng)表面引發(fā)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(yán)重限制了其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。而水凝膠是一種由親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高分子材料，但是傳統(tǒng)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(guò)軟，在高承載剪切過(guò)程中易變形，力學(xué)強(qiáng)度較高的凝膠表面水化性能往往較差，無(wú)法給予水凝膠優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。過(guò)去20年，針對(duì)軟物質(zhì)潤(rùn)滑材料相關(guān)的研究未能從界面潤(rùn)滑、機(jī)械承載和抗磨損三個(gè)角度協(xié)同考慮。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料表面與界面課題組與英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院等合作，構(gòu)筑了新型仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨水潤(rùn)滑材料，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)一，對(duì)推動(dòng)高性能軟物質(zhì)水潤(rùn)滑材料走向?qū)嶋H工程應(yīng)用起到了積極的促進(jìn)作用。

該研究工作通過(guò)學(xué)習(xí)、分析和認(rèn)識(shí)天然關(guān)節(jié)軟骨的界面水潤(rùn)滑機(jī)制、生化結(jié)構(gòu)分布特征和特殊的機(jī)械應(yīng)力耗散機(jī)制，提出了一種新型雙層結(jié)構(gòu)化聚合物刷/水凝膠復(fù)合材料的制備策略。研究人員通過(guò)將引發(fā)劑接枝于高強(qiáng)度雙交聯(lián)水凝膠網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)，聚合物刷會(huì)從凝膠亞表面生長(zhǎng)出來(lái)纏繞進(jìn)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)典型的分層結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)并且具有更高的水化程度，起到了潤(rùn)滑減磨的作用。而下層的凝膠保持著致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而賦予材料更高的承載能力。