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南京大学王炜/曹毅/薛斌团队 Nat. Commun.:仿生分级picot纤维水凝胶涂层实现超低摩擦与高耐磨性

2026-03-25 13:19:47

人工关节和软组织假体等生物医学植入物的长期可靠性是现代医学面临的关键挑战之一。在日常活动中，这些承重装置会经历数百万次的摩擦循环，不可避免地产生磨损碎屑并引发界面损伤，最终可能导致植入失败。尽管现有超高分子量聚乙烯等硬质医用树脂材料在临床上广泛应用，但它们难以模仿天然生物组织的复杂分层结构，因此难以同时兼顾优异的润滑性和强大的承载能力，这限制了其服役中效果和安全性。

为应对这一挑战，南京大学王炜/曹毅/薛斌团队受到天然关节软骨多层结构的启发，基于Lake-Thomas模型设计了一种具有齿合（picot）结构、分级特征的自组装纤维水凝胶涂层（picot-fiber hydrogel coating, PFHC）。该团队提出的PFHC精妙地模仿了天然胶原软骨的组织结构，将一个用于润滑的多孔富水表面层和一个用于承载的坚韧纤维增强核心层整合在一起。其核心创新在于引入了“picot纤维”作为自组装肽链形成的纳米结构。这些纳米纤维因具有丝素蛋白序列，具有通过可逆的解离和重组过程，以及释放隐藏长度来有效耗散能量，从而赋予了水凝胶网络优异的韧性、抗疲劳性和快速的机械恢复能力。

2026年2月6日，该工作以“Hierarchical picot-fiber hydrogel coating with ultralow friction and high wear resistance”为题发表在《Nature Communications》上。文章第一作者为南京大学助理研究员孙魏，通讯作者为南京大学薛斌副教授，曹毅教授和王炜教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后面上项目和江苏省卓越博士后等项目的支持。

图1 Picot纤维水凝胶涂层（PFHC）及其设计机制示意图

这种润滑-耐磨一体优化性能的核心在于其功能解耦策略：疏松、高水合的顶层负责提供持续的水合润滑，而致密的纤维增强核心层则承担主要的机械载荷。这种分工明确的结构设计，成功克服了传统单层水凝胶在润滑性与耐磨性之间难以兼顾的固有矛盾。通过精巧的设计，PFHC涂层展现出与天然软骨相媲美的性能。实验结果表明，该涂层具有极高的韧性（断裂能高达~21.7 kJ m^-2）和抗疲劳性（疲劳阈值约为~337 J m^-2），能够在经受上千次加载循环后依然不出现裂纹扩展。更重要的是，其摩擦系数低至 ~0.009，实现了超低摩擦，并且在超过100,000次的长期滑动测试中几乎没有表现出任何磨损。

图2 PFHC的表面润湿性、微观结构表征和自组装荧光标记实验

图3 PFHC在模拟体液润滑测试条件下摩擦学测试与磨痕特征

图4 带有不同ALIBC涂层的水凝胶的力学特性

这项研究为开发可靠、长效的生物医学植入物和医疗器械表面涂层提供了一种全新的、可推广的策略。通过模仿天然软骨的分层设计理念，并巧妙地利用类丝素蛋白肽的自组装设计，成功地将超低的摩擦系数和优异的耐磨性能整合到单一水凝胶涂层中，解决了该领域存在的技术瓶颈。该成果不仅为设计下一代高性能人工关节等植入式医疗器械提供了新的思路，也为软体机器人、水下设备等需要兼顾润滑与耐久的工程应用，提供了宝贵的设计经验。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69322-2

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