高强度各向异性层状水凝胶的设计及摩擦学性能研究

在人工软骨材料的研发中，如何在生理高接触压力下同时实现超低摩擦、近乎为零的表面磨损以及长使用寿命，仍是一项重大挑战。受葱叶独特润滑机制的启发，本研究通过化学方法将厚实的亲水性聚电解质刷链嵌入高强度各向异性水凝胶本体的亚表面，成功构建了一种新型层状柔性水凝胶软骨仿生材料。该材料具有各向异性的聚合物网络结构，展现出独特的力学性能（拉伸强度：8.3–23.7 MPa；弹性模量：20.0–30.0 MPa）、超润滑性及优异的耐磨性。该水凝胶结构在宽范围接触应力（0.2–2.4 MPa）下均能保持极低的摩擦系数（COF < ≈0.01），并在高接触压力（≈2.4 MPa）条件下，实现类软骨的长效（50,000次滑动循环）稳定超润滑（COF ≈ 0.006）与近乎为零的磨损，详细分析和揭示了多尺度表面各向异性、力学响应与水合作用如何协同调控超低摩擦的机制。本研究为开发兼具卓越润滑性与结构鲁棒性的可植入柔性材料及涂层提供了全新的设计范式。