蘭州化物所研發出具有優異性能的仿生層狀關節軟骨潤滑材料

  天然軟骨是一種兼備固-液雙相特征、具有典型層狀結構特征和特殊應力耗散機制的濕滑材料。目前,從工程應用角度來講,尋找類似于天然軟骨的新型潤滑材料仍然是一個挑戰。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注。然而,傳統表面引發聚合方法制備的聚合物刷層往往較薄,在宏觀粗糙接觸尺度下很容易被剪切磨掉,嚴重限制了其在工程領域中的應用。而水凝膠是一種由親水性聚合物網絡構成的高分子材料,但是傳統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軟,在高承載剪切過程中易變形,力學強度較高的凝膠表面水化性能往往較差,無法給予水凝膠優良的潤滑性能。過去20年,針對軟物質潤滑材料相關的研究未能從界面潤滑、機械承載和抗磨損三個角度協同考慮。

  中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室材料表面與界面課題組長期聚焦于高性能仿生水潤滑材料的研究工作。近期,該課題組與英國帝國理工學院等合作,構筑了新型仿生層狀關節軟骨水潤滑材料,實現了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一,對推動高性能軟物質水潤滑材料走向實際工程應用起到了積極的促進作用。

仿生層狀關節軟骨材料設計思想、材料基本結構和宏觀摩擦學性能評價

  該研究工作通過學習、分析和認識天然關節軟骨的界面水潤滑機制、生化結構分布特征和特殊的機械應力耗散機制,提出了一種新型雙層結構化聚合物刷/水凝膠復合材料的制備策略。

  具體來講,研究人員通過將引發劑接枝于高強度雙交聯水凝膠網絡當中,經過原子轉移自由基聚合(ATRP),聚合物刷會從凝膠亞表面生長出來纏繞進水凝膠網絡中,從而實現典型的分層結構。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構并且具有更高的水化程度,起到了潤滑減磨的作用。而下層的凝膠保持著致密的網絡結構從而賦予材料更高的承載能力。研究人員認為表層和底層的厚度以及兩層的力學模量匹配度是控制界面潤滑性能的關鍵因素。仿生層狀材料在相對較高的負載(~10 N,接觸應力~8.5 MPa)條件下,經過50000次的往復循環摩擦后,其表面摩擦系數仍然可穩定維持在0.025左右,證明了其出色的潤滑性能。隨后,通過觀察材料表面磨痕形貌發現經過50000次的循環測試后,材料表層幾乎沒有磨損現象,驗證了此類材料優異的抗磨損能力。研究團隊通過與英國帝國理工學院D. Dini教授團隊合作,從界面潤滑和接觸力學雙重角度對實驗結果進行了系統性理論解釋,明確了仿生層狀關節軟骨材料的潤滑、承載和抗磨損機制。

  以上工作到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院對外合作項目、中科院前沿局重點項目和中國科協青年人才托舉工程計劃等的支持。相關成果發表在Advanced Functional Materials(2020, DOI: 10.1002/adfm.202004062)上。

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