對于許多精細而又關鍵的機械零件來說，摩擦與磨損造成的問題不容小覷，它不僅是這些零件失效的重要原因之一，而且有時會使整個系統(tǒng)發(fā)生故障。

在人工關節(jié)等植介入醫(yī)療器械領域，由于這類醫(yī)療器械會在工作過程中與人體的組織直接接觸并與人體組織互相摩擦，一旦這些醫(yī)療器械沒有良好的潤滑特性，通常很有可能給患者帶來身體不適的反應，嚴重時甚至可能進一步導致組織的損傷和病變。此外，如果醫(yī)療器械發(fā)生磨損，表面還更有可能被細菌污染，這一風險尤其對于那些長期植入體內(nèi)的醫(yī)療器械十分嚴重，因為隨著時間的推移，這些醫(yī)療器械會進一步引發(fā)血栓、結石等并發(fā)癥。

因此，擁有良好的潤滑表面的醫(yī)療器械無疑具有更好的特性，它不僅可以減少摩擦造成的對人體組織的傷害，而且可以給患者帶來更少的不舒適感，并發(fā)癥發(fā)生的機率更小。

良好的潤滑性能對于人工關節(jié)等植介入醫(yī)療器械具有關鍵性的意義。

此前，曾經(jīng)有各種研究來提高醫(yī)療器械的潤滑特性。比如，基于共價鍵修飾的表面涂層技術大大提高了其摩擦性能，但是這種涂層面對長時間的摩擦仍有不足。

而“水合潤滑表面”通過巧妙的設計，可以提高醫(yī)療器械面對長期摩擦的性能的潛力。我們知道天然的關節(jié)軟骨有著非常良好的潤滑特性，這其中的原因在于關節(jié)軟骨表面有著帶有電荷的生物大分子，它們可以形成“水合潤滑”機制。

所謂“水合潤滑”，是指在某些生物大分子電荷的周圍，水分子會因為固有的偶極矩而吸附在其上，形成水化層。而水化層不僅空間穩(wěn)定性很高，擁有較大的承載能力，而且水化層中的水分子與其他的自由水分子可以很快的交換，從而保持快速的松弛效能，這樣在面對剪切力時，表現(xiàn)出更好的流體效應和更小的摩擦系數(shù)。在水合潤滑中，兩個表面的摩擦通過離子-偶極的作用而被轉化成了這兩個表面上的水分子之間的摩擦。聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿是一種很好的水合潤滑材料。但是，這一課題組發(fā)現(xiàn)，這種材料的水合潤滑的分子刷結構會隨著時間推移而受到摩擦破壞，進而導致材料表面發(fā)生磨損。

共價鍵修飾的表面發(fā)生不可逆磨損與自組裝修飾表面的可動態(tài)修復示意圖

最近來自清華大學的課題組受到天然關節(jié)軟骨的潤滑機理啟發(fā)而設計出了可修復的水合潤滑表面，則將有望解決這一問題。

在這篇由清華大學張洪玉副研究員與英國杜倫大學保羅·麥格尼格爾教授團隊合作發(fā)表在Chem上的題為《水合潤滑表面的超分子修復》的研究中，研究團隊通過在水合潤滑材料的分子刷結構中引入“超分子主客體化學”，巧妙地實現(xiàn)了材料水合潤滑表面的可修復功能。

研究中的可修復功能主要是通過“超分子作用”來實現(xiàn)的，也就是說，將潤滑表面的主體部分與自由基的引發(fā)劑相結合，并進一步引發(fā)原位聚合物，從而使得擁有主體分子的分子刷結構被制備而成。接下來，在基質表面上修飾客體分子，這樣分子刷結構就隨著主客體作用而被“安裝”到了基質的表面上。這樣，在表面的潤滑層由于摩擦而被分解離散時，擁有潤滑能力的聚合物分子會與被修飾過表面的客體分子重新組裝，這樣就可以使得表面的潤滑性能得以恢復。

利用AFM接觸模式對表面進行往復摩擦后，激光共聚焦 顯微鏡顯示的20μm×20μm磨損區(qū)

這一擁有可修復功能的水合潤滑表面也通過紅外線光譜、XPS光譜等方法得到了分子結構的確認。在性能測試中，這種水合潤滑表面的摩擦系數(shù)以及可修復功能也得到了評估。

為了顯示這種材料的可修復潤滑特性，研究人員在這種材料中引入了熒光分子，將沒有熒光的聚合物材料浸泡在了含熒光物質的溶液中，并進行局部區(qū)域的長時間摩擦。從上圖可以看出，在AFM接觸模式，也就是用探針的針尖來粘結裸聚苯乙烯微球的情況下，對表面進行摩擦之后，受到磨損的表面得到了自修復，反之亦然。 （綜合整理報道） （編輯/克珂）