2025年7月24日，中国科学院兰州化学物理研究所周峰、麻拴红研究员团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表题为“Superior Anti-swelling and Durably Lubricious Bio-hydrogels via Robust Crystalline Domains Construction for Diverse Biodevice Coating”的研究论文。该研究通过退火结合静电交联晶域-原位盐析、表面水合与网络互穿-基底限域的摩擦裂纹钝化策略，制造出具有超强抗溶胀性和机械鲁棒性的生物相容水凝胶。得益于网络内静电交联稳定的结晶域，制备的水凝胶显示出较高的拉伸强度（18.0 MPa）、弹性模量（6.5 MPa）、韧性（33.55 MJ/m3）和疲劳阈值（843.0 J/m2），在磷酸盐缓冲溶液中浸泡460天后质量溶胀率极低（小于2%），在高接触应力（2.8 MPa）下经过100k次滑动循环后，摩擦系数仍保持极低水平（~0.0084）。同时具有优异的生物相容性，可作为坚固的润滑涂层用于不同材质人工关节器械的表面减摩改性，有望为新一代仿生自润滑人工关节器械的研制提供重要材料保障。
静电交联结晶区-原位盐析协同强化：多聚磷酸钠能够在聚乙烯醇-壳聚糖水凝胶网络中同时实现静电交联与原位盐析效应，显著提高材料的力学性能（高拉伸强度18.0 MPa、压缩模量11.6 MPa与疲劳阈值843.0 J/m2）以及在PBS缓冲溶液中的稳定性与抗溶胀性能。
表面水合-基底限域增强润滑：通过界面网络互穿与高强度基底的晶区限域策略构筑了坚固的表面超润滑层。结合水合润滑机制，在PBS缓冲溶液中，2.8 MPa高接触压力条件下显示出超低摩擦系数（0.0084），以及超长的润滑寿命（100k次循环）。
鲁棒性润滑涂层应用：能够在不同尺寸器械表面作为润滑涂层进行涂覆，适用于多种植入式人工关节器械材料。
天然软骨依靠独特的结构与生理特性，在生理环境中实现了高承载能力与超低摩擦性能。随着凝胶材料的发展，具备优异润滑性能的人工关节水凝胶材料受到广泛关注。尽管氢键、离子配位和盐析等物理交联策略可提升能量耗散能力，但传统物理水凝胶仍面临力学强度不足和生理稳定性差的问题，限制了其在真实体液环境中的应用。为此，本研究基于聚乙烯醇（PVA）-壳聚糖（CS）水凝胶体系，采用静电交联结晶区-原位盐析协同增强策略，结合基于界面网络互穿-基底晶域限域的摩擦裂纹钝化效应以及表面水合润滑机制，制备出在PBS缓冲溶液中具有超强抗溶胀性和机械鲁棒性的超滑生物相容水凝胶（图1）。该策略为开发生理环境下性能稳定的润滑水凝胶提供了新思路，推动了其在生物医学领域的应用发展。
本研究通过将热退火处理的结晶PVA-CS水凝胶浸泡入多聚磷酸钠溶液中盐析交联获得了高强度凝胶本体材料。与之前报道过的盐析离子相比，多聚磷酸钠对PVA分子链具有更强的盐析效应，能够在短时间内促进链间形成更多、更稳定的氢键，增强分子链缠结。多聚磷酸钠分子还能与CS产生多位点静电作用，稳定负载于整体凝胶网络中，并在交联PVA纳米结晶域的同时引发原位盐析，协同提升材料的力学强度与结构稳定性。分子动力学模拟结果进一步验证了上述的原位盐析-静电交联的增强机制（图2 G）。该本体材料在PBS缓冲盐溶液中达到动态溶胀平衡后，由于多聚磷酸盐在网络中作为原位盐析屏障保护静电交联，仍然展现出优异的力学性能，包括高拉伸强度（18.0 MPa）、压缩模量（11.6 MPa）与疲劳阈值（843.0 J/m2）（图2 D-F）。同时，材料在超过460天的水合环境中能够保持长效的力学稳定性（图2 I）与超低溶胀率（小于2%）（图2 J），克服了传统物理交联水凝胶在生理介质中易溶胀、性能稳定性不足的难题。
本研究在抗溶胀水凝胶基底表面，利用界面网络半互穿策略，在材料表面原位构建出高度水化的聚电解质鲁棒性表面超润滑层，结合高强度基底晶区限域效应以及水合润滑机制，该润滑层具有强水合润滑效果。在磷酸盐缓冲液（PBS）作为润滑介质、接触压力约2.8 MPa 的条件下，该润滑层展现出超低摩擦系数（0.0084）和超长润滑寿命（可达 100k 次循环，图3A）。同时表面水合润滑机制和网络互穿层的应力离域效应能够有效降低接触面剪切应力，基底交联的结晶区承载的同时也能够钝化裂纹，进一步抑制基底层摩擦裂纹扩展，从而确保材料超长的服役周期。此外，材料展现出优异的生物相容性和对多种人工关节表面的牢固附着性（图3 B），可作为坚固耐磨的润滑涂层（图3 C，D）。
