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)講，尋找類(lèi)似于天然軟骨的新型潤(rùn)滑材料仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。其間，表面接枝聚合物刷和水凝膠材料引起了廣泛的研究和關(guān)注。然而，傳統(tǒng)表面引發(fā)聚合方法制備的聚合物刷層往往較薄，在宏觀(guān)粗糙接觸尺度下很容易被剪切磨掉，嚴(yán)重限制了其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。而水凝膠是一種由親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高分子材料，但是傳統(tǒng)水凝膠的水化能力與承載能力總是呈反比，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往往較差，無(wú)法給予水凝膠優(yōu)良的潤(rùn)滑性能。過(guò)去20年，針對(duì)軟物質(zhì)潤(rùn)滑材料相關(guān)的研究未能從界面潤(rùn)滑、機(jī)械承載和抗磨損三個(gè)角度協(xié)同考慮。

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)室材料表面與界面課題組長(zhǎng)期聚焦于高性能仿生水潤(rùn)滑材料的研究工作。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)了宏觀(guān)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，對(duì)推動(dòng)高性能軟物質(zhì)水潤(rùn)滑材料走向?qū)嶋H工程應(yīng)用起到了積極的促進(jìn)作用。

仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨材料設(shè)計(jì)思想、材料基本結(jié)構(gòu)和宏觀(guān)摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)

該研究工作通過(guò)學(xué)習(xí)、分析和認(rèn)識(shí)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，提出了一種新型雙層結(jié)構(gòu)化聚合物刷/水凝膠復(fù)合材料的制備策略。

具體來(lái)講，研究人員通過(guò)將引發(fā)劑接枝于高強(qiáng)度雙交聯(lián)水凝膠網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，經(jīng)過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP），聚合物刷會(huì)從凝膠亞表面生長(zhǎng)出來(lái)纏繞進(jìn)水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，從而實(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，形成了疏松的島狀結(jié)構(gòu)并且具有更高的水化程度，起到了潤(rùn)滑減磨的作用。而下層的凝膠保持著致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而賦予材料更高的承載能力。研究人員認(rèn)為表層和底層的厚度以及兩層的力學(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)仍然可穩(wěn)定維持在0.025左右，證明了其出色的潤(rùn)滑性能。隨后，通過(guò)觀(guān)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(lèi)材料優(yōu)異的抗磨損能力。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)與英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院D. Dini教授團(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)行了系統(tǒng)性理論解釋?zhuān)鞔_了仿生層狀關(guān)節(jié)軟骨材料的潤(rùn)滑、承載和抗磨損機(jī)制。

以上工作到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院對(duì)外合作項(xiàng)目、中科院前沿局重點(diǎn)項(xiàng)目和中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程計(jì)劃等的支持。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)dvanced Functional Materials（2020, DOI: 10.1002/adfm.202004062)上。