带高分子刷互穿网络水凝胶生物软骨材料的制备及其润滑行为

水凝胶润滑材料是人造生物软骨的基础。为克服其润滑行为不稳定、强度低的缺陷，本项目研究聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠/聚丙烯酰胺（PNaAMPS/PAAm）互穿网络水凝胶的构筑方式与润滑原理。利用紫外光引发聚合反应，制备第一层网络为栅格状聚集态结构的PNaAMPS，采用选择亲水性不同的聚合模板，交联度，与阳离子或阴离子电解质单体共聚等方法，实现第二层网络PAAm表面分子刷的长度和电荷强度可调整，研究高分子刷与高润滑及失效的关系。将玻璃微珠粘于原子力显微镜探针悬臂顶端，从而制备出微球探头型摩擦力显微镜；采用微球探头型摩擦力显微镜、平板流变仪的摩擦模式研究表面高分子刷与摩擦副间的相互作用，水凝胶表面形成的"高分子刷粘弹摩擦"与"水层润滑膜"对润滑的贡献，进而实现高分子刷在稳定的超润滑水凝胶摩擦中的控制效应。该项目的成功实施，将为高含水、高强度及超润滑生物软骨材料的研究提价新的方法与理论基础。

本研究利用紫外光引发自由基聚合反应制备了聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠/聚丙烯酰胺（PNaAMPS/PAAm）高强度互穿网络水凝胶，并讨论了IPN水凝胶的构筑方式与润滑原理。首次制备了第一层网络为栅格状聚集态结构的PNaAMPS，选择与阴离子电解质单体共聚方法，实现第二层网络PAAm表面的电荷强度可调整，研究高分子刷与高润滑及失效的关系。采用平板流变仪的摩擦模式、摩擦力试验机等手段，分别在电解质盐溶液中与不同极性的基板上，研究水凝胶表面与摩擦副间的相互吸附与排斥作用；摩擦力显微镜研究了在微区内的吸附与排斥产生的摩擦作用；还讨论了纳米TiO2增强PVA水凝胶的减摩效果，并总结为水凝胶表面形成的“高分子刷粘弹摩擦”与“水层润滑膜”对润滑的贡献。研究结果为克服水凝胶强度低、润滑性能不稳定，从而制备高强度、超润滑水凝胶提供了新的方法与理论基础。