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今日《Science》: 超润滑水凝胶,摩擦降低99.3%,推动水凝胶在生物医学中的应用,中国化工网,okmart.com
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今日《Science》: 超润滑水凝胶,摩擦降低99.3%,推动水凝胶在生物医学中的应用
2020年10月16日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

关节软骨是在关节长骨末端的一种承重组织,它表面光滑,能减少相邻两骨的摩擦,缓冲运动时产生的震动。虽然软骨的低摩擦在很大程度上归因于可以承受相当一部分负荷的流体增压。但润滑分子在调节摩擦方面,尤其是润滑边界模式下的面-面接触中,也发挥了重要作用中国化工网okmart.com。关节液中的成分包括透明质酸、滑液蛋白和表面活性磷脂,它们对软骨的边界润滑都有着极为重要的作用。对于人类的关节软骨而言,其长期的润滑性能主要来自于暴露的卵磷脂脂类的非流体、含水量极高的头部基团。


水凝胶是一种可以吸收大量的水或生物液体亲水性聚合物链网络。它和软骨一样,主要由水组成。其渗透性低、摩擦性低等特性使得水凝胶材料作为一种软骨替代物被广泛研究。在生物医学和其他应用场景中,水凝胶会在对偶表面(countersurface)上滑动,因此其必须具有优秀的润滑性能。通常情况下,水凝胶的润滑性主要来自于流体或溶剂化的表面相,与人类软骨存在着差异。


近日,受到关节脂质边界层的启发,以色列魏兹曼科学研究所的Ronit Goldberg和Jacob Klein等人合作,设计了具有低浓度脂质(磷脂酰胆碱)的水凝胶,这些水凝胶不断向表面渗出脂质,形成自润滑层,与无脂质水凝胶相比,摩擦和磨损降低了80%至99.3%,实现了对人体关节软骨润滑机制的模仿与改良,即使凝胶干燥后重新补充水分,这种润滑效果仍然存在。这种方法具有普适性,大大推动了水凝胶材料在生物医学领域、组织工程、生物传感器甚至隐形眼镜中的应用,相关论文以“Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels”为题,发表在最新一期的《Science》上,第一作者为Lin Weifeng。


当水凝胶在对偶表面滑动时,水凝胶内部的脂质囊泡会在凝胶表面释放出脂质层,这种脂质层的头部基团水含量很高,大大降低了水凝胶表面的摩擦系数。当水凝胶因为摩擦作用而磨损时,这种边界润滑层能够自更新。此外,掺杂进水凝胶材料中的脂质浓度很低,且可以按需调节,对水凝胶本身的机械性能影响很小。

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Ronit Goldberg等人针对包括生物水凝胶和合成聚合物水凝胶(部分材料与常用的pHEMA差异很大)在内的多种水凝胶材料进行了测试,结果显示脂质掺入能够有效减小水凝胶的摩擦。此外,研究人员还对钢材料以外的对偶表面进行测试,再次发现摩擦的有效减少。最后,他们对超过三个数量级范围的滑动速度进行研究,测得接近恒定的摩擦系数,证明这种边界模式的润滑是有效的。


更加重要的是,作者表面滑动是驱动了脂质囊泡中脂质在凝胶表面的释放,这对表面脂质层的形成至关重要。而且当水凝胶因为摩擦作用下而轻微磨损时,边界润滑层会自我更新。而通过浸泡和清洗水凝胶或是将其置于溶液中等外部涂抹脂质的方式进行润滑,润滑效果都远远不如在水凝胶材料内部掺杂脂质。与囊泡内的脂质相比,周围溶液中的脂质不易进入凝胶-对偶表面界面处。此外,脂质囊泡没有改变水凝胶的机械性能。

作者还表示,脂质的掺杂浓度可以按需调节,从而实现了对水凝胶润滑能力和耐久性的调节。然而,考虑到水凝胶的自更新是以磨损为前提,材料的整体寿命可能会受到影响,因此需要根据不同的应用加以考虑。

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最后,将这种水凝胶材料放入60℃烘箱中完全干燥后,再重新补充水分,水凝胶仍然能够保持润滑作用。这种强大的特性对水凝胶的储存和在恶劣条件下的使用有积极的影响。


总结:Ronit Goldberg等人通过掺杂脂质的方法,实现了不同水凝胶材料的自润滑作用,同时保留了材料本身的机械性能。这些材料在生物医学、组织工程、生物传感器甚至隐形眼镜等应用中潜力巨大。更加重要的是,除了润滑之外,这些水凝胶可以发挥更复杂的生物学功能,如药物传递装置、消炎试剂或是免疫反应调节剂。事实上,这一发现在许多与生物学和医学相关的领域都有潜在的应用价值,未来的研究和应用将走向何方,让我们拭目以待。


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