祝賀我司客戶蘭州化物所仿生關(guān)節(jié)軟骨材料研究取得系列進(jìn)展

人體滑膜關(guān)節(jié)能夠在*的赫茲接觸壓力（3-18 MPa）下呈現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)（0.001-0.03）。無論是靜止還是運動狀態(tài)，關(guān)節(jié)界面始終都能夠保持超低的摩擦系數(shù)，支撐人體正常運動過程。研究表明，包覆在骨關(guān)節(jié)表面的重要軟組織——關(guān)節(jié)軟骨在減小骨與骨之間的摩擦以及緩沖運動時產(chǎn)生的震動等方向起著至關(guān)重要的作用。關(guān)節(jié)軟骨具有非常復(fù)雜與精細(xì)的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)可以被簡化成一種雙相模型，即關(guān)節(jié)軟骨具有流體相與固體相：流體相是一種多孔結(jié)構(gòu)，孔中包埋有大量的生物大分子，具有動態(tài)自適應(yīng)性能，其與關(guān)節(jié)潤滑液協(xié)同起到很好的潤滑減摩作用；固體相則在低速運動中起到了很好的承載作用。由于關(guān)節(jié)軟骨缺少必要的血管，使得關(guān)節(jié)軟骨在受到損傷后很難實現(xiàn)自我修復(fù)，這就促使臨床上對關(guān)節(jié)軟骨替代材料有迫切的需求。水凝膠作為一種具有濕、軟特性三維網(wǎng)絡(luò)高分子材料，與關(guān)節(jié)軟骨有諸多的相似之處，因而被視為一種比較理想的關(guān)節(jié)軟骨替代材料。自上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外科學(xué)家開展了大量水凝膠摩擦學(xué)相關(guān)的研究工作，以期獲得與人體關(guān)節(jié)相媲美的超低摩擦系數(shù)和高承載的水凝膠材料。然而，具有良好潤滑性能的水凝膠機械性能較差，而提高力學(xué)性能后又不能獲得很好的潤滑性能。水凝膠的這些缺陷以及潤滑與強度的矛盾使得水凝膠在關(guān)節(jié)軟骨替換材料領(lǐng)域的實際應(yīng)用受到了極大的限制。因此，發(fā)展一種具有高承載、低摩擦及抗磨損特性的水凝膠材料顯得尤為緊迫。

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　　近期，受關(guān)節(jié)軟骨雙相、梯度結(jié)構(gòu)啟發(fā)，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員周峰團隊在結(jié)構(gòu)化水凝膠構(gòu)筑仿生關(guān)節(jié)軟骨材料研究方面取得了系列進(jìn)展，實現(xiàn)了具有高承載、低摩擦的軟硬復(fù)合結(jié)構(gòu)化水凝膠材料，為開發(fā)設(shè)計新型人工關(guān)節(jié)材料提供了理論指導(dǎo)和。該團隊采用軟硬復(fù)合的仿生界面設(shè)計策略，將聚丙烯酸 (PAA) 水凝膠澆筑成型到多孔陽極氧化鋁 (AAO) 模板中，構(gòu)筑了一種新型的軟硬復(fù)合表面（圖1）。基底為硬質(zhì)的 AAO 模板，表面層為有序的水凝膠納米纖維陣列，類似于軟骨表面的膠原纖維陣列。在高載荷滑動剪切下，表層水凝膠起到減摩效果，硬質(zhì) AAO 模板起到承載作用。該復(fù)合表面能夠在40 N 的高載荷下，實現(xiàn)界面的超低摩擦系數(shù)(10^-3 級別)。進(jìn)一步，由于聚丙烯酸水凝膠的酸、堿響應(yīng)特性，該復(fù)合表面可以在高的赫茲接觸壓力下實現(xiàn)界面摩擦系數(shù)原位、快速、穩(wěn)定、可逆的轉(zhuǎn)變。該工作發(fā)表在期刊《先進(jìn)功能材料》（Nano-porous substrate-infiltrated hydrogels: a bio-inspired regenerable surface for high load bearing and tunable friction, Shuanhong Ma, M. Scaraggi, Daoai Wang, Xiaolong Wang, Yongmin Liang, Weimin Liu, D. Dini* and Feng Zhou*, Adv. Funct. Mater. 2015, 47, 7366-7374）上。

　　基于相同的設(shè)計理念，該團隊研究人員利用3D打印ABS模具表面活潑氫對聚合的弱阻聚效應(yīng)，采用界面誘導(dǎo)調(diào)控聚合成型技術(shù)，開發(fā)了一種高強度水凝膠軟骨材料，該水凝膠材料分為兩層，表層為具有超滑特性的大孔水凝膠網(wǎng)絡(luò)，底層為具有致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高強度水凝膠（圖2）。滑動剪切過程中，多孔高含水的表層水凝膠網(wǎng)絡(luò)起到潤滑作用，而底層的低含水高強度水凝膠網(wǎng)絡(luò)起到承載作用，從而實現(xiàn)了水凝膠材料高承載與低摩擦性能的統(tǒng)一。該層狀水凝膠軟骨材料可在幾個兆帕級別接觸壓力下，實現(xiàn)超低摩擦系數(shù)，有望用作新一代關(guān)節(jié)軟骨材料。該研究結(jié)果發(fā)表在ACS Macro Letters（Articular Cartilage Inspired Bilayer Tough Hydrogel Prepared by Interfacial Modulated Polymerization Showing Excellent Combination of High Load-Bearing and Low Friction Performance, Peng Lin, Ran Zhang, Xiaolong Wang*, Meirong Cai, Jun Yang, Bo Yu, and Feng Zhou*, ACS Macro Lett. 2016, 5: 1191-1195）上。

　　基于上述研究工作，研究團隊受《聚合物》（Polymer）期刊邀請撰寫了首篇關(guān)于結(jié)構(gòu)化水凝膠方面的綜述論文（Structural hydrogels, Shuanhong Ma, Bo Yu, Xiaowei Pei*, Feng Zhou*,Polymer, 2016, 98, 516-535）。該論文對國內(nèi)外結(jié)構(gòu)化水凝膠發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜述，概述了新一代結(jié)構(gòu)化水凝膠的制備方法及應(yīng)用前景，對摩擦學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家從事結(jié)構(gòu)化生物潤滑材料研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

　　上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院重點部署項目和“西部之光”人才培養(yǎng)計劃的資助。

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