髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)等滑膜關(guān)節(jié)，其獨特的生物潤滑機制通過一層薄薄的軟骨覆蓋在關(guān)節(jié)表面，旨在有效減少摩擦并緩沖施加的機械應(yīng)力。然而，隨著年齡的增長或長期過度使用，軟骨結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生退化和磨損，進而引發(fā)關(guān)節(jié)疼痛、腫脹及功能障礙，嚴重時甚至?xí)@著降低人們的生活質(zhì)量。因此，如何設(shè)計能夠模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)行為和潤滑性能的替代材料，已成為關(guān)節(jié)修復(fù)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題之一。在眾多材料中，具備優(yōu)異水合性能和良好生物相容性的水凝膠材料，能夠通過與水分子相互作用，顯著增強潤滑功能，從而有效減少關(guān)節(jié)表面的摩擦與磨損，因此被視為仿生軟骨潤滑材料的理想替代品。然而，由于水凝膠材料在機械強度和水合作用之間存在的內(nèi)在矛盾，如何在保持優(yōu)異潤滑性能的同時確保足夠的承載能力，依然是實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。

近期研究發(fā)現(xiàn)，鏈構(gòu)象的熵態(tài)對聚合物材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和機械性能至關(guān)重要，即高熵聚合物的機械性能由于缺乏晶體結(jié)構(gòu)而嚴重惡化。為了解決上述問題，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍研究員團隊提出了一種低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)調(diào)控策略，即通過調(diào)節(jié)高熵非晶態(tài)和低熵晶態(tài)結(jié)構(gòu)的比例來構(gòu)建機械魯棒性的潤滑水凝膠。具體來說，將不同聚乙烯醇（PVA）和殼聚糖（CS）質(zhì)量比的PVA/CS水溶液經(jīng)過一次冷凍－解凍循環(huán)形成PVA/CS水凝膠網(wǎng)絡(luò)，再結(jié)合鹽析效應(yīng)與熱退火技術(shù)，進一步增強其機械性能，其中鹽析誘導(dǎo)聚合物鏈聚集來形成強氫鍵的PVA/CS超分子基質(zhì)。同時，熱退火工藝通過在PVA側(cè)基之間建立新的氫鍵，進一步無縫整合了交聯(lián)聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的致密化和結(jié)晶優(yōu)點，從而改變了聚合物網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)。隨后，通過提高聚合物網(wǎng)絡(luò)中PVA大分子鏈的百分比（相對于CS的比例）來誘導(dǎo)PVA鏈的結(jié)晶生長，獲得了具有低熵聚合物鏈態(tài)和高結(jié)晶度的PVA/CS水凝膠。最后經(jīng)再水化后獲得具有高機械強度和優(yōu)異潤滑性的水凝膠材料，且性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的PVA水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該水凝膠的機械性能，包括斷裂強度（7.7~17.5 MPa）、彈性模量（8.6~10.6 MPa）、韌性（8.8~62.1 MJ m-3）、壓痕硬度（10.4~21.7 MPa）等，同時該水凝膠的摩擦系數(shù)可低至0.026，其與天然軟骨相當（0.001~0.030），且在10萬次的連續(xù)摩擦條件下也具有很好的潤滑持久性，因此成功實現(xiàn)了水凝膠在機械強度和潤滑性能上的雙重提升，解決了傳統(tǒng)水凝膠在高負載條件下易破裂或變形的問題。此外，研究還展示了PVA/CS水凝膠在模擬人體負載組織中的優(yōu)異表現(xiàn)，特別是在人工髖關(guān)節(jié)中的應(yīng)用，為高性能人工關(guān)節(jié)潤滑材料的研發(fā)提供了新思路。

相關(guān)研究工作以“Mechanically Robust Lubricating Hydrogels Contrived by Harnessing Low-Entropy Nanocrystalline Polymer Network”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所博士研究生胡丹麗為論文第一作者，劉德勝青年研究員和王曉龍研究員為共同通訊作者。

該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、甘肅省科技計劃、蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重點發(fā)展方向項目、中國科學(xué)院特別研究助理資助項目等項目的支持。

圖1.低熵納米晶域聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠的設(shè)計原理

圖2. 低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)水凝膠的機械性能

圖3.低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)水凝膠的摩擦學(xué)性能

圖4.低熵納米晶域網(wǎng)絡(luò)水凝膠在模擬髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)中的演示

文章信息：Danli Hu, Yuke Yan, Wanxin Wei, Changcheng Bai, Yaozhong Lu, Yixian Wang, Fei Zhai,Desheng Liu*, Xiaolong Wang*, Mechanically Robust Lubricating Hydrogels Contrived byHarnessing Low-Entropy Nanocrystalline Polymer Network, Advanced Functional Materials, 2025, 2508450.

全文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202508450

來源：高分子科技