高性能水凝胶带来了关节修复的新曙光

股关节润化功能下降，就像机器零件缺乏润滑油一样，会导致软骨退化和损伤，从而诱发骨关节炎等疾病，严重影响患者的生活质量。开发能够模拟天然关节润化的材料和技术一直是医学和材料科学领域的一个重要课题。近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料国家重点实验室获得低熵聚物链状和高结晶度PVA/CS(聚乙烯醇/壳聚糖)水凝胶。经水化处理后，水凝胶材料机械强度高，润滑性好。相关论文发表在《先进功能材料》上。

水凝胶因其柔软、光滑和良好的生物相容性而被视为理想的软骨替代品。然而，当传统水凝胶承受外部机械应力和长期使用时，存在机械强度不足、润滑性和耐磨性差等问题，难以在高负荷和极端环境中广泛使用，已成为关节修复和生物润化领域亟待解决的问题。

针对这些挑战，研究小组创新性地提出了低熵纳米晶域网络控制策略。简单地说，物质微观结构中有两种结构：高熵非晶体结构和低熵晶体结构。高熵非晶体结构就像一群混乱的“小分子士兵”，排列不规则;低熵晶体结构就像训练有素、排列整齐的“主力军”，具有特定的队形和规则。

通过准确调整这两种结构在水凝胶中的比例，团队巧妙地建立了机械鲁棒润湿水凝胶。这就像一个熟练的指挥官，通过合理分配不同类型的“士兵”数量，建立了一个具有强大战斗力的“水凝胶团队”。这种监管不是一个简单的数量调整，而是一个复杂的变化，包括分子之间的相互作用、能量状态和相变过程。

优化后的水凝胶性能优异。在机械性能方面，它具有优异的强度和韧性，能有效承受较大的外力而不破裂或变形，解决了传统水凝胶在高负荷环境下容易出现的问题。在润滑性能方面，水凝胶性能优异，摩擦阻力极低，润滑性能长期稳定，可实现高承载力、低摩擦、耐磨性，如天然软骨。

经测试，优化水凝胶断裂强度为7.7 - 17.5 MPa、弹性模具为8.6 - 10.6 MPa、韧性为8.8 - 62.1 MJ m?3、压痕硬度为10.4 - 21.7 MPa，同时，摩擦阻力可低至0.026，润滑耐久性好，真正提高了水凝胶的机械强度和润滑性能，解决了传统水凝胶在高负荷环境下容易破裂或变形的问题。

此外，研究还展示了PVA/CS水凝胶在模拟人体载重组织中的优异耐磨性，特别是在人工髋关节中的发展前景，为高性能人工关节润化材料的研发提供了新的思路。这一成果为关节修复和生物润化带来了新的希望，有望惠及广大关节疾病患者。