吉林大學宋文龍教授AM：仿生智能水凝膠問世：光控“自潤滑”與可收縮！

人體內的動態潤滑現象對于維持正常生理功能至關重要，例如，包裹肌腱的腱鞘能夠通過分泌滑液實現極低摩擦的肌腱滑動。受此啟發，科學家們一直致力于開發兼具高力學性能和內在潤滑能力的仿腱鞘水凝膠，用于軟體執行器和移植替代物。然而，如何設計出一種能夠像天然腱鞘那樣主動、持續分泌潤滑劑的水凝膠，始終是領域內面臨的一項重大挑戰。

近期，吉林大學宋文龍教授、中國科學院理化技術研究所王樹濤研究員和吉大二院劉欽毅主任醫師合作成功研制出一種仿腱鞘半可轉換水凝膠（Sheath-inspired Semi-Convertible Hydrogel, Sheath-SCH）。該水凝膠通過將具有光熱響應的超分子網絡（明膠/聚多巴胺納米顆粒）與共價聚合物網絡（聚乙烯醇/聚（N-異丙基丙烯酰胺））相結合，構建了一種獨特的互穿網絡結構。這種設計使材料在近紅外光照射下，能夠通過超分子網絡的凝膠-溶膠轉變，在表面原位生成潤滑溶膠層，從而大幅降低摩擦系數。同時，材料還具備高機械強度（斷裂應力達1.73 MPa）、可逆收縮能力和優異的耐久性（15000次壓縮后應力損失小于8.4%），在加入生物潤滑劑后甚至可實現超潤滑狀態（摩擦系數低至0.007）。這項工作為開發智能響應型界面潤滑材料開辟了新途徑。相關論文以“Sheath-Inspired Durable Semi-Convertible Hydrogel Enabled Controllable Lubrication and Contractibility”為題，發表在

Advanced Materials

該水凝膠的核心設計理念模擬了腱鞘的兩大功能：可收縮的框架和可控的潤滑劑生成。研究人員首先對材料的力學性能進行了系統表征。實驗表明，通過調控明膠濃度，可以平衡水凝膠的韌性、彈性模量和斷裂強度。在近紅外光照射下，水凝膠表現出顯著的光熱響應收縮行為，收縮率最高可達54.47%。更令人印象深刻的是，在模擬生理條件的25000次壓縮循環后，材料仍能保持高度回彈性，展現了卓越的抗疲勞特性。同時，該水凝膠在體外表現出極低的降解率和良好的生物相容性，為其在生物環境中的應用奠定了基礎。

圖1 | 仿腱鞘半可轉換水凝膠的設計原理 a) 人體腱鞘收縮及分泌滑液潤滑示意圖。 b) 基于共價網絡（PNIPAM和PVA）與超分子網絡（明膠和PDA納米顆粒）協同作用的仿腱鞘半可轉換水凝膠潤滑機制設計原理圖。

圖2 | Sheath-SCH的力學性能 (a) 明膠、PVA、PNIPAM及Sheath-SCH水凝膠的斷裂曲線。 (b) Sheath-SCH在20%、40%、50%、60%、80%和90%應變下的壓縮應力-應變曲線。 (c) 通過控制水凝膠中明膠濃度得到的Sheath-SCH在80%應變下的壓縮應力。 (d) 相應的韌性和 (e) 彈性模量。 (f) Sheath-SCH收縮率隨近紅外光照射時間的變化。 (g) 在25%應變下進行15000次壓縮循環的測試。

為了驗證其仿生潤滑功能，研究團隊觀察了水凝膠在近紅外光照射下表面溶膠層的形成。通過制備超薄水凝膠切片并與其他對照組（不含明膠或不含PNIPAM）比較，證實了Sheath-SCH表面溶膠層的厚度最大，這歸功于明膠的凝膠-溶膠轉變與PNIPAM網絡收縮的協同效應。熒光檢測進一步定量分析了溶膠層中明膠的含量，并確認了正是這種溶膠層的生成，顯著降低了材料表面的摩擦系數。

圖3 | Sheath-SCH表面溶膠層的表征 近紅外光關閉/開啟狀態下 (a) Sheath-SCH, (b) PNIPAM/PVA/PDA, 和 (c) PVA/明膠/PDA的輪廓圖像觀察。比例尺：100 μm。 (d) 近紅外光照射后，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明膠/PDA的溶膠層厚度。 (e) 近紅外光照射后，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明膠/PDA的收縮率。 (f) Sheath-SCH在0、30、60、90和120秒近紅外光照射下的熒光曲線。 (g) Sheath-SCH提取物中明膠含量的半定量測定。 (h) 90秒近紅外光照射后，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明膠/PDA提取物的熒光曲線。 (i) 近紅外光開啟和關閉狀態下，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明膠/PDA表面的摩擦系數。

摩擦學性能測試揭示了該水凝膠卓越且可控的潤滑能力。在近紅外光照射下，其表面摩擦系數可顯著降低，且這一過程具有良好的可逆性和循環穩定性。研究還發現，通過調節光照功率密度、環境濕度以及水凝膠自身的厚度，可以精細調控潤滑行為的響應速度和效果。其中，減小水凝膠厚度能大幅縮短其達到最低摩擦系數的響應時間。

