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水凝胶，又发Science了！

高分子科技

2020-10-22

导读：与无脂质水凝胶相比，这一材料的摩擦（和磨损）显著降低了近100倍。而且，即使将凝胶干燥并再水化，仍然保持较好的效果。

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来源：奇物论作者：小狮子

水凝胶是亲水性聚合物链网络，可以吸收大量的水或生物流体。在许多生物医学和其他应用中，每当表面相互滑过时，其润滑性对它们的有效功能就显得额外重要。目前，水凝胶表面的润滑性主要是依赖于滞留在凝胶上的液体而形成的光滑的界面。但是，此类水凝胶的润滑性在整个使用过程中（特别是在负荷情况下）会遇到不持续润滑的情况。

我们知道，我们身体的每个部分就是极好的生物材料，通过模仿它们的成分组成，对于人工生物材料的设计非常有帮助。针对上述的问题，想想我们身体哪个部位是经历了整个生命周期都很少出现不润滑的情况呢？

没错，那就是关节软骨！

关节软骨的低摩擦力归因于流体压力支持了大部分负荷，而其边界润滑则归因于其表面的非流体边界层。研究发现，这些边界层磨损后，主要是依靠细胞补充和自组装其组分（包括透明质酸，润滑脂，PC脂质）来进行补充润滑。这些成分在软骨和周围的滑液中都是普遍存在的，因此很容易用来作为润滑层保持在关节表面。其中，这些组分中尤其是PC脂质，该材料主要是通过水合磷酸胆碱头基可减少滑移面的摩擦。

那么，能否通过在水凝胶里面添加这些组分来减少水凝胶的表面摩擦呢？

新策略

鉴于此，以色列魏兹曼科学研究所的Jacob Klein、Ronit Goldberg等人在各种合成水凝胶中通过掺入低浓度的脂质来模拟和修饰，从而创建一种基于脂质的、可自我更新的和分子薄厚度的边界层。实验结果表明，与无脂质水凝胶相比，这一材料的摩擦（和磨损）显著降低了近100倍。而且，即使将凝胶干燥并再水化，仍然保持较好的效果。成果发表在Science期刊上。

图1. 软骨启发的脂质基边界润滑水凝胶

使多种材料表面降低摩擦

生物摩擦学是对应用于生物系统或自然现象的润滑，摩擦和磨损的研究。摩擦系数是取决于测试变量，表面和几何形状的系统变量。考虑到这种依赖性，Lin等人提供了确切的数据，证明了它们在水凝胶中可靠且有效的基于脂质的边界润滑。他们测试了许多不同的水凝胶，包括生物聚合物和合成聚合物，并显示出脂质掺入有效降低了摩擦。他们还测试了除钢以外的不同相对表面，再次发现有效降低了摩擦。最后，他们检查了各种滑动速度，几乎恒定的摩擦系数提供了边界模式润滑有效的证据。

图3. 在钢球和pHEMA水凝胶之间滑动

想要自我更新？摩擦一下即可

最后的结果突出了将脂质掺入水凝胶以提供自我更新的边界润滑的重要性。作者进一步证明了滑动是令水凝胶表面形成脂质层的关键驱动力，而且想要实现润滑层的自我更新，则需要水凝胶被摩擦磨损。此外，与水凝胶体内掺入脂质相比，只是简单地通过外部添加脂质（例如浸泡）进行润滑的话，其润滑效果要差得多。因为外部溶液中的脂质很难进入凝胶/反表面界面。同样，脂质的掺入并没有改变水凝胶的机械性能，这在各种应用中可能是相关的。

另外，掺入的脂质的浓度可以改变，这允许调节水凝胶的润滑能力和持续时间。关于这些水凝胶的潜在用途的关键因素是这些水凝胶必须以其自我更新的方式进行磨损。尽管作者证明这种磨损很小，并且材料可以承受许多次循环，但是此参数可能会影响使用寿命，并且需要针对不同的应用加以考虑。

干燥后重新水化，依然保持润滑

最后，这些水凝胶的一个令人惊奇的功能可能会打开许多应用的大门，即使在烘箱中完全干燥至60°C并重新水化后，它们仍可以保持自身的润滑。实际上，这种坚固的性能对水凝胶的储存有巨大的影响，并可能对它们在苛刻条件下的实用性产生影响，而这对于许多其他材料是不可能的。

图4. 脂质处理的pHEMA凝胶的摩擦磨损

未来应用

Lin等人已经证明通过掺入脂质产生自润滑水凝胶的简单而有效的方法，而对整体机械性能的影响最小。这些材料可用于可能发生持续和极端摩擦和磨损的生物医学应用，以及组织工程，生物传感器甚至隐形眼镜的各种应用。考虑到透明质酸和润滑素最初是作为简单的润滑剂进行研究的，但最终对其生物学特性进行了更多的研究，因此这些水凝胶可以发挥除纯润滑作用之外的更复杂的生物学功能，例如药物输送装置，消炎药或免疫反应调节剂。确实，这一发现在与生物学和医学有关的众多领域中都有潜在的应用，并且，将有希望看到未来的研究和应用的方向。

参考文献：

1. Weifeng Lin et al. Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels. Science, 2020, 370, 6514, 335-338.

DOI: 10.1126/science.aay8276

https://science.sciencemag.org/content/370/6514/335

2. Tannin A. Schmidt. Lubricating lipids in hydrogels. Science, 2020, 370, 6514, 288-289.

DOI: 10.1126/science.abd3831

https://science.sciencemag.org/content/370/6514/288

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