聚合物水凝膠因其獨特的設計，可廣泛應用于生物醫學、農業等多個領域。作為界面材料，水凝膠的優異潤滑性能尤為重要。為了提升水凝膠的潤滑效果，目前常見的做法是將潤滑成分嵌入水凝膠中或接枝于其表面。然而，這些方法存在一個關鍵問題：一旦低摩擦的潤滑層被破壞，或水凝膠內的潤滑成分（如脂質等）耗盡，其潤滑性能便會迅速下降。因此，如何延長潤滑水凝膠的使用壽命仍是該領域研究的重點。為了解決這一問題，山東大學王旭教授團隊借鑒關節軟骨的潤滑機制，開發出一種名為PHEMA/ε-PL10的聚電解質水凝膠。該水凝膠中的聚賴氨酸（ε-PL）可以持續捕獲環境中的二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿（DMPC），并在表面自發形成潤滑層，從而有效降低摩擦。PHEMA/ε-PL10水凝膠在2 N的壓力下，摩擦系數（COF）低至0.02，接近人體關節軟骨的摩擦系數。即使表面DMPC被磨損，ε-PL依舊能夠通過超分子作用捕獲環境中的DMPC，保持持久的潤滑效果。實驗結果表明，即使在500天后，水凝膠仍能保持極低的摩擦系數。該研究以題為“Innovating Lubrication with Polyelectrolyte Hydrogels: Sustained Performance Through Lipid Dynamics”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。
1.聚電解質水凝膠的合成與表征
ε-PL是一種獨特的多肽分子，由L-賴氨酸的羧基與其ε-氨基通過肽鍵連接合成。它不僅具有優異的生物相容性，還具備良好的熱穩定性和抗菌性能。憑借其獨特的分子結構，ε-PL能夠通過氫鍵、疏水作用和庫侖相互作用與脂質分子形成潛在的非共價鍵，使其在生物材料中的應用前景更加廣闊。在該水凝膠的合成過程中，研究團隊精確混合了HEMA、MBAA、ε-PL和I2959，采用一鍋法合成，并通過365 nm的紫外線照射，成功制備出一系列水凝膠。根據水凝膠中ε-PL的含量不同，分別命名為PHEMA、PHEMA/ε-PL5、PHEMA/ε-PL10和PHEMA/ε-PL20。研究表明，PHEMA/ε-PL5和PHEMA/ε-PL10在二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿（DMPC）懸浮液中展現了出色的潤滑性能，因此后續的深入研究主要集中在PHEMA/ε-PL10上。
圖1. PHEMA/ε-PL聚電解質水凝膠的表征。
2.PHEMA/ε-PL10水凝膠的表面特性
PHEMA/ε-PL10水凝膠在浸泡于DMPC懸浮液后展現出卓越的潤滑性能。原子力顯微鏡圖像表明，該水凝膠表面較為平整，均方根粗糙度僅為6.22 nm。同時，冷凍掃描電子顯微鏡圖像顯示，該水凝膠表面及其橫截面具有清晰的網狀結構，這種復雜的網狀結構對于其潤滑效果至關重要，類似于天然關節軟骨的微觀特性。PHEMA/ε-PL10水凝膠在承受50%壓縮應變后能夠迅速恢復原狀，展示出卓越的壓縮韌性和抗疲勞性能。激光共聚焦掃描顯微鏡進一步觀察到，ε-PL在水凝膠中均勻分布。通過耗散型石英晶體微天平研究ε-PL與DMPC的相互作用，結果表明，ε-PL修飾的金芯片能夠有效吸附DMPC，并自發組裝成磷脂雙分子層。此外，差示掃描量熱法和核磁共振氫譜揭示了ε-PL與DMPC之間通過氫鍵、偶極-電荷相互作用和疏水作用形成了穩定的潤滑層。這些作用力共同保障了水凝膠的長效潤滑性能。
圖2.PHEMA/ε-PL10水凝膠的多模態分析及與DMPC的超分子相互作用。
3.PHEMA/ε-PL10水凝膠的持久潤滑性能分析
該研究展示了PHEMA/ε-PL10水凝膠的卓越潤滑性能，主要得益于其通過超分子相互作用不斷捕獲環境中的脂質，進而誘導界面自組裝形成穩定的潤滑層。在每日的摩擦測試中，水凝膠始終保持極低的摩擦系數，穩定在0.01至0.03之間。長期摩擦實驗結果表明，PHEMA/ε-PL10水凝膠在DMPC緩沖液中的低摩擦性能能夠持續500天，突顯出其強大的長期潤滑潛力。這種持久的潤滑效果歸因于ε-PL對脂質的高效吸附能力，能夠在機械磨損下不斷更新潤滑層。通過摩擦循環測試，研究團隊建立了COF與摩擦循環次數的關系模型。即使在經歷了19,800次摩擦循環后，水凝膠的最終摩擦系數仍保持在0.022，充分證明了其優異的自愈性和耐久性。
圖3.PHEMA/ε-PL10水凝膠的持久潤滑性能。
4.各種聚電解質水凝膠的潤滑性能
為了深入探究脂質在水凝膠上的吸附機制，本研究合成了多種聚電解質水凝膠，并采用一鍋法在紫外照射下將HEMA、MBAA與不同的聚電解質的混合物進行聚合。通過掃描電子顯微鏡對這些水凝膠的表面特征及其微觀結構進行了表征，結果表明，聚電解質的電荷特性對水凝膠的潤滑性能產生了顯著影響。研究發現，雖然PHEMA/PDDA10水凝膠帶有正電荷，但由于缺乏氫鍵供體，其對DMPC的吸附效果較差，潤滑性能不理想。相較之下，PHEMA/PAH10、PHEMA/LPEI10和PHEMA/PLL10水凝膠表現出顯著的脂質吸附能力，摩擦系數顯著降低。由此可見，界面自組裝的形成需要氫鍵、偶極-電荷和疏水相互作用的共同參與，這些超分子相互作用對于實現優異的潤滑性能至關重要。
圖4.含不同聚電解質的水凝膠的表征。
總結：該研究巧妙地將ε-PL引入到PHEMA水凝膠中，成功開發出一種具有顯著潤滑性能的PHEMA/ε-PL10水凝膠。這種水凝膠不僅能夠高效吸附脂質，還能促進其表面水合層的形成，顯著降低了摩擦系數COF。通過全面的摩擦性能評估，研究深入揭示了氫鍵、偶極-電荷相互作用及疏水作用在驅動脂質界面自組裝和增強材料潤滑性能中的關鍵作用。此外，PHEMA/ε-PL10水凝膠展示了卓越的潤滑層自愈特性，并具有特殊的彈性，這為其在廣泛的潤滑應用場景中提供了全新的發展空間。該材料的優異性能使其在醫療設備、仿生關節和其他高性能潤滑領域展現了巨大的應用潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413712
