Science: 仿关节软骨的脂质体边界润滑水凝胶

在工程系统中，摩擦的减少可能来自于使用润滑剂或通过设计减摩表面涂层。对于多数水凝胶润滑体系而言，润滑效果通常来自于表面储存的液体。本文从具有脂质体边界润滑层的关节软骨中汲取灵感，设计了带有低浓度脂质体的水凝胶。这些微小的脂质体不断暴露在摩擦界面形成滑动层，从而使摩擦和磨损均减小了两个数量级。值得注意的是，这种水凝胶即使在干燥再水化后也观察到了类似的效果。图1显示了这种复合脂质体的水凝胶的摩擦磨损机理。脂质体分布在水凝胶中。摩擦时暴露出新鲜表面，其中的脂质体破裂形成脂质体边界润滑层，起到降低摩擦和减小磨损的作用。

本文进行摩擦磨损测试前先对制备的水凝胶进行表征。首先是脂质体在水凝胶中分布。图2的形貌分析结果也显示了不含脂质体和含脂质体的水凝胶明显不同的表面形貌（A和B）。冷冻电镜获得的脂质体水凝胶放大图显示水凝胶内部存在微米尺度的微孔，微孔中包含多个脂质体。将脂质体标记上荧光分子后可以在共聚焦荧光显微镜中观察到脂质体均匀分布在水凝胶中。

确定脂质体水凝胶体系成功制备以后，作者在布鲁克摩擦磨损测试仪上设计了不同的摩擦实验，验证该水凝胶在不同工况下的减摩特性。图3D显示室温下（25摄氏度）无脂质体、复合二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（DMPC），以及复合氢化大豆磷脂（HSPC）的三种不同水凝胶在不同载荷/压强下的摩擦系数。可见添加少量脂质体（约1%Vol）后，体系的摩擦系数显著降低了将近2个数量级。图3E显示了体温（37摄氏度）下的摩擦特性，图3F显示了超过2个数量级的滑动速度下的摩擦特性，图3B显示了三种凝胶干燥再吸水后的摩擦特性。结果都显示添加少量脂质体就能显著降低水凝胶体系的摩擦系数。而且该减摩特性在非常广泛的条件下（载荷、速度）都能保持。

    图4的结果佐证了脂质体在摩擦界面处形成界面膜从而减小摩擦的结论。通过在样品台背面测得的荧光强度及其分布，可以推断，随着摩擦测试进行，荧光标记的脂质体在接触位置聚集。

除了降低摩擦系数以外，添加脂质体后的水凝胶还具有较好的耐磨特性和强度。图5C显示了即使选用更低载荷（1N），无脂质体的水凝胶还是显示了较大的磨损深度；而更大载荷（10N）下，复合脂质体的水凝胶也基本没有磨损。摩擦系数也与之前一致，两种体系相差2个数量级。图5D则显示在较大载荷（50N）下测试60分钟后复合脂质体的水凝胶依然显示完整的形状，而单独水凝胶则在测试12s后就发生显著变形，失去原有的圆柱形。

本文的摩擦磨损测试采用布鲁克的摩擦磨损测试仪（原CETR UMT系列）。该摩擦磨损测试仪具有较大的载荷、位移和运动参数调节范围，以及多种环境腔等，通过模块化设计模拟各种实际工况，精确获得各种体系、各种参数下的摩擦磨损特性。此外设备具有广泛的定制扩展能力，适合进行各种二次开放工作。该设备介绍链接如下:

https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/test-and-measurement/tribometers-and-mechanical-testers.html

文章信息如下，感兴趣的朋友可以自行下载阅读。

标题:Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels

作者:Weifeng Lin, Monika Kluzek, Noa Iuster, Eyal Shimoni, Nir Kampf, Ronit Goldberg, Jacob Klein

出处:Lin et al., Science 370, 335–338 (2020)

DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay8276