大家好！在生物界中，润滑无处不在且至关重要。像我们的关节软骨，在高压下能多年保持低摩擦，而水凝胶有望模拟这一特性。但目前超润滑水凝胶在承载和润滑寿命方面存在不足。一种受蚯蚓启发的多级结构超润滑水凝胶（MS - SLH）——《Earthworm inspired lubricant self-pumping hydrogel with sustained lubricity at high loading》发表于《nature communications》，它有望克服现有难题，为高端医疗等领域带来高性能水润滑涂层的新希望，让我们一同深入探究！
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一、研究背景
在生物组织和器官中，如健康的天然软骨在高接触应力下能长期保持极低的摩擦系数（~0.001至～0.03）。水凝胶材料被认为是模拟这些自然组织润滑功能的潜在候选者。然而，当前超润滑水凝胶系统在承载能力、润滑寿命以及在有限润滑剂下的准湿环境润滑可持续性等方面面临挑战。特别是对于高端医疗器械如人工关节，开发与之匹配的水凝胶超润滑涂层至关重要且极具挑战性，因为其界面接触应力可高达约10MPa，而现有超润滑水凝胶系统承载能力和润滑寿命仍有待提高。
二、研究灵感与目标
蚯蚓在挤压和剪切环境中能凭借超滑表皮自由移动，其表皮的皱纹状微观结构和持续分泌的水性粘性润滑剂形成典型自润滑界面，且具有很强的耐久性。受此启发，本研究旨在开发一种多级结构超润滑水凝胶（MS-SLH）系统，以实现高接触压力下的稳健超润滑行为、超长的润滑寿命以及在准湿环境中借助少量润滑剂实现持续润滑，为高端医疗器械和运动部件的高性能水润滑涂层大规模制造提供策略。
三、研究成果
（一）MS-SLH的设计概念与制备
1、制备过程
首先制备高机械模量的聚（丙烯酰胺-丙烯酸）/Fe³⁺（P(AAm-AA)/Fe）双网络水凝胶作为机械坚固的基质。
以聚（丙烯酸）（PAA）作为化学蚀刻剂解离坚韧网络，形成表面润滑相，由于应力差异，表面会形成周期性但不规则的皱纹状形态，从而得到层状超润滑水凝胶（SLH）。
将润滑相暴露于空气中进行局部脱水，然后通过激光蚀刻在润滑相和基质上制造圆柱形纹理孔隙，之后将样品浸入润滑剂浴中，使解离层充分溶胀和水合，最终成功制备出蚯蚓启发的MS-SLH样品。
2、制备实例与图案控制
成功制造出长度为36cm的人工SLH蚯蚓，荧光成像清晰显示水合解离润滑层的存在，且能观察到明显的皱纹图案。
通过使用设计的掩模选择性解离润滑相，可以完全控制SLH皱纹图案的制造，如制造出点阵列、条阵列、方形、大象符号、“润滑”字样等图案。
（二）SLH的特性表征
1、结构变化
解离层的形成使原始双网络水凝胶变得不透明，透光率降低，与原始双网络水凝胶的致密网络相比，解离层呈现典型的多孔结构，且解离层与基质紧密结合形成层状结构。
2、性能表现
多孔结构使SLH样品具有出色的表面水合能力，抗污功能良好。例如，制造的人工SLH蚯蚓对染色植物油粘附性低，表面的粘性重油能轻易被水冲走，水滴在解离层表面的动态湿润过程也表明其水合能力强。
（三）SLH的润滑性能
1、参数调控与优化
解离层的厚度和弹性模量受PAA质量浓度和解离时间影响。如随着解离时间增加，厚度先增后减，在10%PAA浓度时达到最大值，弹性模量变化趋势相反；随着解离时间增加，解离层厚度和网络孔径逐渐增大，弹性模量逐渐减小。通过测量接触角、含水量、表面粗糙度和单岛面积等参数，确定了制备SLH的最佳条件（解离浓度：10%，解离时间：2h）。
2、润滑性能评估
在最佳条件下，SLH样品在高接触压力（11.32MPa）下摩擦系数低至～0.0079，在8.48MPa接触压力下，100,000次循环中摩擦系数稳定在～0.0028且无表面磨损。与其他报道的润滑水凝胶相比，本研究的SLH系统具有更高的承载能力和更长的润滑寿命。
3、超润滑机制分析
表面周期性皱纹结构可防止滑动表面机械联锁，减少实际接触面积，降低摩擦力。
SLH样品表面羧基（-COOH）解离产生大量羧酸盐离子（-COO⁻），使滑动界面产生强静电排斥，这是实现超低摩擦系数的前提。
解离润滑层厚度大，确保表面水合度高，且其优异的机械性能保证了良好的耐磨性。
解离润滑层的多孔特征保证了在动态剪切过程中润滑相的快速形成。
软-硬复合特性使SLH样品在高接触压力下具有出色的机械承载能力，有助于实现超润滑行为的长寿命。
（四）MS-SLH的表征与润滑性能评估
