亲水聚合物刷是构筑仿生界面润滑材料的主要途径之一。然而，在高载荷长期摩擦条件下，聚合物刷易发生剪切磨损，导致润滑性能下降。目前尚缺乏高效的表面聚合物刷原位修复与调控手段。因此，如何在高承载与超低摩擦并存的前提下，赋予聚合物刷可重复再生及智能响应特性，已成为该领域需要解决的关键问题之一。

  近期，黄渤海实验室/中科院兰州化物所科研团队利用主客体超分子识别策略，开发了一种表面可再生的高强度润滑水凝胶材料（MRLH）。该材料以β-环糊精（β-CD）主体水凝胶为基底，通过金刚烷ATRP引发剂（Ad-Br）与β-CD的超分子主客体识别实现表面锚定，再经SI-ATRP接枝聚电解质刷（pSPMA）（图1a, b）。该锚定方式使磨损后的聚合物刷层可通过重新浸入引发剂和单体溶液中再次生长，实现聚合物刷界面的多次再生（图1c）。此外，通过接枝不同聚合物刷或使用响应性引发剂可实现表面摩擦温度/光调控（图1d, e）。

  该工作以“Mechanically Robust Lubricating Hydrogels Employing Surface Host-Guest Regenerating Polymer Brushes”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. MRLH的设计与制备

  通过SI-ATRP接枝聚合物刷后，β-CD水凝胶表面形貌随聚合时间发生显著演变。荧光显微图像显示，随着接枝时间从0.25 h延长至5 h，表面逐渐形成密集的褶皱结构，断面图像则清晰呈现了刷层厚度的时间依赖性增长（图2a, b）。扫描电镜进一步证实，表面从光滑逐渐演变为褶皱状，断面出现明显的层状结构，且厚度持续增加（图2c, d）。接枝5 h后，聚合物刷层厚度达到约53 μm（图2e）。

图2. H-CD-Ad-pSPMA水凝胶的接枝动力学

  力学性能测试表明，通过调控水凝胶网络中β-CD-MA的含量（0–20 wt%），可有效调节其力学行为。随着β-CD-MA含量增加，水凝胶的拉伸强度从5.64 MPa提升至8.10 MPa（图3a），韧性则在15 wt%时达到最大值31.08 MJ m^-3，而20 wt%时下降至14.63 MJ m^-3（图3b）。SAXS和AFM结果表明，β-CD的引入增加了交联密度并诱导了微相分离（图3c–f）。值得注意的是，接枝pSPMA刷前后，水凝胶的拉伸强度分别为7.13 MPa和6.97 MPa，70%应变下的压缩强度分别为17.92 MPa和16.72 MPa，几乎保持不变（图3i, j），说明刷层修饰仅局限于表面，未损害水凝胶本体的力学性能。

图3. MRLH的力学性能

  润滑性能方面，MRLH接枝后的COF最低可达0.011。在去离子水、生理盐水、牛血清白蛋白和透明质酸溶液等不同生理环境中，COF均保持在约0.015（图4e）。对钢球、PDMS球和钛球三种对偶面，COF分别为0.011、0.015和0.020（图4f）。在10,000次循环摩擦测试中，5 N和10 N载荷下COF分别稳定在约0.021和0.024，20 N载荷下COF约0.057且略有上升（图4g）。三维轮廓仪磨损轨迹图像显示，5 N载荷下磨损深度为16.26 μm，10 N下为26.71 μm，20 N下虽出现塑性变形但基底未破坏（图4h, i），证实了MRLH具有优异的耐磨性。

图4. MRLH的润滑性能

  更重要的是，该材料表面润滑层具有可再生性。磨损-修复循环示意图展示了MRLH通过再次浸入SI-ATRP溶液实现刷层再生的完整过程（图5a）。在三次“磨损-修复”循环中，每次修复后COF均恢复至约0.028，与初始值相当（图5b）。SEM图像和光学显微照片显示，原始表面刷层完整，磨损后，刷层缺失且表面粗糙，修复后刷层重新形成（图5e i, ii）。断面荧光显微图像表明，荧光标记的刷层在原始状态厚而连续，磨损后变薄且不连续，修复后厚度恢复（图5e iii）。

图5. MRLH的表面可再生性

  此外，通过接枝温敏性pNIPAM刷和光敏性Azo-pSPMA刷，MRLH分别实现了温度和紫外光调控的可逆摩擦切换（图6a）。H-CD-Ad-pNIPAM水凝胶COF从20 °C时的0.023升至80 °C时的0.103，且该温敏响应可逆（图6d）。H-CD-Azo-pSPMA水凝胶COF从可见光下的0.02升至紫外光照射后的0.190，重新接枝后恢复至0.017，且可循环多次（图6g）。

图6. 刺激响应性摩擦调控

  该工作通过主客体超分子相互作用与表面引发聚合物刷相结合，成功构建了集高强度、超低摩擦、多次可修复及刺激响应性于一体的仿生润滑水凝胶，解决了传统润滑水凝胶因表面刷层不可修复而失效的问题。该策略为人工关节软骨、软体机器人、生物医用植入体等领域的智能润滑材料设计提供了新思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78001