南京大學薛斌、曹毅、王煒合作《自然·通訊》：仿生水凝膠涂層為植入體穿上超滑耐磨“新衣”

生物醫學植入物，如人工關節和軟組織假體，在其漫長的服役期內需要承受數百萬次的摩擦循環。由此產生的磨損碎屑和界面損傷可能引發炎癥，最終導致植入失敗。傳統植入材料（如超高分子量聚乙烯）質地堅硬，缺乏生物組織特有的分層結構，難以同時實現優異的潤滑性和承載能力，從而加劇了摩擦學失效的風險。水凝膠涂層雖能通過吸收水分在植入體-組織界面形成柔軟的彈性緩沖層，減輕損傷，但如何在一個毫米級厚度的涂層內，既維持高含水率以保證超低摩擦，又確保堅固的機械完整性以抵抗磨損，仍是領域內長期存在的核心挑戰。

近日，南京大學薛斌副教授、曹毅教授和王煒教授合作提出了一種分層“環形邊纖維”水凝膠涂層（PFHC），成功模仿天然軟骨的層次化結構，將潤滑表面層與堅韌的纖維增強核心層合二為一。該涂層實現了超低摩擦系數（約0.009）與高耐磨性（超過10萬次滑動循環）的完美結合，性能堪比天然軟骨。這一設計通過在不同結構層中解耦潤滑與承載功能，為制備可靠、長效的植入體界面提供了一種通用策略。相關論文以“Hierarchical picot-fiber hydrogel coating with ultralow friction and high wear resistance”為題，發表在

Nature Communications

這項研究的靈感源于天然關節軟骨。如圖1所示，軟骨表面有一層凝膠狀潤滑層，下方則是膠原纖維增強的承重區，二者協同工作賦予其卓越的摩擦學性能。受此啟發，研究團隊設計了PFHC涂層，它包含一個開放式、疏松的聚合物網絡作為潤滑頂層，以及一個致密、堅韌的水凝膠網絡作為承重核心層。核心層的關鍵在于其“環形邊纖維”網絡，這種由自組裝肽鏈與柔性聚合物鏈段構成的纖維，能通過可逆的拆卸-重組過程及“隱藏長度”的釋放來有效耗散能量。通過一步光聚合工藝，并結合氧氣滲透膜調控表面聚合反應，團隊成功地在多孔基底上構建了這種從柔軟潤滑表面到強韌本體、再到牢固錨定界面的梯度結構。掃描電鏡圖像清晰顯示了多孔頂層（約50微米）、致密中間層（約600微米）以及深入基底近1毫米的互穿網絡。

圖1：分層環形邊纖維水凝膠涂層（PFHC）和環形肽纖維的設計與結構。 a. 天然軟骨結構示意圖（左）及整合了開放式結構聚合物、能量耗散納米纖維和剛度梯度互鎖基底的PFHC分層設計示意圖（右）。 b. 環形纖維的肽序列及合成策略示意圖。 c, d. 自組裝GY?納米纖維 (c) 以及與丙烯酰胺共聚形成環形纖維 (d) 的原子力顯微鏡圖像（上）和直徑分布圖（下）。比例尺 = 200納米。 e. 通過氧滲透膜下的氧抑制效應創建開放式結構水凝膠表面的示意圖。 f. 沉積在UPE基底上的PFHC光學照片，以及典型PFHC結構的掃描電鏡截面圖，圖中標出了潤滑頂層、承重核心層和界面互鎖區域。光學和電鏡圖像中的比例尺分別為5毫米和200微米。

PFHC展現出卓越的機械性能。如圖2所示，其核心水凝膠斷裂能高達約21.7 kJ m?2，疲勞閾值約為337 J m?2，并且在拉伸和壓縮循環中表現出快速的形狀恢復能力。涂層與基底通過化學鍵合及機械互鎖實現了強韌結合，剪切強度超過約1.0 MPa。當與剛性對磨球接觸時，PFHC像一個柔軟而富有彈性的墊子，能將接觸應力峰值降低約15倍，有效保護了涂層和基底。

