关节软骨润滑功能的降低是导致软骨退化、出现磨损和诱发骨关节炎等疾病的关键原因之一。因此开发模拟天然关节润滑的材料和技术，对减少关节磨损、预防关节疾病和改善患者生活质量有着重要意义。水凝胶因其柔软湿滑特性和优异的生物相容性，成为了理想的软骨替代材料之一。然而，传统水凝胶在承受外部机械应力和长时间使用过程中面临着力学强度不足、缺乏润滑性和耐磨性等挑战，这限制了其在一些高负荷和极端条件下的广泛应用。因此，如何设计能够模拟天然关节软骨的力学强度和润滑性能的水凝胶材料，已成为关节修复和生物润滑领域亟待解决的关键问题之一。

近年来，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室3D打印摩擦器件组利用微相分离、氢键网络等微观尺度分子设计策略构筑了系列高性能的强韧湿滑水凝胶材料，赋予其高强度、超韧性、润滑性等性能，并结合宏观尺度制造技术在湿滑水凝胶高精度制造及生物医用领域开创了一系列原创性科研成果，尤其在增强其力学性能和改善润滑性能方面取得了显著进展，为解决生物摩擦和磨损问题提供了创新解决方案。

针对目前润滑水凝胶存在的机械性能不足、润滑性能差以及易发生磨损等问题，团队提出了利用纳米晶域调控策略来构筑强韧湿滑且生物相容性的双物理交联网络聚乙烯醇/壳聚糖（PVA/CS）水凝胶，并通过改变退火温度优化调控了PVA/CS水凝胶的机械性能和润滑性能。在30 N、1 Hz和水作为润滑介质的摩擦工况条件下，PVA/CS水凝胶的润滑性能接近天然软骨（摩擦系数约为~0.05），且也具有长期稳定的润滑性能，赋予了其高承载、低摩擦和耐磨性。同时，团队借助模板浇铸构建了多种具有润滑功能的承重软组织替代物（半月板、衬垫和关节软骨），为生物医学工程领域仿生软骨水润滑涂层和生物植入物的研发提供了新的材料选择。相关成果发表在Nano Research(2024,17,9784–9795;https://doi.org/10.1007/s12274-024-6968-8)上。

图1. 高承载、低摩擦、耐磨损的双物理交联网络水凝胶

近日，团队提出了一种低熵纳米晶域网络调控策略，即通过调节高熵非晶态和低熵晶态结构的比例来构建机械鲁棒性的润滑水凝胶。研究人员通过提高聚合物网络中PVA大分子链的百分比（相对于CS的比例）来诱导PVA链的结晶生长，获得了具有低熵聚合物链态和高结晶度的PVA/CS水凝胶，再经水化后获得具有高机械强度和优异润滑性的水凝胶材料。调控优化的水凝胶断裂强度为7.7~17.5 MPa、弹性模量为8.6~10.6 MPa、韧性为8.8~62.1 MJ m^-3、压痕硬度为10.4~21.7 MPa，同时该水凝胶的摩擦系数可低至0.026，且具有很好的润滑持久性，实现了水凝胶在机械强度和润滑性能的双重提升，解决了传统水凝胶在高负载条件下易破裂或变形问题。此外，研究还展示了PVA/CS水凝胶在模拟人体承重组织中优异的耐磨性，特别是在人工髋关节中的应用，为高性能人工关节润滑材料的研发提供了新思路。

图2. 低熵纳米晶域网络构建的机械鲁棒性润滑水凝胶

上述研究深化了水凝胶在力学强度、润滑性能和耐久性提升方面的创新进展，丰富了高强韧湿滑水凝胶在生物润滑领域的应用探索，为其在关节置换、植入物润滑等多个领域的应用拓展奠定了坚实的材料基础。

相关研究工作以“Mechanically Robust Lubricating Hydrogels Contrived by Harnessing Low-Entropy Nanocrystalline Polymer Network”为题发表在Advanced Functional Materials（ 2025,2508450；https://doi.org/10.1002/adfm.202508450）上。兰州化物所博士生胡丹丽为论文第一作者，刘德胜助理研究员和王晓龙研究员为共同通讯作者。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、甘肃省科技计划、中国科学院特别研究助理资助项目、兰州化物所重点培育项目等项目的支持。