剪切作用与盐离子协同调控的膦酸聚合物超滑机理研究

Lubrication failure restricts the working stability of artificial joints in human body. Surface modification with polymers is an effective method to improve their tribological properties. However, owing to that the mechanism of water-based superlubricity regulated by salt ions and other factors in vivo is confused, the superlubricity which is similar to that of natural joints is not yet achieved.The applicant found the superlubrcity of phosphate polymer in previous study. In this research, based on the effects of salt ions and shearing actions on phosphate molecules, the superlubricity mechanism of phosphate polymer will be investigated further. The specific functions of different salt ions for the superlubricity will be explored, considering their influences on the charateristics of polymer molecules. The ralationship between superlubricity and molecular evolution induced by shearing will be proposed. Moreover, the regulation machanism of shearing actions for the strength of interaction between salt ions and polymer molecules, as well as salt ions feeding back on the molecular evolution induced by shearing will be determined. Then, the mechanisms of superlubricity regulated by salts ions and shearing actions together will be revealed. Based on this mechanism, the superlubricity system of phosphate polymers can be improved. This research not only can enrich the theory of the water-based superlubricity of polymers, but also can provide the technical assistance for the application of artificial joints in human body.

摩擦及润滑失效是困扰人工关节体内稳定使用的突出问题。聚合物表面改性是解决这一问题的有效途径之一，但因人体使用工况下盐离子等多因素影响的聚合物超滑机理仍不清楚，类天然关节的水基超滑尚未实现。申请者前期研究发现了膦酸聚合物超滑现象，本项目将基于盐离子与剪切作用对膦酸聚合物分子特性的影响，进一步探索膦酸聚合物超滑机理。首先阐明润滑剂中不同盐离子吸附对膦酸聚合物分子性质的特异性影响及其对超滑结果的促抑机理，明确剪切作用诱导膦酸聚合物分子排布等行为演变与超滑的关系；然后深入阐释剪切作用对盐离子与膦酸聚合物分子吸附强度的调控，以及盐离子吸附后分子链刚度等特性变化对剪切作用诱导分子行为演变的作用规律；最后基于两者对分子特性的影响传递，揭示剪切作用与盐离子协同调控的膦酸聚合物超滑机理。本研究不仅对丰富聚合物水基超滑理论具有重要的学术意义，而且可为人工关节体内磨损失效问题的解决提供必要的理论基础和技术支持。

摩擦及润滑失效是困扰人工关节体内稳定使用的突出问题。聚合物表面改性是解决这一问题的有效途径之一，但因人体使用工况下盐离子等多因素影响的聚合物超滑机理仍不清楚，类天然关节的水基超滑尚未实现。本项目在膦酸聚合物超滑现象的基础上，进一步探索了膦酸聚合物超滑机理。首先，在Ti6Al4V基底上设计并制备无机热氧化/有机PVPA复合涂层，有效提高Ti6Al4V表面的承载能力，可在85 MPa的应力下保持小于0.01的超低摩擦系数。其次，阐明了润滑剂中不同盐离子吸附对膦酸聚合物分子性质的特异性影响及其超滑促抑机理，发现一价阳离子通过与PVPA分子链之间的相互作用来增强涂层鲁棒性，促进超滑状态越稳定，而二价阳离子会改变界面分子链构型，与PVPA分子链的结合能力越强，越会抑制原有膦酸聚合物超滑体系。相较于其他阴离子，磷酸根离子更有利于降低膦酸聚合物超滑体系的摩擦系数，且所带电荷越多，越有利于降低膦酸聚合物超滑体系的摩擦系数。然后，结合和频光谱分析技术研究分子间作用力对界面分子排列机制的调控作用，提出了vdW与静电力协同作用决定膦酸分子排列，进一步推导出PVPA涂层表面分子链上形成水合鞘的伸展链构型较长以及较强的末端官能团极性可以降低摩擦剪应力，保持更加稳定的超滑体系。进一步，拓展超滑至大分子润滑剂体系，发现与多糖相比，蛋白分子更容易稳定吸附在PVPA涂层上，增大摩擦，而多糖的高亲水性和不稳定的动态吸附对超滑影响较小，且可多糖分子可以减少蛋白质与PVPA分子之间的吸附。研究发表 8 篇 SCI 论文，申请了5项发明专利，其中授权1 项美国发明专利，获得北京市科技进步一等奖1项（排名14）。辅助培养毕业博士研究生 1名，硕士研究生1名，培养在读博士研究生1名，硕士研究生4 名。本研究不仅对丰富聚合物水基超滑理论具有重要的学术意义，而且可为人工关节体内磨损失效问题的解决提供必要的理论基础和技术支持。