圖2：PFHC的整體及界面力學性能。 a. 使用不同肽濃度（0, 20, 50, 100 mM）制備的PFHC核心層水凝膠（PFHC-Gels）在拉伸下的典型應力-應變曲線。 b. PFHC-Gels在應變8 mm/mm下連續拉伸-松弛1000次的典型應力-應變曲線。曲線對應循環次數為1, 5, 10, 50, 100, 500, 和1000。 c. PAM-Gel和PFHC-Gel每循環裂紋擴展長度隨能量釋放率變化的關系圖。線性擬合用于估算疲勞閾值，PAM-Gel和PFHC-Gel的R2值分別為0.97和0.96。數據點為平均值和標準偏差（n=3次獨立實驗）。 d. 展示PFHC-Gels壓縮-松弛（上）和切割-松弛（下）循環的圖像。比例尺 = 3毫米。 e. 不同肽濃度（0, 20, 50, 100 mM）下PFHC-Gels在壓縮下的典型應力-應變曲線。 f. PFHC-Gels在應變0.7 mm/mm下連續壓縮-松弛10,000次的典型應力-應變曲線。曲線對應循環次數為1, 10, 50, 100, 500, 1000, 和10,000。 g, h. 未涂層、PFHC-NI涂層和PFHC涂層UPE樣品上的球體壓縮-松弛曲線 (g) 和赫茲接觸應力-載荷曲線 (h)。 i. PFHC在1 Hz頻率下進行10,000次球體壓縮-松弛測試得到的連續加載-卸載曲線。在b, c, f–i中，GY?肽濃度固定為100 mM。

最令人矚目的莫過于其摩擦學表現。如圖3所示，在模擬體液環境中，PFHC的摩擦系數在5N載荷下迅速穩定在0.008-0.009的超低水平，并且在超過10萬次往復滑動后性能毫無衰減。相比之下，未涂層的超高分子量聚乙烯摩擦系數更高（約0.04），且很快出現損傷；普通的聚丙烯酰胺涂層初期雖有低摩擦，但僅數百次循環后摩擦系數便開始上升。磨損分析表明，PFHC的磨損深度僅約1-2微米，遠低于未處理基底（約15微米）和普通水凝膠涂層（約90微米）。

圖3：PFHC的潤滑與耐磨性能。 a. 鈦合金球與水凝膠涂層之間的滑動配置示意圖（上）以及摩擦系數（CoF）隨滑動循環次數變化的典型曲線（下）。試驗施加5N的法向載荷，往復頻率為0.5 Hz。 b. PAMC、UPE和PFHC在不同載荷下經過100,000次滑動循環后的磨損率。數據點為平均值和標準偏差（n=3次獨立實驗）。 c. 已報道的潤滑性水凝膠涂層與本工作中使用的涂層在失效前的摩擦系數與滑動循環次數的對比。 d–f. 在5N載荷、0.5 Hz頻率下經過100,000次滑動循環后，UPE (d)、PFHC (e) 和 PAMC (f) 表面的掃描電鏡圖像。比例尺 = 500微米。 g–i. 在相同測試條件后，UPE (g)、PFHC (h) 和 PAMC (i) 表面的三維光學輪廓儀圖像及相應的表面高度剖面圖。比例網格 = 1毫米。

為了深入理解其優異性能的機理，研究團隊進行了系統分析。如圖4所示，PFHC的潤滑功能得益于其頂層的高親水性（水接觸角約12°）和疏松結構，這形成了穩定的水化潤滑膜。同時，“環形邊纖維”在滑動過程中的動態變形、拆卸與重組，能夠耗散能量，緩解應力集中，從而在維持潤滑的同時保護了水凝膠網絡，防止磨損。熒光標記實驗直接觀察到了滑動過程中纖維的動態組裝行為。

