南京大学薛斌、曹毅、王炜合作《自然·通讯》:仿生水凝胶涂层为植入体穿上超滑耐磨“新衣”

生物医学植入物，如人工关节和软组织假体，在其漫长的服役期内需要承受数百万次的摩擦循环。由此产生的磨损碎屑和界面损伤可能引发炎症，最终导致植入失败。传统植入材料（如超高分子量聚乙烯）质地坚硬，缺乏生物组织特有的分层结构，难以同时实现优异的润滑性和承载能力，从而加剧了摩擦学失效的风险。水凝胶涂层虽能通过吸收水分在植入体-组织界面形成柔软的弹性缓冲层，减轻损伤，但如何在一个毫米级厚度的涂层内，既维持高含水率以保证超低摩擦，又确保坚固的机械完整性以抵抗磨损，仍是领域内长期存在的核心挑战。

近日，南京大学薛斌副教授、曹毅教授和王炜教授合作提出了一种分层“环形边纤维”水凝胶涂层（PFHC），成功模仿天然软骨的层次化结构，将润滑表面层与坚韧的纤维增强核心层合二为一。该涂层实现了超低摩擦系数（约0.009）与高耐磨性（超过10万次滑动循环）的完美结合，性能堪比天然软骨。这一设计通过在不同结构层中解耦润滑与承载功能，为制备可靠、长效的植入体界面提供了一种通用策略。相关论文以“Hierarchical picot-fiber hydrogel coating with ultralow friction and high wear resistance”为题，发表在Nature Communications上。

这项研究的灵感源于天然关节软骨。如图1所示，软骨表面有一层凝胶状润滑层，下方则是胶原纤维增强的承重区，二者协同工作赋予其卓越的摩擦学性能。受此启发，研究团队设计了PFHC涂层，它包含一个开放式、疏松的聚合物网络作为润滑顶层，以及一个致密、坚韧的水凝胶网络作为承重核心层。核心层的关键在于其“环形边纤维”网络，这种由自组装肽链与柔性聚合物链段构成的纤维，能通过可逆的拆卸-重组过程及“隐藏长度”的释放来有效耗散能量。通过一步光聚合工艺，并结合氧气渗透膜调控表面聚合反应，团队成功地在多孔基底上构建了这种从柔软润滑表面到强韧本体、再到牢固锚定界面的梯度结构。扫描电镜图像清晰显示了多孔顶层（约50微米）、致密中间层（约600微米）以及深入基底近1毫米的互穿网络。

图1：分层环形边纤维水凝胶涂层（PFHC）和环形肽纤维的设计与结构。 a. 天然软骨结构示意图（左）及整合了开放式结构聚合物、能量耗散纳米纤维和刚度梯度互锁基底的PFHC分层设计示意图（右）。 b. 环形纤维的肽序列及合成策略示意图。 c, d. 自组装GY₆纳米纤维 (c) 以及与丙烯酰胺共聚形成环形纤维 (d) 的原子力显微镜图像（上）和直径分布图（下）。比例尺 = 200纳米。 e. 通过氧渗透膜下的氧抑制效应创建开放式结构水凝胶表面的示意图。 f. 沉积在UPE基底上的PFHC光学照片，以及典型PFHC结构的扫描电镜截面图，图中标出了润滑顶层、承重核心层和界面互锁区域。光学和电镜图像中的比例尺分别为5毫米和200微米。 

PFHC展现出卓越的机械性能。如图2所示，其核心水凝胶断裂能高达约21.7 kJ m⁻²，疲劳阈值约为337 J m⁻²，并且在拉伸和压缩循环中表现出快速的形状恢复能力。涂层与基底通过化学键合及机械互锁实现了强韧结合，剪切强度超过约1.0 MPa。当与刚性对磨球接触时，PFHC像一个柔软而富有弹性的垫子，能将接触应力峰值降低约15倍，有效保护了涂层和基底。

图2：PFHC的整体及界面力学性能。 a. 使用不同肽浓度（0, 20, 50, 100 mM）制备的PFHC核心层水凝胶（PFHC-Gels）在拉伸下的典型应力-应变曲线。 b. PFHC-Gels在应变8 mm/mm下连续拉伸-松弛1000次的典型应力-应变曲线。曲线对应循环次数为1, 5, 10, 50, 100, 500, 和1000。 c. PAM-Gel和PFHC-Gel每循环裂纹扩展长度随能量释放率变化的关系图。线性拟合用于估算疲劳阈值，PAM-Gel和PFHC-Gel的R²值分别为0.97和0.96。数据点为平均值和标准偏差（n=3次独立实验）。 d. 展示PFHC-Gels压缩-松弛（上）和切割-松弛（下）循环的图像。比例尺 = 3毫米。 e. 不同肽浓度（0, 20, 50, 100 mM）下PFHC-Gels在压缩下的典型应力-应变曲线。 f. PFHC-Gels在应变0.7 mm/mm下连续压缩-松弛10,000次的典型应力-应变曲线。曲线对应循环次数为1, 10, 50, 100, 500, 1000, 和10,000。 g, h. 未涂层、PFHC-NI涂层和PFHC涂层UPE样品上的球体压缩-松弛曲线 (g) 和赫兹接触应力-载荷曲线 (h)。 i. PFHC在1 Hz频率下进行10,000次球体压缩-松弛测试得到的连续加载-卸载曲线。在b, c, f–i中，GY₆肽浓度固定为100 mM。 

