关节软骨润滑功能的降低是导致软骨退化和诱发骨关节炎的关键原因之一。因此开发模拟天然关节润滑的材料和技术，对于减少关节磨损、预防关节疾病、改善患者生活质量都有着重要的意义。水凝胶因其柔软和湿滑特性而被广泛用于制造模拟关节软骨的仿生润滑材料。在这种情况下，水凝胶必须要有高承载、低摩擦和耐磨性，而现有的水凝胶很少能够满足这些性能。为了解决这些问题，目前已开发出了基于天然软骨的层状梯度结构和仿生软骨水合润滑机制两种解决方案。一种是通过设计层状的水凝胶结构，模仿天然软骨中不同层的功能，但这种结构的表层易磨损且润滑耐久性有限。另一种是将润滑成分直接混合到高强度水凝胶网络中，但这会削弱机械强度和承载能力。因此，仍需要开发具有高机械强度、低摩擦及润滑稳定性和耐久性的类关节软骨水凝胶。

针对目前润滑水凝胶存在的机械性能不足、润滑性能差以及易发生磨损等问题，团队提出了一种通过冷冻-解冻、盐析、退火和再水化相结合的纳米晶域调控策略，实现了强韧湿滑且生物相容性的双物理交联网络聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）水凝胶。并通过调整退火温度，可以优化调节PVA/CS水凝胶的机械性能和润滑性能，并由于稳定的物理相互作用（包括氢键、结晶和离子配位）表现出优异的韧性和抗疲劳性。优化后的PVA/CS水凝胶在550%拉伸应变时所具有的拉伸强度达到了19 MPa，且在39%的小应变下的压缩强度达到了11 MPa。此外，在30 N、1 Hz和水作为润滑介质的摩擦工况条件下，PVA/CS水凝胶的润滑性能接近天然软骨（摩擦系数约为~0.05）。同时，该水凝胶在10万次的往复循环摩擦中也具有长期稳定的润滑性能，赋予了其高承载、低摩擦（润滑）和耐磨性能。鉴于该水凝胶在承载负荷、低摩擦和耐磨损方面的优势，构建了多种具有润滑功能的承重软组织替代品（半月板、衬垫和关节软骨），这为生物医学工程领域仿软骨水润滑涂层和生物植入物的开发提供了新的材料选择。

图1：类关节软骨PVA/CS水凝胶的设计、制备及结构表征

图2：水凝胶的机械性能和微观结构表征

图3：PVA/CS水凝胶的润湿性和润滑性能评价

图4：湿滑PVA/CS水凝胶生物软组织承重替代物及潜在应用

刘德胜，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室青年研究员，中国化学会会员，中国力学学会会员，中国微米纳米技术学会高级会员，中国机械工程学会高级会员。2023年博士毕业于中国科学院大学/中国科学院兰州化学物理研究所，师从刘维民院士和王晓龙研究员，同年留所工作至今。担任新质力材料发展联盟专家智库常务理事（柔性材料组），作为负责人先后主持承担了中国科学院特别研究助理资助项目，甘肃省青年科技基金，烟台先进材料与绿色制造山东省实验室基础研究开放课题等项目，相关成果获首届新材料创新大赛应用组二等奖、金砖国家工业创新大赛优秀项目奖。目前主要从事强韧湿滑水凝胶设计合成与成型加工、3D打印新材料及功能器件、软物质仿生摩擦与润滑等研究工作。近年来以第一（通讯）作者在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Small，Chemical Engineering Journal，International Journal of Extreme Manufacturing等期刊上发表论文30余篇，成果被国际权威科学新闻网EurekAlert!专题报道，授权发明专利7件，参与撰写英文专著2章节。

王晓龙，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室研究员，3D打印摩擦器件组组长，博士生导师。2007年博士毕业于兰州大学，2010-2011香港理工大学研究助理；2012-2013加拿大西安大略大学访问学者。山东省“泰山学者”特聘专家，石河子大学“绿洲学者”，“十四五”国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项首席科学家，新质力材料发展联盟专家智库主席（增材材料组），中国机械工程学会增材制造分会委员，甘肃省材料学会理事，《摩擦学学报》等编委；曾获2021年IAAM Scientist Award，甘肃省专利奖一等奖1项（第一），甘肃省医学科技奖一等奖1项（第二），甘肃省科技进步奖二等奖1项（第七）。研究领域包括3D打印新材料及功能器件、仿生摩擦与润滑等，主持承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上基金/重点基金课题、国家部委基础加强重点项目课题、甘肃省重点项目/重点研发计划、中科院“西部之光”交叉团队等10余项项目，在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemistry of Materials, Small等期刊发表论文150余篇、H因子45，主编英文专著1部，获授权中国发明专利20余件、美国专利2件。

Hu D, Liu D, Hu Y, et al. Dual-physical network PVA hydrogel commensurate with articular cartilage bearing lubrication enabled by harnessing nanoscale crystalline domains. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6968-8.