圖4：PFHC潤滑與抗磨損性能的機理分析。 a. PFHC分層結構示意圖，闡明了潤滑與承載功能的分離。 b. UPE、PFHC以及對照樣品（未采用氧抑制法制備的PFHC）的水接觸角（WCA）和平均摩擦系數。插圖為WCA代表性圖像和表面形貌圖。數據點為平均值和標準偏差（n=3次獨立實驗）。 c. PFHC表面和未采用氧抑制法制備的對照樣品表面的掃描電鏡圖像。比例尺 = 50微米。 d. 滑動過程中環形纖維變形的示意圖。插圖為顯示環形纖維網絡的掃描電鏡圖像。比例尺 = 10微米。 e. PFHC和PAMC的原子力顯微鏡摩擦力顯微鏡圖像（追蹤方向）。比例尺 = 500納米。 f. 基于原子力顯微鏡的滑動測試中，PFHC和PAMC的摩擦力回線。e-f中施加20 nN的法向載荷和50微米/秒的滑動速度。 g. 循環載荷下PFHC中環形纖維可逆拆卸與重組的示意圖。 h, i. 追蹤游離熒光標記GY?環形纖維（pGY?-FOA）在滑動過程中行為的示意圖 (h) 和熒光圖像 (i)。將PFHC置于含有pGY?-FOA的溶液中進行滑動，并記錄滑動前后的表面熒光圖像。比例尺 = 500微米。

除了優異的力學與摩擦學性能，PFHC還具有良好的生物相容性和體內穩定性。如圖5所示，與人間充質干細胞共培養實驗顯示其具有優異的細胞相容性。在大鼠皮下植入長達7周的實驗中，未引起明顯的全身性反應或病理變化，且涂層自身結構完整，摩擦磨損性能保持穩定。

圖5：PFHC體外和體內的生物相容性與生物穩定性。 a. 與PFHC樣品共培養7天后人間充質干細胞（hMSCs）的熒光顯微鏡圖像及細胞活性，活細胞和死細胞分別用Calcein-AM（綠色）和PI（紅色）染色。比例尺 = 200微米。數據點為平均值和標準偏差（n=3次獨立實驗）。使用Student‘s t檢驗評估統計顯著性。NS：不顯著。 b. PFHC涂層UPE在大鼠模型背部皮下植入的圖像。比例尺 = 10毫米。 c. 植入后第2、5、7周時丙氨酸轉氨酶（ALT）水平的血液生化分析。 d. 植入后第2、5、7周，為評估PFHC體內生物相容性而進行的蘇木精-伊紅（H&E）染色的典型組織學圖像。星號（*）標示了先前植入PFHC涂層UPE的區域。比例尺 = 100微米。 e, f. 植入2、5、7周后PFHC樣品的固體含量 (e)、平均摩擦系數和磨損率 (f)。在e中，將PBS中孵育的PFHC樣品作為對照。e中的統計顯著性使用Student’s t檢驗評估，而f中使用單因素ANOVA。NS：不顯著。 g. 體內植入7周后（在5N載荷、0.5 Hz頻率下進行100,000次滑動循環）測試的PFHC的典型三維光學輪廓儀圖像及相應的表面高度剖面圖。比例網格 = 1毫米。數據在a, c, e中為平均值和標準偏差（n=5個獨立樣品），在f中為平均值和標準偏差（n=3個獨立樣品）。

綜上所述，這項研究通過仿生的分層設計和解耦的潤滑機制，成功打破了水凝膠涂層低摩擦與高耐磨性難以兼顧的傳統局限。PFHC由生物相容性良好的聚合物和肽組分構成，初步實驗證實了其無細胞毒性和無炎癥特性，展現了其作為長效、安全生物醫學植入涂層的巨大轉化潛力。這一策略不僅適用于關節假體，其設計原理——將具有“隱藏長度”的自組裝纖維嵌入連續網絡——也為開發其他耐磨損、可響應或自修復的先進水凝膠材料開辟了新道路，有望拓展至軟體機器人、組織工程等需要承受重復運動的領域。