水凝胶纳米颗粒在人工关节润滑中的减摩抗磨作用

The concept of nanotribology is introduced from mechnical engineering lubrication into artificial joints lubrication, trying to find a solution to the failure of artificial joints caused by insurfficient lubrication. A systematic study is carried out on hydrogel nanoparticles which are used as nanoparticle additives in bionic synovial fluid for lubricating aritificial joints. The first step is to synthesize nanoparticles in a controllable manner. Atom transfering radical micro-emussion polymerizaiton method is applied, selecting monomers of good biocompatibility, with better control of particle size, cross-linking density and chemical properties. The absroption affinity between hydrogel nanoparticles and aritificial joints materials is investigated, and the connections to the structure and chemistry of the nanoparticles are founded. And the relationship between nanoparticle chemistry, architecture, size and its lubricating & anti-wear performance will be explained. It is to be figured out how hydrogel nanoparticles with high water content are absorbed onto the surfaces and which is the internal and external factor. On molecular level, the load bearing capacity of the nanoparticles is discussed relating to their inherent property, then the relationship between the load bearing capacity and lubricating & anti-wear performance is to be established. This project will shed some light on the feasibility and validity of hydrogel nanoparticles used a bionic synovial fluid additive, and provide theoretical supports to the application of hydrogel nanoparticles in the field of biotribology.

为解决由于润滑不充分而引起的人工关节过早失效问题,将机械工程润滑中的纳米摩擦学的概念引入到人工关节润滑中，系统开展纳米水凝胶作为人工关节润滑液添加剂的相关研究。从纳米水凝胶颗粒的可控制备入手，选用具有良好生物相容性的单体为基材，主要采用原子转移自由基微乳液聚合法，可控制备不同粒径、交联度、化学性质的纳米水凝胶颗粒。考察纳米水凝胶颗粒在人工关节材料表面的吸附特性与其结构及化学组成之间的关系。探讨纳米水凝胶化学组成、结构、粒径与其减摩抗磨增效作用之间的关系。确定高度吸水的水凝胶纳米微粒在摩擦表面吸附形成水润滑层的内在和外在影响因素，并揭示其减摩抗磨增效作用机制。从分子水平上考察决定纳米水凝胶润滑体系的承载能力的内在因素，探讨"柔性"纳米微粒的承载能力与其减摩抗磨能力之间的关系。论证水凝胶纳米颗粒作为人工关节润滑液添加剂的可能性和有效性，为纳米水凝胶基润滑剂在生物摩擦领域中的应用提供的理论支持。

本项目针对目前植入人工关节润滑不充分而导致的过早失效问题，将机械润滑中的纳米摩擦学的概念引入到人工关节润滑当中，开展添加有纳米颗粒的人工关节润滑液的研究。从纳米凝胶颗粒的可控制备入手，选用具有良好生物相容性的物质作为基础，制备不同大小、不同化学性质的纳米水凝胶颗粒。考察纳米颗粒在人工关节润滑中的减摩抗磨作用，研究纳米水凝胶化学组成及结构与其减摩抗磨的增效作用之间的关系，揭示水分散纳米颗粒在水润滑条件下的减摩抗磨作用机制。根据既定的研究计划，本项目陆续开展了纳米水凝胶纳米颗粒的制备研究，选取牛血清蛋白、透明质酸、明胶、盐酸多巴胺等生物源物质，制备了一系列水凝胶纳米颗粒。将以上几类纳米凝胶作为人工关节仿生滑液的主要成分，从宏观摩擦性能上考察其对氧化锆等陶瓷材料的减磨抗磨作用；并考察了含纳米凝胶仿生关节滑液的体外生物相容性及部分体系的体内生物相容性；借助对仿生滑液的流变学性能考察，探讨了纳米颗粒该体系中的减摩抗磨作用机理。研究发现，纳米颗粒的加入，能够提高水溶液以及透明质酸溶液的润滑性能，不同程度上减小了氧化锆陶瓷间的摩擦系数，减轻磨损；纳米颗粒的化学性质和纳米颗粒的结构决定了其减摩抗磨的效果；同时，还发现了滑液中纳米颗粒与透明质酸大分子之间的润滑协同作用。虽然，该体系离临床应用还有很长的距离，但本项目的研究结果表明有机高分子纳米颗粒的加入增强了水基纳米润滑液对于植入人工关节水润滑中的防护。本项目的研究结果为纳米水润滑在生物体系的应用开辟了新的思路，丰富了生物摩擦学的内容。