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  人工關(guān)節(jié)和軟組織假體等生物醫(yī)學(xué)植入物的長(zhǎng)期可靠性是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。在日常活動(dòng)中，這些承重裝置會(huì)經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)次的摩擦循環(huán)，不可避免地產(chǎn)生磨損碎屑并引發(fā)界面損傷，最終可能導(dǎo)致植入失敗。盡管現(xiàn)有超高分子量聚乙烯等硬質(zhì)醫(yī)用樹(shù)脂材料在臨床上廣泛應(yīng)用，但它們難以模仿天然生物組織的復(fù)雜分層結(jié)構(gòu)，因此難以同時(shí)兼顧優(yōu)異的潤(rùn)滑性和強(qiáng)大的承載能力，這限制了其服役中效果和安全性。

  為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，南京大學(xué)王煒/曹毅/薛斌團(tuán)隊(duì)受到天然關(guān)節(jié)軟骨多層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，基于Lake-Thomas模型設(shè)計(jì)了一種具有齒合（picot）結(jié)構(gòu)、分級(jí)特征的自組裝纖維水凝膠涂層（picot-fiber hydrogel coating, PFHC）。該團(tuán)隊(duì)提出的PFHC精妙地模仿了天然膠原軟骨的組織結(jié)構(gòu)，將一個(gè)用于潤(rùn)滑的多孔富水表面層和一個(gè)用于承載的堅(jiān)韌纖維增強(qiáng)核心層整合在一起。其核心創(chuàng)新在于引入了“picot纖維”作為自組裝肽鏈形成的納米結(jié)構(gòu)。這些納米纖維因具有絲素蛋白序列，具有通過(guò)可逆的解離和重組過(guò)程，以及釋放隱藏長(zhǎng)度來(lái)有效耗散能量，從而賦予了水凝膠網(wǎng)絡(luò)優(yōu)異的韌性、抗疲勞性和快速的機(jī)械恢復(fù)能力。

  2026年2月6日，該工作以“Hierarchical picot-fiber hydrogel coating with ultralow friction and high wear resistance”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。文章第一作者為南京大學(xué)助理研究員孫魏，通訊作者為南京大學(xué)薛斌副教授，曹毅教授和王煒教授。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后面上項(xiàng)目和江蘇省卓越博士后等項(xiàng)目的支持。

圖1 Picot纖維水凝膠涂層（PFHC）及其設(shè)計(jì)機(jī)制示意圖

  這種潤(rùn)滑-耐磨一體優(yōu)化性能的核心在于其功能解耦策略：疏松、高水合的頂層負(fù)責(zé)提供持續(xù)的水合潤(rùn)滑，而致密的纖維增強(qiáng)核心層則承擔(dān)主要的機(jī)械載荷。這種分工明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功克服了傳統(tǒng)單層水凝膠在潤(rùn)滑性與耐磨性之間難以兼顧的固有矛盾。通過(guò)精巧的設(shè)計(jì)，PFHC涂層展現(xiàn)出與天然軟骨相媲美的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該涂層具有極高的韌性（斷裂能高達(dá)~21.7 kJ m^-2）和抗疲勞性（疲勞閾值約為~337 J m^-2），能夠在經(jīng)受上千次加載循環(huán)后依然不出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展。更重要的是，其摩擦系數(shù)低至 ~0.009，實(shí)現(xiàn)了超低摩擦，并且在超過(guò)100,000次的長(zhǎng)期滑動(dòng)測(cè)試中幾乎沒(méi)有表現(xiàn)出任何磨損。

圖2 PFHC的表面潤(rùn)濕性、微觀結(jié)構(gòu)表征和自組裝熒光標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

圖3 PFHC在模擬體液潤(rùn)滑測(cè)試條件下摩擦學(xué)測(cè)試與磨痕特征

圖4 帶有不同ALIBC涂層的水凝膠的力學(xué)特性

  這項(xiàng)研究為開(kāi)發(fā)可靠、長(zhǎng)效的生物醫(yī)學(xué)植入物和醫(yī)療器械表面涂層提供了一種全新的、可推廣的策略。通過(guò)模仿天然軟骨的分層設(shè)計(jì)理念，并巧妙地利用類絲素蛋白肽的自組裝設(shè)計(jì)，成功地將超低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨性能整合到單一水凝膠涂層中，解決了該領(lǐng)域存在的技術(shù)瓶頸。該成果不僅為設(shè)計(jì)下一代高性能人工關(guān)節(jié)等植入式醫(yī)療器械提供了新的思路，也為軟體機(jī)器人、水下設(shè)備等需要兼顧潤(rùn)滑與耐久的工程應(yīng)用，提供了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69322-2

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