圖4 | SheathSCH的摩擦學性能 (a) SheathSCH在近紅外光照射時間從0到120秒內的摩擦系數變化。摩擦測試條件：負載51千帕，剪切速度0.1毫米/秒。 (b) 在相對濕度為40%、60%、80%、95%、100%（水下）以及15毫克/毫升明膠溶液中，SheathSCH在近紅外光開啟/關閉狀態下的摩擦系數。 (c) 不同明膠濃度的SheathSCH在近紅外光開啟/關閉狀態下的摩擦系數。 (d) 在負載從25.5千帕增加到126.5千帕的條件下，SheathSCH在近紅外光照射前后的摩擦系數。 (e) 在剪切速度從0.10毫米/秒增加到1.00毫米/秒的條件下，SheathSCH在近紅外光照射前后的摩擦系數。 (f) SheathSCH在近紅外光功率密度從0到1.5瓦/平方厘米下的摩擦系數。 (g) SheathSCH在近紅外光開啟/關閉狀態下摩擦系數的可逆性。 (h) 厚度分別為10.0、5.0和2.5毫米的SheathSCH，在近紅外光照射5、10和15秒后的摩擦系數。 (i) 厚度為10毫米、5毫米和2.5毫米的水凝膠在近紅外光照射后的響應時間。

深入研究其潤滑機制發現，近紅外光引發的部分凝膠-溶膠轉變，改變了水凝膠內部的粘彈性和多孔彈性松弛行為。低場核磁共振分析表明，光照后水凝膠內自由水的比例增加，這源于明膠網絡解離所釋放的結合水。差示掃描量熱和流變學測試也印證了超分子網絡解離和聚合物網絡收縮對材料熱學與力學性能的影響，從微觀層面解釋了宏觀潤滑性能變化的根源。

圖5 | 近紅外光照射下Sheath-SCH潤滑機制研究 (a) 水凝膠在粘彈性松弛和多孔彈性松弛狀態下，自由水和結合水遷移示意圖。 (b) Sheath-SCH的平行板應力松弛曲線。 (c) 近紅外光開啟/關閉狀態下，Sheath-SCH的低場核磁共振氫譜。 (d) 近紅外光開啟/關閉狀態下，Sheath-SCH表面的掃描電鏡圖像。 (e) 近紅外光開啟/關閉狀態下，Sheath-SCH的差示掃描量熱分析。

在應用演示中，研究團隊將水凝膠制成管狀并包裹聚四氟乙烯棒，模擬肌腱在腱鞘中的滑動。近紅外光照射后，水凝膠內外表面形成潤滑層，即使在10萬次往復摩擦后仍保持完整。特別是在模擬生理環境的磷脂酰膽堿溶液中，水凝膠的摩擦系數可長期穩定在0.007的超潤滑水平，且表面磨損極低。

圖6 | Sheath-SCH的光熱響應潤滑性能演示 (a) 在近紅外光照射下，Sheath-SCH作為滑動鞘包裹PTFE棒的演示（比例尺：1厘米）。 (b) 在10萬次剪切循環下，Sheath-SCH在明膠溶液（15 mg·mL?1）和HSPC溶液（10 mg·mL?1）中的摩擦系數曲線。 (c) 近紅外光照射后，Sheath-SCH表面在進行10萬次剪切循環前后的3D顯微形貌。 (d) 不同光熱響應潤滑水凝膠與Sheath-SCH的摩擦系數對比。 (e) 更換不同光熱材料制備的水凝膠在近紅外光照射后的摩擦系數。

最終的動物實驗有力證明了該材料的生物醫學應用潛力。在大鼠跟腱缺損模型中，植入Sheath-SCH水凝膠并進行周期性近紅外照射，能有效減少肌腱周圍的粘連形成。組織學分析顯示，光照組促進了肌腱的再生性愈合，膠原纖維排列有序，且炎癥反應顯著減輕。免疫熒光分析進一步表明，該水凝膠體系，尤其是在近紅外光激活下，能夠調節局部免疫反應，促進巨噬細胞向修復性M2表型極化，從而營造有利于組織修復的微環境。

圖7 | Sheath-SCH作為可植入腱鞘的潛在醫學應用 (a) 在大鼠跟腱部位，Sheath-SCH在近紅外光照射下植入的示意圖和照片。 (b) 植入21天后，對照組、PVA/PNIPAM組、近紅外光關閉和開啟的Sheath-SCH組的腱鞘粘連觀察。 (c) 植入21天后，肌腱軟組織的H&E染色和Masson染色圖像。 (d) 植入21天后，肌腱周圍組織中CD68和CD206的免疫熒光染色。 (e) 植入21天后，肌腱周圍組織中CD68陽性細胞的定量分析。 (f) 植入第21天，肌腱周圍組織中標記為CD206的M2巨噬細胞與總巨噬細胞的比值。

綜上所述，這項研究成功仿生腱鞘功能，創造出一種集光控潤滑、可逆收縮、高強耐久與生物相容性于一體的智能水凝膠。它不僅為預防肌腱術后粘連提供了新的植入物解決方案，其獨特的光觸發超潤滑轉換特性，也為工業領域（如軸承、變速箱的按需潤滑、軟體機器人的自適應密封與抓取）的智能潤滑平臺開發帶來了廣闊前景。這項跨學科研究標志著仿生智能材料向動態、主動功能化邁出了關鍵一步。