研究背景
生物医用植入体的磨损失效是制约其长期可靠性的核心难题。人工关节、软组织修复假体等承重器械在服役期间需承受数百万次摩擦循环，产生的磨屑和界面损伤会触发炎症反应，最终导致植入失败。传统植入材料如超高分子量聚乙烯（UPE）虽具良好机械强度，却缺乏生物组织特有的层级结构来同时实现优异润滑性与承载能力，加剧了摩擦学失效风险。水凝胶涂层因其高含水量和柔软弹性，被视为降低植入体-组织界面损伤的理想策略。然而，该领域长期面临一个根本性矛盾：超低摩擦需要高水含量以维持水合润滑层，而高耐磨性却要求致密的机械网络以抵抗循环载荷。增加化学交联密度虽能提升强度，却会降低含水量，反而损害润滑性能。这一"润滑-耐磨"权衡困境使得现有水凝胶涂层难以在亚毫米厚度内同时实现超低摩擦与长期耐久性，距离天然软骨的性能仍有数量级差距。如何在水凝胶涂层中解耦润滑与承载功能，成为突破该瓶颈的关键科学问题。
成果简介
南京大学薛斌副教授、曹毅教授和王炜教授合作设计了一种picot纤维水凝胶涂层（PFHC），通过"一步法"氧抑制光聚合技术，在单一涂层中构建了功能分离的双层架构：表层为疏松多孔的水富集网络，提供持续的水合润滑；核心层则由自组装肽β链与柔性聚合物环交织形成的"picot纤维"构成，通过可逆的解组装-重组装过程耗散能量，并释放"隐藏长度"以提升韧性。该涂层实现了摩擦系数低至0.009的超润滑状态，并在10万次滑动循环后仍保持稳定，磨损率比传统UPE降低一个数量级。关键证据显示：picot纤维使涂层韧性达到21.7 kJ/m²，疲劳阈值提升至337 J/m²，且能在秒级完成机械恢复；大鼠皮下植入7周后，涂层结构完整、生物相容性良好。这种"功能分层、机制解耦"的设计策略，无需牺牲含水量即可同步实现超低摩擦与高耐磨性，为开发长寿命植入体界面提供了可推广的材料平台。
图文导读
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。
图2：PFHC的整体及界面力学性能。
图3：PFHC的润滑与耐磨性能。
图4：PFHC润滑与抗磨损性能的机理分析。
图5：PFHC体外和体内的生物相容性与生物稳定性。
总结展望
本研究通过仿生天然软骨的层级架构，开发了具有"表层润滑-核心承载"功能分离的picot纤维水凝胶涂层（PFHC），利用氧抑制光聚合技术实现一步法制备，使涂层在保持~0.009超低摩擦系数的同时，韧性达21.7 kJ/m²、疲劳阈值达337 J/m²，并稳定通过10万次循环磨损测试；该工作突破了水凝胶材料"高润滑必牺牲耐磨"的传统权衡困境，为软物质界面设计建立了"功能解耦"的新范式，有望解决人工关节、软组织假体等植入体的长期磨损失效难题，推动下一代高耐久生物医用涂层的临床转化；未来研究可进一步探索可降解肽序列设计以实现涂层可控降解，并将该策略拓展至软体机器人、组织工程支架等需要动态耐久界面的新兴领域。
文献信息
Sun, W., Sun, X., Zhang, J. et al. Hierarchical picot-fiber hydrogel coating with ultralow friction and high wear resistance. Nat Commun (2026).
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