髖關節(jié)和膝關節(jié)等滑膜關節(jié)，其獨特的生物潤滑機制通過一層薄薄的軟骨覆蓋在關節(jié)表面，旨在有效減少摩擦并緩沖施加的機械應力。然而，隨著年齡的增長或長期過度使用，軟骨結(jié)構逐漸發(fā)生退化和磨損，進而引發(fā)關節(jié)疼痛、腫脹及功能障礙，嚴重時甚至會顯著降低人們的生活質(zhì)量。因此，如何設計能夠模擬天然關節(jié)軟骨的力學行為和潤滑性能的替代材料，已成為關節(jié)修復領域亟待解決的關鍵問題之一。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)其廣泛應用的重大挑戰(zhàn)。

近期研究發(fā)現(xiàn)，鏈構象的熵態(tài)對聚合物材料的結(jié)晶結(jié)構和機械性能至關重要，即高熵聚合物的機械性能由于缺乏晶體結(jié)構而嚴重惡化。為了解決上述問題，中國科學院蘭州化學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)構的比例來構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，再結(jié)合鹽析效應與熱退火技術，進一步增強其機械性能，其中鹽析誘導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)絡的致密化和結(jié)晶優(yōu)點，從而改變了聚合物網(wǎng)絡的微觀結(jié)構。隨后，通過提高聚合物網(wǎng)絡中PVA大分子鏈的百分比（相對于CS的比例）來誘導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)，特別是在人工髖關節(jié)中的應用，為高性能人工關節(jié)潤滑材料的研發(fā)提供了新思路。

相關研究工作以“Mechanically Robust Lubricating Hydrogels Contrived by Harnessing Low-Entropy Nanocrystalline Polymer Network”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。中國科學院蘭州化學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)絡水凝膠的設計原理

圖2. 低熵納米晶域網(wǎng)絡水凝膠的機械性能

圖3.低熵納米晶域網(wǎng)絡水凝膠的摩擦學性能

圖4.低熵納米晶域網(wǎng)絡水凝膠在模擬髖關節(jié)置換手術中的演示

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