本研究通过退火后处理，结合静电交联晶域-原位盐析、表面水合与网络互穿-基底限域的摩擦裂纹钝化策略，成功构建出一种具备超强抗溶胀与机械鲁棒性的生物相容水凝胶。其核心在于多聚磷酸钠可同时作为PVA的盐析剂和CS的多位点静电交联剂，协同构建稳定致密的结晶域网络，同时作为原位盐析屏障保护静电作用，显著提升了水凝胶的强度与抗溶胀能力。所制备的水凝胶基底在拉伸强度、韧性与疲劳阈值方面均表现优异，抗溶胀性能远优于现有基于离子交联或盐析策略的系统。
在此基础上通过界面网络半互穿制备高性能超润滑层。滑动界面的水合润滑机制和软-硬复合层状结构，使得材料在PBS作为润滑剂的高接触压力条件（约 2.8 MPa）下显示出超低摩擦系数（0.0084），以及超长的润滑寿命（长达100k次循环）。得益于界面互穿网络以及高强度基底中的晶区限域效应，能有效钝化摩擦裂纹扩展，从而确保具有超长服役周期。此外，体内植入实验证明了该材料具备良好的生物相容性与较低的炎症水平，同时本材料能够牢固附着于多种人工关节置换材料表面，适合作为坚韧耐磨的润滑涂层。其设计策略和性能优势也为人工韧带、肌腱、血管、假肢和软体医疗机器人等领域提供了材料基础，为新一代仿生自润滑人工关节器械的研制提供了重要保障。
周峰，中国科学院兰州化学物理研究所研究员、所长/党委副书记，润滑材料全国重点实验室主任，博士生导师。国家自然科学基金委杰出青年基金项目获得者。长期从事苛刻条件下抗剪切功能高分子材料研究，研究领域包括软物质界面与材料、减阻防污、生物润滑与机械摩擦化学，提出了界面湿-黏-滑调控理念。在PNAS、JACS、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.等期刊共发表SCI论文500多篇，共被引用40000余次，成果被Science、Nature等刊物正面评价和专题报道；获授权专利160件。兼任Trib. Inter.共同主编、《摩擦学学报》/《化学通报》/《润滑与密封》/Friction.杂志编委，兼任中国机械工程学会摩擦学分会副主任委员。获国家自然科学二等奖1项（排名第一）、省部级特等奖/一等奖3项（排名第一），获何梁何利基金科学与技术创新奖。研制的多种聚合物湿滑软材料技术打破了国外垄断、实现了进口替代，在我国重要型号装备、工程以及医疗器械领域成功应用，为国防建设、经济发展和人民生命健康做出了突出贡献。
麻拴红，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师。主要从事工程装备与器械用高性能聚合物水润滑材料与技术研究，研究领域为软接触界面润滑减摩与摩擦控制。在Matter, Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Chem. Mater., Small, Friction, Tribo. Inter., 中国机械工程学报、摩擦学学报等期刊上发表论文100余篇，引用5000余次，成果被Science Advances、Nature Reviews Materials等刊物正面评价和专题报道；获授权专利25件（美国专利1件）。兼任中国机械工程学会摩擦学分会委员/青年论坛组委会副主席、中国材料学会水凝胶材料分会常务理事，获甘肃省自然科学特等奖（排名2）。主持中国科学院先导B专项项目、国家自然科学基金委青年B类/C类/面上项目等，承担企业或相关部门委托的润滑减摩横向技术研发项目等，参与研制的润滑涂层技术获批5件国家二类医疗器械注册证，实现了进口替代。
原标题：《周峰/麻拴红Matter：超强抗溶胀和力学稳定水凝胶助力多种医疗器械用坚固水润滑涂层 Cell Press论文速递》
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