聚合物水凝胶因其独特的设计，可广泛应用于生物医学、农业等多个领域。作为界面材料，水凝胶的优异润滑性能尤为重要。为了提升水凝胶的润滑效果，目前常见的做法是将润滑成分嵌入水凝胶中或接枝于其表面。然而，这些方法存在一个关键问题：一旦低摩擦的润滑层被破坏，或水凝胶内的润滑成分（如脂质等）耗尽，其润滑性能便会迅速下降。因此，如何延长润滑水凝胶的使用寿命仍是该领域研究的重点。为了解决这一问题，山东大学王旭教授团队借鉴关节软骨的润滑机制，开发出一种名为PHEMA/ε-PL10的聚电解质水凝胶。该水凝胶中的聚赖氨酸（ε-PL）可以持续捕获环境中的二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC），并在表面自发形成润滑层，从而有效降低摩擦。PHEMA/ε-PL10水凝胶在2 N的压力下，摩擦系数（COF）低至0.02，接近人体关节软骨的摩擦系数。即使表面DMPC被磨损，ε-PL依旧能够通过超分子作用捕获环境中的DMPC，保持持久的润滑效果。实验结果表明，即使在500天后，水凝胶仍能保持极低的摩擦系数。该研究以题为“Innovating Lubrication with Polyelectrolyte Hydrogels: Sustained Performance Through Lipid Dynamics”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
1.聚电解质水凝胶的合成与表征
ε-PL是一种独特的多肽分子，由L-赖氨酸的羧基与其ε-氨基通过肽键连接合成。它不仅具有优异的生物相容性，还具备良好的热稳定性和抗菌性能。凭借其独特的分子结构，ε-PL能够通过氢键、疏水作用和库仑相互作用与脂质分子形成潜在的非共价键，使其在生物材料中的应用前景更加广阔。在该水凝胶的合成过程中，研究团队精确混合了HEMA、MBAA、ε-PL和I2959，采用一锅法合成，并通过365 nm的紫外线照射，成功制备出一系列水凝胶。根据水凝胶中ε-PL的含量不同，分别命名为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胆碱（DMPC）悬浮液中展现了出色的润滑性能，因此后续的深入研究主要集中在PHEMA/ε-PL10上。
图1. PHEMA/ε-PL聚电解质水凝胶的表征。
2.PHEMA/ε-PL10水凝胶的表面特性
PHEMA/ε-PL10水凝胶在浸泡于DMPC悬浮液后展现出卓越的润滑性能。原子力显微镜图像表明，该水凝胶表面较为平整，均方根粗糙度仅为6.22 nm。同时，冷冻扫描电子显微镜图像显示，该水凝胶表面及其横截面具有清晰的网状结构，这种复杂的网状结构对于其润滑效果至关重要，类似于天然关节软骨的微观特性。PHEMA/ε-PL10水凝胶在承受50%压缩应变后能够迅速恢复原状，展示出卓越的压缩韧性和抗疲劳性能。激光共聚焦扫描显微镜进一步观察到，ε-PL在水凝胶中均匀分布。通过耗散型石英晶体微天平研究ε-PL与DMPC的相互作用，结果表明，ε-PL修饰的金芯片能够有效吸附DMPC，并自发组装成磷脂双分子层。此外，差示扫描量热法和核磁共振氢谱揭示了ε-PL与DMPC之间通过氢键、偶极-电荷相互作用和疏水作用形成了稳定的润滑层。这些作用力共同保障了水凝胶的长效润滑性能。
图2.PHEMA/ε-PL10水凝胶的多模态分析及与DMPC的超分子相互作用。
3.PHEMA/ε-PL10水凝胶的持久润滑性能分析
该研究展示了PHEMA/ε-PL10水凝胶的卓越润滑性能，主要得益于其通过超分子相互作用不断捕获环境中的脂质，进而诱导界面自组装形成稳定的润滑层。在每日的摩擦测试中，水凝胶始终保持极低的摩擦系数，稳定在0.01至0.03之间。长期摩擦实验结果表明，PHEMA/ε-PL10水凝胶在DMPC缓冲液中的低摩擦性能能够持续500天，突显出其强大的长期润滑潜力。这种持久的润滑效果归因于ε-PL对脂质的高效吸附能力，能够在机械磨损下不断更新润滑层。通过摩擦循环测试，研究团队建立了COF与摩擦循环次数的关系模型。即使在经历了19,800次摩擦循环后，水凝胶的最终摩擦系数仍保持在0.022，充分证明了其优异的自愈性和耐久性。
图3.PHEMA/ε-PL10水凝胶的持久润滑性能。
4.各种聚电解质水凝胶的润滑性能
为了深入探究脂质在水凝胶上的吸附机制，本研究合成了多种聚电解质水凝胶，并采用一锅法在紫外照射下将HEMA、MBAA与不同的聚电解质的混合物进行聚合。通过扫描电子显微镜对这些水凝胶的表面特征及其微观结构进行了表征，结果表明，聚电解质的电荷特性对水凝胶的润滑性能产生了显著影响。研究发现，虽然PHEMA/PDDA10水凝胶带有正电荷，但由于缺乏氢键供体，其对DMPC的吸附效果较差，润滑性能不理想。相较之下，PHEMA/PAH10、PHEMA/LPEI10和PHEMA/PLL10水凝胶表现出显著的脂质吸附能力，摩擦系数显著降低。由此可见，界面自组装的形成需要氢键、偶极-电荷和疏水相互作用的共同参与，这些超分子相互作用对于实现优异的润滑性能至关重要。
图4.含不同聚电解质的水凝胶的表征。
总结：该研究巧妙地将ε-PL引入到PHEMA水凝胶中，成功开发出一种具有显著润滑性能的PHEMA/ε-PL10水凝胶。这种水凝胶不仅能够高效吸附脂质，还能促进其表面水合层的形成，显著降低了摩擦系数COF。通过全面的摩擦性能评估，研究深入揭示了氢键、偶极-电荷相互作用及疏水作用在驱动脂质界面自组装和增强材料润滑性能中的关键作用。此外，PHEMA/ε-PL10水凝胶展示了卓越的润滑层自愈特性，并具有特殊的弹性，这为其在广泛的润滑应用场景中提供了全新的发展空间。该材料的优异性能使其在医疗设备、仿生关节和其他高性能润滑领域展现了巨大的应用潜力。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413712
