高承载低摩擦仿生结构高强度水凝胶的设计、制备及性能研究

Biomimetic lubrication materials based on hydrogels with high load-bearing and low friction properties show important application prospects in biomedical field as articular cartilage replacement. Meanwhile, the high strength hydrogels with excellent mechanical property provide an ideal choose for preparing biomimetic lubrication materials with good performance. Inspired by the bionics design concept of the solid-liquid biphasic feature and layered biochemical structure of articular cartilage, this project intends to quickly and efficiently engineer a lubricious layer on the surface of the high-strength hydrogel by adopting a novel heat-assisted method, which enables to the preparation of high strength hydrogels functional materials with cartilage-like bilayered structure to realize incommensurable properties of both high load-bearing and low-friction. Based on this, this project would systematic study the effects of chemical composition, mechanical properties and morphological features of the biomimetic bilayered high strength hydrogels, along with the tribological testing conditions, on its load-bearing and lubrication properties and then reveals the water-lubrication and load-bearing/friction-reducing mechanism. Finally, the study results would provide theoretical basis and technical support for developing novel hydrogel-based biomimetic materials as articular cartilage replacement.

高承载低摩擦的水凝胶仿生润滑材料作为关节软骨替代材料在生物医疗领域具有重要的应用前景。其间，具有优异力学性能的高强度水凝胶是制备高性能仿生润滑材料的理想选择。受生物体关节软骨固液双相特征及层状生化结构的启发，本项目拟通过仿生学设计理念，采用一种新颖的热辅助法快速高效地在本体高强度水凝胶表面构筑润滑层，制备出具有仿软骨型双层结构的高强度水凝胶功能材料，以实现高承载与低摩擦性能的统一。基于此，项目将系统研究仿生双层结构高强度水凝胶的化学组成、力学性能、形貌特征以及摩擦测试条件对材料的承载与润滑性能的影响，揭示其摩擦学特征与承载减摩机理，最终为设计新型水凝胶基仿生关节软骨替代材料提供技术支撑和理论依据。

人口老龄化问题日益严峻，我国每年需要大量的人工关节材料。水凝胶是一种有前途的仿生润滑材料，日益受到各国科学家的重视而被广泛研究。目前，水凝胶基仿生润滑材料的高承载与低摩擦性能的统一具有一定的挑战性，设计制备兼具高承载与低摩擦性能的新型水凝胶材料具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目的主要研究内容如下：受关节软骨层状结构的启发，首先制备了具有优异力学性能的聚乙烯醇基双网络水凝胶，以此作为研究对象，采用热处理法以及微凝胶表面修饰法构筑了多种双层水凝胶材料；系统研究了材料的力学性能、结构以及摩擦学性能，揭示了材料的增韧机理以及润滑机制。项目取得的重要结果如下：（1）制备了聚丙烯酸-聚甲基丙烯酸钠-聚乙烯醇水凝胶，其在90%的压缩应变条件下应力可达~40MPa，通过热处理后得到双层结构，通过摩擦学性能研究表明该材料在水为润滑剂时摩擦系数<0.1，在以海藻酸钠为润滑剂时摩擦系数<0.03;（2）制备了聚丙烯酸-聚乙烯醇双网络水凝胶，通过微凝胶表面修饰后得到具有高承载低摩擦性能的双层水凝胶。研究表明该材料在90%的压缩应变条件下应力可达~60MPa，在不同载荷下（5N~30N）均具有低摩擦系数（0.01~0.04）。此外，该材料在不同介质中均表现出优异的润滑性能。本项目研究结果解决了水凝胶基仿生润滑材料高承载与低摩擦之间的矛盾问题，为设计高承载低摩擦的水凝胶材料等仿生植介入材料与器械提供了重要的理论和技术指导。