蘭州化物所仿生潤滑研究取得新進展

  天然關節軟骨由于其滲透性的表面潤滑生物大分子和良好的機械耐受性,顯示出低摩擦、高承載和優異的抗磨損性能。然而,由于磨損、疾病以及外傷等因素的影響,關節軟骨不可避免地會受到一定的損壞。水凝膠表面摩擦力低、生物相容性良好,被認為是天然軟骨的潛在替代材料。然而,傳統的水凝膠材料機械性能較差,受壓剪切過程很容易發生彈性變性(特別是在球-面接觸工況下),即缺乏有效的力學網絡支撐結構和能量耗散途徑,限制了其工程應用。

  受天然關節軟骨優異的機械力學性能和表面水合潤滑機制啟發(圖1),中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室周峰研究員團隊開發了一種兼具力學承載和潤滑功能的復合型仿生軟骨潤滑材料(Composite-LP),即通過溶脹引發聚合策略,將聚電解質刷層化學接枝到3D打印的彈性體支架-水凝膠復合體亞表面,上層的聚電解質刷-彈性體-水凝膠復合相提供有效的水潤滑特性,底部的彈性體支架-水凝膠復合相起機械承載功能。

圖1. Composite-LP的制備工藝設計概念及原理圖

  機械性能表征表明,Composite-LP表現出良好的力學性能,如彈性恢復、抗蠕變、抗疲勞以及抗沖擊性等(圖2,圖3),這是因為三維彈性支架可以分散應力并儲存施加在樣品上的彈性能量。這種非耗散性機制沒有利用犧牲網絡或斷裂鍵來耗散能量。此外,將非耗散機制和界面潤滑策略相結合,不僅大幅度降低了凝膠相的機械變形,而且使Composite-LP在動態剪切過程中具有卓越的減摩功能和耐磨性。這種新的材料設計理念有望在仿生潤滑領域得到應用(圖4)。

圖2. 機械力學性能表征

圖3. 抗沖擊性能示意圖及演示

圖4. 摩擦學性能表征

  該工作以“Bioinspired Design of a Cartilage-like Lubricated Composite with Mechanical Robustness”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。中國科學院大學博士生趙蔚祎為論文第一作者,蘭州化物所周峰研究員、麻拴紅副研究員與趙曉鐸助理研究員為通訊作者。

  以上研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、中科院戰略性先導科技專項、山東省重大基礎研究項目以及蘭州化物所“十四五”規劃項目等的支持。

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