结构化仿生摩擦材料的设计、制备与水润滑机理

Inspired by the tribological mechanism of natural biological systems, it is of great scientific significance and practical application value to develop alternative bionic-lubricating materials. In this study, by learning the bio-tribological mechanism of natural articular cartilage, the composite material of polymer brush/high-strength hydrogel/bionic porous substrate with high load, low friction and anti-wear characteristics will be prepared by adapting soft/hard combination principle, layered and gradient design strategy. The effect of grafting condition of the polyelectrolyte brush layer, mechanical properties of the high-strength double-network gel layer, the pore structure of the bionic porous layer, type of bio-lubricants and the friction test conditions on lubrication, bearing and anti-wear property for the composite interface will be studied systematically, and then the boundary conditions to lubrication failure of the composite material will be obtained. On the basis of solving the problems of high load, low friction and long life, the relationship between surface chemical composition and structural regulation with water lubrication will be clarified, and the interface synergistic lubrication mechanism will be proposed. Then a new mathematical theory model of tribology based on interface chemistry, fluid mechanics and mechanical mechanics wille be built, which would provide theoretical basis and technical support for the preparation of new bionic articular cartilage materials.

受天然生物系统摩擦学机制启发，开发可替代型仿生润滑材料具有重要的科学意义和实际应用价值。本课题通过学习天然关节软骨的生物摩擦学机制，拟采用软/硬复合原理、层状与梯度化结构设计策略，制备具有高承载、低摩擦及抗磨损特性的聚合物刷/高强度水凝胶/仿生多孔基底的一体化复合材料，系统研究表层聚电解质刷接枝条件、高强度双网络凝胶层的机械性能、仿生多孔基底层孔结构、生物润滑剂种类、摩擦测试条件对复合界面润滑、承载及抗磨损性能的影响，获得复合材料润滑失效的边界条件。在解决高承载、低摩擦和长寿命等难题的基础上，阐明表面化学组分和结构化调控与水润滑的关系规律，提出界面协同润滑机制，建立全新界面化学-流体力学-机械力学耦合作用的摩擦学数学理论模型，为制备新型仿生关节软骨材料提供理论依据和技术支撑。

人口老龄化对植介入材料和器械表面的水润滑性能提出了更为苛刻的技术需求，设计制备具有高承载/低摩擦/抗磨损功能一体化的仿生水润滑材料，具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目主要研究内容如下：受天然软骨系统优越的水润滑机理、特殊的生化结构和典型的应力耗散机制启发，采用软/硬复合原理、层状与梯度化结构设计策略以及亚表面引发自由基聚合技术方法学，以高强度水凝胶为基体材料，制备得到了多种具有高承载、低摩擦及抗磨损特性的仿生层状软骨润滑材料；系统研究了表层聚电解质刷接枝厚度、高强度凝胶层的力学性能、生物润滑剂种类、摩擦测试条件对其润滑、承载及抗磨损性能的影响；阐明表面化学组分和材料力学特征与水润滑性能之间的科学规律；建立界面化学-流体力学-机械力学耦合作用的摩擦学数学理论模型；并提出了机械响应自适应润滑调控理念。项目取得的重要结果如下：（1）技术层次。制备得到多种仿生层状关节软骨润滑材料，实现了高接触应力条件下（~8.5 MPa）的低摩擦系数（0.01~0.03），经过50000次的往复循环摩擦后，材料表面摩擦系数仍然可稳定维持在0.025左右，润滑层几乎没有磨损，展现出优异的高承载、低摩擦和抗磨损性能，相关性能达到了国际领先水平；（2）数量层次。近3年以来，第一作者或者通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small和Friction等期刊发表高水平论文12篇。申请中国专利8件，美国专利1件，获得授权专利5件。本项目研究结果解决了传统水凝胶基润滑材料承载性能不佳、聚合物刷基润滑材料在宏观尺度抗剪切能力较差等重要科学问题，极大的推进了软物质润滑材料的工程应用步伐，为生物医疗器械领域开发高性能仿生植介入材料与器械提供了重要的理论和技术指导。