1、纹理孔特性与作用
在SLH样品表面制造圆柱形纹理孔隙作为腺状口袋储存润滑剂，得到MS-SLH样品。当解离润滑层溶胀时，纹理孔口明显收缩，形成类似蚯蚓的仿生腺状结构；当处于“干燥”状态时，孔口尺寸增大，且孔口尺寸随脱水时间变化，10分钟后保持不变，表面白光3D成像系统进一步验证了这一动态过程，该闭孔-开孔行为完全可逆，实时横截面形态演变也成功捕捉到。
2、润滑寿命与润滑剂影响
制造不同表面纹理孔比例的MS-SLH样品，评估其在有限润滑剂（5μL水）下的持续润滑寿命。结果表明，增加表面孔隙比例有助于延长超润滑周期，20%孔比例的MS-SLH样品超润滑状态平均持续时间从无纹理的SLH样品的980s延长到2700s。使用不同粘度的润滑剂（水、透明质酸（HA）和海藻酸钠（SAA））时，5μL的SAA作为润滑剂可使超润滑状态持续时间长达3900s。
（五）MS-SLH机械稳健润滑性的演示
1、低摩擦特性演示
在重量滑动实验中，200g重量在倾斜14°的对照样品（纹理DN水凝胶）表面难以滑动，而在倾斜3°的MS-SLH样品表面可轻松滑动。
2、高承载能力演示
自制机械加载-监测系统中，6个MS-SLH圆柱形片在MS-SLH轨道上滑动，随着法向载荷从0增加到498N，滑动界面始终保持超润滑状态，最大承载载荷时摩擦系数为0.0074。
3、长寿命润滑演示
在另一个自制机械监测系统中，导电铝滑块在MS-SLH轨道上往复运动，在无额外润滑剂情况下，滑块可在MS-SLH轨道上平稳运行651次。
四、研究结论
本研究成功开发了MS-SLH系统，通过化学解离双网络水凝胶并激光蚀刻纹理孔制备而成。精确调整PAA蚀刻剂的浓度和时间，可优化润滑层参数，获得最佳超润滑性能。解离润滑层的快速可逆水合/脱水过程，使SLH在高接触压力下表现出低摩擦系数和长寿命。纹理孔为润滑剂提供储存空间，确保动态剪切过程中润滑剂迁移，实现了MS-SLH系统在有限润滑剂下的持续润滑，模拟了生物组织的润滑行为。水合润滑机制和剪切诱导自泵效应协同作用，支持了系统的稳健超润滑行为。自制设备演示实验直观展示了MS-SLH系统的优异性能，为高性能水润滑涂层的大规模制造提供了有效策略。
五、一起来做做题吧
1、以下关于天然软骨润滑特性的描述，正确的是（ ）
A. 在低接触应力下摩擦系数极低，约为 0.001 至 0.03
B. 在高接触应力（1 - 20MPa）下可保持数十年低摩擦系数（~0.001 至～0.03）
C. 其润滑性能主要依赖于外部润滑剂的持续供应
D. 摩擦系数会随使用时间逐渐增大
2、研究受蚯蚓启发开发多级结构超润滑水凝胶（MS - SLH）系统，主要是因为蚯蚓表皮具有以下哪种特性？（ ）
A. 光滑且无纹理的表面结构
B. 能分泌油性润滑剂
C. 具有皱纹状微观结构和持续分泌水性粘性润滑剂
D. 具有高硬度和耐磨性
3、在制备 MS - SLH 的过程中，聚（丙烯酸）（PAA）的作用是（ ）
A. 作为基质增强水凝胶的机械强度
B. 制造表面润滑相并形成皱纹形态
C. 直接提供润滑性能
D. 控制纹理孔隙的大小和形状
4、SLH 样品的解离层具有多孔结构，这使其具有以下哪种性能？（ ）
A. 降低透明度
B. 增强机械强度
C. 良好的表面水合能力和抗污功能
D. 减少表面皱纹
5、确定制备层状超润滑水凝胶（SLH）最佳条件（解离浓度：10%，解离时间：2h）的依据是（ ）
A. 此条件下 SLH 样品的摩擦系数最低
B. 此条件下 SLH 样品的弹性模量最高
C. 综合考虑了解离层的水合度与承载能力
D. 此条件下 SLH 样品的表面粗糙度最小
6、MS - SLH 样品表面纹理孔在溶胀和脱水过程中表现出可逆行为，这一特性的主要作用是（ ）
A. 改变样品的颜色
B. 增强样品的机械强度
C. 有效防止水蒸发，延长润滑寿命
D. 使样品表面更加光滑
7、在重量滑动实验中，MS - SLH 样品相比对照样品（纹理 DN 水凝胶），重量能在更低倾斜角度下滑落，这说明了 MS - SLH 具有（ ）
A. 更高的机械强度
B. 更低的摩擦系数
C. 更大的表面粗糙度
D. 更好的吸水性
参考文献：
Ma, S., et al. Earthworm inspired lubricant self-pumping hydrogel with sustained lubricity at high loading. Nat Commun 16, 398 (2025).
