表面引发聚合制备水凝胶薄膜及其摩擦学性能研究

利用表面引发自由基聚合交联的方法，在硅基底上制备生物相容性好、机械稳定性高的水凝胶薄膜并考察其摩擦学性能。设计合成含双丙烯酸酯官能团或多丙烯酸酯官能团的单体；利用表面引发原子转移自由基聚合制备不同化学结构的水凝胶聚合物薄膜；考察丙烯酸酯官能团的数目对水凝胶薄膜网络结构、吸水率和膨胀率的影响；考察制备条件对水凝胶薄膜结构的影响。优化制备条件，掌握制备特定结构和化学组成水凝胶薄膜的方法。考察其摩擦学性能与水凝胶薄膜表面亲水性，电荷密度、交联程度和含水量、自身弹性等因素的相关性；考察不同载荷，滑动速率下水凝胶薄膜的摩擦学行为；考察薄膜在模拟人体环境中的润滑性能；揭示水凝胶薄膜的超润滑机理。

制备水凝胶薄膜是仿制关节软骨层，为人工关节提供超润滑特性、抵抗磨损的最具竞争力的方法。制备具有良好润滑特性且性能稳定的水凝胶薄膜以及如何实现薄膜制备方法的简单、高效、适用成为亟待解决的问题。本项目开展了表面引发原子转移自由基聚合制备具水凝胶薄膜新方法的研究。将本体聚合制备水凝胶方法和技术引入到表面上来制备水凝胶薄膜。以2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA)为单体，poly(ethylene glycol) dimethacrylate(PEG-DA)为交联剂，选择适当的引发剂分子接枝到单晶硅表面。在室温下，引发原子转移自由基聚合形成交联的聚合物网络薄膜。通过控制反应的时间来控制形成薄膜的厚度。未交联的PHEMA聚合物刷膜在摩擦试验机测定摩擦系数约为0.25左右，且耐磨性能较差。而在相同条件下，交联的PHEMA薄膜和PEGDMA薄膜的摩擦系数都保持在0.1附近，并且持续相当长时间后，摩擦系数依然维持在较低水平。这也说明PEGDMA交联剂的加入，增强了薄膜的机械强度，大大提高了薄膜的抗磨损性能。这也证明了水凝胶薄膜作为关节润滑薄膜的可能性和有效性，为水凝胶薄膜应用在人工关节中提供可靠的理论指导。.同时围绕水凝胶薄膜的制备和摩擦学性能为中心，开展了自组装单分子薄膜的制备研究，为表面引发剂层的制备提供了必要的参考。作为横向比较，我们还制备了PAA/聚合物胶束薄膜和POMA聚合物薄膜并考察了其摩擦学性能，研究发现这些采用“graft to”方法制备的聚合物薄减摩抗磨性能不如交联的PHEMA膜。这些薄膜虽不适合作为人工关节抗磨涂层，由于具有良好的生物相容性，可以用一次性摩擦表面上，如导尿管涂层。