生物软骨水凝胶表面高分子刷的超润滑行为研究

Hydrogel lubricating materials are the basis for biological cartilage. To overcome unstable lubrication behavior and low strength of hydrogel, this project will study fabrication and lubrication theory of poly 2 - acrylamide-2 - methyl sulfonate / polyacrylamide (PNaAMPS / PAAm) IPN hydrogel. By UV initiated polymerization, PNaAMPS / PAAm hydrogel will be prepared with the first network-like structure of the grid PNaAMPS, using second anionic electrolyte monomers, content of crosslinker and polarity of polymerica template surface to achieve the second network PAAm with molecules brush adjusting the length and intensity of the charge on the surface. We will study relationship between the molecules brushes on hydrogel surface and the high lubrication and failure. Using atomic force microscope with sphere probe of micro-friction model and plate rheometer with rotation friction model, the super-lubrication principle of hydrogel surface friction interaction between hydrogel formed the "brush visco-elastic friction" and "water layer lubricant film" will be discussed. The successful implementation of the project will provide new research methods and valuable theoretical foundation of the high water content, high strength and super-lubricating materials for biological cartilage.

水凝胶润滑材料是人造生物软骨的基础。为克服水凝胶润滑行为不稳定、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，采用与阴离子电解质单体共聚、交联剂含量与聚合模板极性调节等方法，实现第二层网络PAAm表面分子刷的长度和电荷强度可调整，研究水凝胶表面高分子刷与高润滑及失效的关系。利用微球探头型摩擦模式的原子力显微镜、旋转摩擦模式的平板流变仪手段，研究水凝胶表面高分子刷与摩擦副间形成的"高分子刷粘弹摩擦"与"水层润滑膜"的相互作用，讨论实现水凝胶超润滑的原理。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供新的研究思路与理论依据。

高强度、超润滑、生物相容性好的水凝胶是关节软骨组织工程材料的基础。为克服水凝胶润滑行为不稳定、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, 离子-共价杂化交联水凝胶海藻酸盐/聚丙烯酰胺(Alginate/PAAm)与破坏原理研究，可疲劳修复的高强度DN水凝胶聚乙烯醇/聚丙烯酰胺(PVA/PAAm) 的构筑方式。首先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，采用与阴离子电解质单体共聚、交联剂含量与杂化交联等方法，实现第二层网络PAAm表面分子刷的长度和电荷强度可调整，研究水凝胶表面高分子刷与高润滑及失效的关系；其次通过自由基聚合得到两相大分子缠结的第一重弱物理相互作用；其次利用离子调节剂调控离子交联，建立两类聚电解质静电离子簇的第二重强物理交联作用，强-弱物理交联协同增强得到高强度，耐疲劳与自修复PIC水凝胶；进一步利用离子浓度调控的可控交联得到“智能水凝胶超润滑模型”。利用微球探头型摩擦模式的原子力显微镜、旋转摩擦模式的平板流变仪手段，研究水凝胶表面高分子刷与摩擦副间形成的“高分子刷粘弹摩擦”与“水层润滑膜”的相互作用，讨论实现水凝胶超润滑的原理。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供新的研究思路与理论依据。