天然關(guān)節(jié)軟骨由于其滲透性的表面潤滑生物大分子和良好的機(jī)械耐受性，顯示出低摩擦、高承載和優(yōu)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(guān)節(jié)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(rèn)為是天然軟骨的潛在替代材料。然而，傳統(tǒng)的水凝膠材料機(jī)械性能較差，受壓剪切過程很容易發(fā)生彈性變性（特別是在球-面接觸工況下），即缺乏有效的力學(xué)網(wǎng)絡(luò)支撐結(jié)構(gòu)和能量耗散途徑，限制了其工程應(yīng)用。

　　受天然關(guān)節(jié)軟骨優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能和表面水合潤滑機(jī)制啟發(fā)（圖1），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周峰研究員團(tuán)隊開發(fā)了一種兼具力學(xué)承載和潤滑功能的復(fù)合型仿生軟骨潤滑材料（Composite-LP），即通過溶脹引發(fā)聚合策略，將聚電解質(zhì)刷層化學(xué)接枝到3D打印的彈性體支架-水凝膠復(fù)合體亞表面，上層的聚電解質(zhì)刷-彈性體-水凝膠復(fù)合相提供有效的水潤滑特性，底部的彈性體支架-水凝膠復(fù)合相起機(jī)械承載功能。

圖1. Composite-LP的制備工藝設(shè)計概念及原理圖

　　機(jī)械性能表征表明，Composite-LP表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，如彈性恢復(fù)、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(yīng)力并儲存施加在樣品上的彈性能量。這種非耗散性機(jī)制沒有利用犧牲網(wǎng)絡(luò)或斷裂鍵來耗散能量。此外，將非耗散機(jī)制和界面潤滑策略相結(jié)合，不僅大幅度降低了凝膠相的機(jī)械變形，而且使Composite-LP在動態(tài)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(shè)計理念有望在仿生潤滑領(lǐng)域得到應(yīng)用（圖4）。

圖2. 機(jī)械力學(xué)性能表征

圖3. 抗沖擊性能示意圖及演示

圖4. 摩擦學(xué)性能表征

　　該工作以“Bioinspired Design of a Cartilage-like Lubricated Composite with Mechanical Robustness”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。中國科學(xué)院大學(xué)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(xué)基金重點項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、山東省重大基礎(chǔ)研究項目以及蘭州化物所“十四五”規(guī)劃項目等的支持。