天然軟骨是一種兼?zhèn)涔?液雙相特征、具有典型層狀結(jié)構(gòu)特征和特殊應(yīng)力耗散機(jī)制的濕滑材料。目前，從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，尋找類似于天然軟骨的新型潤(rùn)滑材料具有挑戰(zhàn)性。其中，表面接枝聚合物刷和水凝膠材料引發(fā)關(guān)注。但傳統(tǒng)表面引發(fā)聚合方法制備的聚合物刷層較薄，在宏觀粗糙接觸尺度下易被剪切磨掉，這限制了其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。水凝膠是由親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高分子材料，但傳統(tǒng)水凝膠的水化能力與承載能力呈反比，水化度高的水凝膠材料過(guò)軟，在高承載剪切過(guò)程中易變形；力學(xué)強(qiáng)度較高的凝膠表面水化性能較差，無(wú)法給予水凝膠優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。過(guò)去20年，學(xué)術(shù)界對(duì)軟物質(zhì)潤(rùn)滑材料的研究，未能協(xié)同考慮界面潤(rùn)滑、機(jī)械承載和抗磨損。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料表/界面課題組聚焦于研究高性能仿生水潤(rùn)滑材料。近期，該課題組與英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院等合作，構(gòu)筑了新型仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨水潤(rùn)滑材料，實(shí)現(xiàn)宏觀粗糙尺度接觸工況下高承載、低摩擦和抗磨損性能的統(tǒng)一，促進(jìn)高性能軟物質(zhì)水潤(rùn)滑材料走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。

研究人員研發(fā)出仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨潤(rùn)滑材料

研究人員通過(guò)認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)和分析天然關(guān)節(jié)軟骨的界面水潤(rùn)滑機(jī)制、生化結(jié)構(gòu)分布特征和特殊的機(jī)械應(yīng)力耗散機(jī)制，提出新型雙層結(jié)構(gòu)化聚合物刷/水凝膠復(fù)合材料的制備策略。研究人員將引發(fā)劑接枝于高強(qiáng)度雙交聯(lián)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP），聚合物刷從凝膠亞表面生長(zhǎng)出來(lái)并纏繞進(jìn)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)典型的分層結(jié)構(gòu)。材料上層由于離子型聚合物刷的存在，形成疏松的島狀結(jié)構(gòu)且具有更高水化程度，起到潤(rùn)滑減磨的作用；下層的凝膠保持致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予材料更高的承載能力。研究表明，表層和底層的厚度及兩層的力學(xué)模量匹配度是控制界面潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵因素。仿生層狀材料在相對(duì)較高的負(fù)載（~10 N，接觸應(yīng)力~8.5 MPa）條件下，經(jīng)過(guò)50000次的往復(fù)循環(huán)摩擦后，其表面摩擦系數(shù)仍可穩(wěn)定維持在0.025左右，證明了其潤(rùn)滑性能。科研人員通過(guò)觀察材料表面磨痕形貌，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)50000次的循環(huán)測(cè)試后，材料表層幾乎沒(méi)有磨損現(xiàn)象，驗(yàn)證了此類材料的抗磨損能力。研究團(tuán)隊(duì)與帝國(guó)理工學(xué)院教授D.Dini團(tuán)隊(duì)合作，從界面潤(rùn)滑和接觸力學(xué)雙重角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)性理論解釋，明確仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨材料的潤(rùn)滑、承載和抗磨損機(jī)制。