最令人瞩目的莫过于其摩擦学表现。如图3所示，在模拟体液环境中，PFHC的摩擦系数在5N载荷下迅速稳定在0.008-0.009的超低水平，并且在超过10万次往复滑动后性能毫无衰减。相比之下，未涂层的超高分子量聚乙烯摩擦系数更高（约0.04），且很快出现损伤；普通的聚丙烯酰胺涂层初期虽有低摩擦，但仅数百次循环后摩擦系数便开始上升。磨损分析表明，PFHC的磨损深度仅约1-2微米，远低于未处理基底（约15微米）和普通水凝胶涂层（约90微米）。

图3：PFHC的润滑与耐磨性能。 a. 钛合金球与水凝胶涂层之间的滑动配置示意图（上）以及摩擦系数（CoF）随滑动循环次数变化的典型曲线（下）。试验施加5N的法向载荷，往复频率为0.5 Hz。 b. PAMC、UPE和PFHC在不同载荷下经过100,000次滑动循环后的磨损率。数据点为平均值和标准偏差（n=3次独立实验）。 c. 已报道的润滑性水凝胶涂层与本工作中使用的涂层在失效前的摩擦系数与滑动循环次数的对比。 d–f. 在5N载荷、0.5 Hz频率下经过100,000次滑动循环后，UPE (d)、PFHC (e) 和 PAMC (f) 表面的扫描电镜图像。比例尺 = 500微米。 g–i. 在相同测试条件后，UPE (g)、PFHC (h) 和 PAMC (i) 表面的三维光学轮廓仪图像及相应的表面高度剖面图。比例网格 = 1毫米。 

为了深入理解其优异性能的机理，研究团队进行了系统分析。如图4所示，PFHC的润滑功能得益于其顶层的高亲水性（水接触角约12°）和疏松结构，这形成了稳定的水化润滑膜。同时，“环形边纤维”在滑动过程中的动态变形、拆卸与重组，能够耗散能量，缓解应力集中，从而在维持润滑的同时保护了水凝胶网络，防止磨损。荧光标记实验直接观察到了滑动过程中纤维的动态组装行为。

图4：PFHC润滑与抗磨损性能的机理分析。 a. PFHC分层结构示意图，阐明了润滑与承载功能的分离。 b. UPE、PFHC以及对照样品（未采用氧抑制法制备的PFHC）的水接触角（WCA）和平均摩擦系数。插图为WCA代表性图像和表面形貌图。数据点为平均值和标准偏差（n=3次独立实验）。 c. PFHC表面和未采用氧抑制法制备的对照样品表面的扫描电镜图像。比例尺 = 50微米。 d. 滑动过程中环形纤维变形的示意图。插图为显示环形纤维网络的扫描电镜图像。比例尺 = 10微米。 e. PFHC和PAMC的原子力显微镜摩擦力显微镜图像（追踪方向）。比例尺 = 500纳米。 f. 基于原子力显微镜的滑动测试中，PFHC和PAMC的摩擦力回线。e-f中施加20 nN的法向载荷和50微米/秒的滑动速度。 g. 循环载荷下PFHC中环形纤维可逆拆卸与重组的示意图。 h, i. 追踪游离荧光标记GY₆环形纤维（pGY₆-FOA）在滑动过程中行为的示意图 (h) 和荧光图像 (i)。将PFHC置于含有pGY₆-FOA的溶液中进行滑动，并记录滑动前后的表面荧光图像。比例尺 = 500微米。 

除了优异的力学与摩擦学性能，PFHC还具有良好的生物相容性和体内稳定性。如图5所示，与人间充质干细胞共培养实验显示其具有优异的细胞相容性。在大鼠皮下植入长达7周的实验中，未引起明显的全身性反应或病理变化，且涂层自身结构完整，摩擦磨损性能保持稳定。

图5：PFHC体外和体内的生物相容性与生物稳定性。 a. 与PFHC样品共培养7天后人间充质干细胞（hMSCs）的荧光显微镜图像及细胞活性，活细胞和死细胞分别用Calcein-AM（绿色）和PI（红色）染色。比例尺 = 200微米。数据点为平均值和标准偏差（n=3次独立实验）。使用Student‘s t检验评估统计显著性。NS：不显著。 b. PFHC涂层UPE在大鼠模型背部皮下植入的图像。比例尺 = 10毫米。 c. 植入后第2、5、7周时丙氨酸转氨酶（ALT）水平的血液生化分析。 d. 植入后第2、5、7周，为评估PFHC体内生物相容性而进行的苏木精-伊红（H&E）染色的典型组织学图像。星号（*）标示了先前植入PFHC涂层UPE的区域。比例尺 = 100微米。 e, f. 植入2、5、7周后PFHC样品的固体含量 (e)、平均摩擦系数和磨损率 (f)。在e中，将PBS中孵育的PFHC样品作为对照。e中的统计显著性使用Student’s t检验评估，而f中使用单因素ANOVA。NS：不显著。 g. 体内植入7周后（在5N载荷、0.5 Hz频率下进行100,000次滑动循环）测试的PFHC的典型三维光学轮廓仪图像及相应的表面高度剖面图。比例网格 = 1毫米。数据在a, c, e中为平均值和标准偏差（n=5个独立样品），在f中为平均值和标准偏差（n=3个独立样品）。

综上所述，这项研究通过仿生的分层设计和解耦的润滑机制，成功打破了水凝胶涂层低摩擦与高耐磨性难以兼顾的传统局限。PFHC由生物相容性良好的聚合物和肽组分构成，初步实验证实了其无细胞毒性和无炎症特性，展现了其作为长效、安全生物医学植入涂层的巨大转化潜力。这一策略不仅适用于关节假体，其设计原理——将具有“隐藏长度”的自组装纤维嵌入连续网络——也为开发其他耐磨损、可响应或自修复的先进水凝胶材料开辟了新道路，有望拓展至软体机器人、组织工程等需要承受重复运动的领域。