受天然关节软骨启发，清华大学研究团队合作开发自修复水 合润滑表面

对于许多精细而又关键的机械零件来说，摩擦与磨损造成的问题不容小觑，它不仅是这些零件失效的重要原因之一，而且有时会使整个系统发生故障。

在人工关节等植介入医疗器械领域，由于这类医疗器械会在工作过程中与人体的组织直接接触并与人体组织互相摩擦，一旦这些医疗器械没有良好的润滑特性，通常很有可能给患者带来身体不适的反应，严重时甚至可能进一步导致组织的损伤和病变。此外，如果医疗器械发生磨损，表面还更有可能被细菌污染，这一风险尤其对于那些长期植入体内的医疗器械十分严重，因为随着时间的推移，这些医疗器械会进一步引发血栓、结石等并发症。

因此，拥有良好的润滑表面的医疗器械无疑具有更好的特性，它不仅可以减少摩擦造成的对人体组织的伤害，而且可以给患者带来更少的不舒适感，并发症发生的机率更小。

良好的润滑性能对于人工关节等植介入医疗器械具有关键性的意义。

此前，曾经有各种研究来提高医疗器械的润滑特性。比如，基于共价键修饰的表面涂层技术大大提高了其摩擦性能，但是这种涂层面对长时间的摩擦仍有不足。

而“水合润滑表面”通过巧妙的设计，可以提高医疗器械面对长期摩擦的性能的潜力。我们知道天然的关节软骨有着非常良好的润滑特性，这其中的原因在于关节软骨表面有着带有电荷的生物大分子，它们可以形成“水合润滑”机制。

所谓“水合润滑”，是指在某些生物大分子电荷的周围，水分子会因为固有的偶极矩而吸附在其上，形成水化层。而水化层不僅空间稳定性很高，拥有较大的承载能力，而且水化层中的水分子与其他的自由水分子可以很快的交换，从而保持快速的松弛效能，这样在面对剪切力时，表现出更好的流体效应和更小的摩擦系数。在水合润滑中，两个表面的摩擦通过离子-偶极的作用而被转化成了这两个表面上的水分子之间的摩擦。聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱是一种很好的水合润滑材料。但是，这一课题组发现，这种材料的水合润滑的分子刷结构会随着时间推移而受到摩擦破坏，进而导致材料表面发生磨损。

共价键修饰的表面发生不可逆磨损与自组装修饰表面的可动态修复示意图

最近来自清华大学的课题组受到天然关节软骨的润滑机理启发而设计出了可修复的水合润滑表面，则将有望解决这一问题。

在这篇由清华大学张洪玉副研究员与英国杜伦大学保罗·麦格尼格尔教授团队合作发表在Chem上的题为《水合润滑表面的超分子修复》的研究中，研究团队通过在水合润滑材料的分子刷结构中引入“超分子主客体化学”，巧妙地实现了材料水合润滑表面的可修复功能。

研究中的可修复功能主要是通过“超分子作用”来实现的，也就是说，将润滑表面的主体部分与自由基的引发剂相结合，并进一步引发原位聚合物，从而使得拥有主体分子的分子刷结构被制备而成。接下来，在基质表面上修饰客体分子，这样分子刷结构就随着主客体作用而被“安装”到了基质的表面上。这样，在表面的润滑层由于摩擦而被分解离散时，拥有润滑能力的聚合物分子会与被修饰过表面的客体分子重新组装，这样就可以使得表面的润滑性能得以恢复。

利用AFM接触模式对表面进行往复摩擦后，激光共聚焦 显微镜显示的20μm×20μm磨损区

这一拥有可修复功能的水合润滑表面也通过红外线光谱、XPS光谱等方法得到了分子结构的确认。在性能测试中，这种水合润滑表面的摩擦系数以及可修复功能也得到了评估。

为了显示这种材料的可修复润滑特性，研究人员在这种材料中引入了荧光分子，将没有荧光的聚合物材料浸泡在了含荧光物质的溶液中，并进行局部区域的长时间摩擦。从上图可以看出，在AFM接触模式，也就是用探针的针尖来粘结裸聚苯乙烯微球的情况下，对表面进行摩擦之后，受到磨损的表面得到了自修复，反之亦然。 （综合整理报道） （编辑/克珂）