科學家研發出仿生層狀關節軟骨潤滑材料

2020-09-05 光明網

天然軟骨是一種兼備固-液雙相特徵、具有典型層狀結構特徵和特殊應力耗散機制的溼滑材料。目前，從工程應用角度來說，尋找類似於天然軟骨的新型潤滑材料具有挑戰性。其中，表面接枝聚合物刷和水凝膠材料引發關注。但傳統表面引發聚合方法製備的聚合物刷層較薄，在宏觀粗糙接觸尺度下易被剪切磨掉，這限制了其在工程領域中的應用。水凝膠是由親水性聚合物網絡構成的高分子材料，但傳統水凝膠的水化能力與承載能力呈反比，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較差，無法給予水凝膠優良的潤滑性能。過去20年，學術界對軟物質潤滑材料的研究，未能協同考慮界面潤滑、機械承載和抗磨損。

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/界面課題組聚焦於研究高性能仿生水潤滑材料。近期，該課題組與英國帝國理工學院等合作，構築了新型仿生層狀關節軟骨水潤滑材料，實現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，促進高性能軟物質水潤滑材料走向實際工程應用。

研究人員通過認識、學習和分析天然關節軟骨的界面水潤滑機制、生化結構分布特徵和特殊的機械應力耗散機制，提出新型雙層結構化聚合物刷/水凝膠複合材料的製備策略。研究人員將引發劑接枝於高強度雙交聯水凝膠網絡中，經過原子轉移自由基聚合（ATRP），聚合物刷從凝膠亞表面生長出來並纏繞進水凝膠網絡中，實現典型的分層結構。材料上層由於離子型聚合物刷的存在，形成疏鬆的島狀結構且具有更高水化程度，起到潤滑減磨的作用；下層的凝膠保持緻密的網絡結構，賦予材料更高的承載能力。研究表明，表層和底層的厚度及兩層的力學模量匹配度是控制界面潤滑性能的關鍵因素。仿生層狀材料在相對較高的負載（~10 N，接觸應力~8.5 MPa）條件下，經過50000次的往復循環摩擦後，其表面摩擦係數仍可穩定維持在0.025左右，證明了其潤滑性能。科研人員通過觀察材料表面磨痕形貌，發現經過50000次的循環測試後，材料表層幾乎沒有磨損現象，驗證了此類材料的抗磨損能力。研究團隊與帝國理工學院教授D.Dini團隊合作，從界面潤滑和接觸力學雙重角度對實驗結果進行系統性理論解釋，明確仿生層狀關節軟骨材料的潤滑、承載和抗磨損機制。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院對外合作項目、中科院前沿科學與教育局重點項目和中國科協青年人才託舉工程計劃等的支持。相關研究成果發表在Advanced Functional Materials上。

仿生層狀關節軟骨材料設計思想、材料基本結構和宏觀摩擦學性能評價

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