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關(guān)節(jié)軟骨是在關(guān)節(jié)長骨末端的一種承重組織，它表面光滑，能減少相鄰兩骨的摩擦，緩沖運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的震動。雖然軟骨的低摩擦在很大程度上歸因于可以承受相當(dāng)一部分負(fù)荷的流體增壓。但潤滑分子在調(diào)節(jié)摩擦方面，尤其是潤滑邊界模式下的面-面接觸中，也發(fā)揮了重要作用。關(guān)節(jié)液中的成分包括透明質(zhì)酸、滑液蛋白和表面活性磷脂，它們對軟骨的邊界潤滑都有著極為重要的作用。對于人類的關(guān)節(jié)軟骨而言，其長期的潤滑性能主要來自于暴露的卵磷脂脂類的非流體、含水量極高的頭部基團(tuán)。

水凝膠是一種可以吸收大量的水或生物液體親水性聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)。它和軟骨一樣，主要由水組成。其滲透性低、摩擦性低等特性使得水凝膠材料作為一種軟骨替代物被廣泛研究。在生物醫(yī)學(xué)和其他應(yīng)用場景中，水凝膠會在對偶表面（countersurface）上滑動，因此其必須具有優(yōu)秀的潤滑性能。通常情況下，水凝膠的潤滑性主要來自于流體或溶劑化的表面相，與人類軟骨存在著差異。

近日，受到關(guān)節(jié)脂質(zhì)邊界層的啟發(fā)，以色列魏茲曼科學(xué)研究所的Ronit Goldberg和Jacob Klein等人合作，設(shè)計(jì)了具有低濃度脂質(zhì)（磷脂酰膽堿）的水凝膠，這些水凝膠不斷向表面滲出脂質(zhì)，形成自潤滑層，與無脂質(zhì)水凝膠相比，摩擦和磨損降低了80％至99.3％，實(shí)現(xiàn)了對人體關(guān)節(jié)軟骨潤滑機(jī)制的模仿與改良，即使凝膠干燥后重新補(bǔ)充水分，這種潤滑效果仍然存在。這種方法具有普適性，大大推動了水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、組織工程、生物傳感器甚至隱形眼鏡中的應(yīng)用，相關(guān)論文以“Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels”為題，發(fā)表在最新一期的《Science》上，第一作者為Lin Weifeng。

當(dāng)水凝膠在對偶表面滑動時(shí)，水凝膠內(nèi)部的脂質(zhì)囊泡會在凝膠表面釋放出脂質(zhì)層，這種脂質(zhì)層的頭部基團(tuán)水含量很高，大大降低了水凝膠表面的摩擦系數(shù)。當(dāng)水凝膠因?yàn)槟Σ磷饔枚p時(shí)，這種邊界潤滑層能夠自更新。此外，摻雜進(jìn)水凝膠材料中的脂質(zhì)濃度很低，且可以按需調(diào)節(jié)，對水凝膠本身的機(jī)械性能影響很小。

Ronit Goldberg等人針對包括生物水凝膠和合成聚合物水凝膠（部分材料與常用的pHEMA差異很大）在內(nèi)的多種水凝膠材料進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示脂質(zhì)摻入能夠有效減小水凝膠的摩擦。此外，研究人員還對鋼材料以外的對偶表面進(jìn)行測試，再次發(fā)現(xiàn)摩擦的有效減少。最后，他們對超過三個(gè)數(shù)量級范圍的滑動速度進(jìn)行研究，測得接近恒定的摩擦系數(shù)，證明這種邊界模式的潤滑是有效的。

更加重要的是，作者表面滑動是驅(qū)動了脂質(zhì)囊泡中脂質(zhì)在凝膠表面的釋放，這對表面脂質(zhì)層的形成至關(guān)重要。而且當(dāng)水凝膠因?yàn)槟Σ磷饔孟露p微磨損時(shí)，邊界潤滑層會自我更新。而通過浸泡和清洗水凝膠或是將其置于溶液中等外部涂抹脂質(zhì)的方式進(jìn)行潤滑，潤滑效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如在水凝膠材料內(nèi)部摻雜脂質(zhì)。與囊泡內(nèi)的脂質(zhì)相比，周圍溶液中的脂質(zhì)不易進(jìn)入凝膠-對偶表面界面處。此外，脂質(zhì)囊泡沒有改變水凝膠的機(jī)械性能。

作者還表示，脂質(zhì)的摻雜濃度可以按需調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了對水凝膠潤滑能力和耐久性的調(diào)節(jié)。然而，考慮到水凝膠的自更新是以磨損為前提，材料的整體壽命可能會受到影響，因此需要根據(jù)不同的應(yīng)用加以考慮。

最后，將這種水凝膠材料放入60℃烘箱中完全干燥后，再重新補(bǔ)充水分，水凝膠仍然能夠保持潤滑作用。這種強(qiáng)大的特性對水凝膠的儲存和在惡劣條件下的使用有積極的影響。

總結(jié)：Ronit Goldberg等人通過摻雜脂質(zhì)的方法，實(shí)現(xiàn)了不同水凝膠材料的自潤滑作用，同時(shí)保留了材料本身的機(jī)械性能。這些材料在生物醫(yī)學(xué)、組織工程、生物傳感器甚至隱形眼鏡等應(yīng)用中潛力巨大。更加重要的是，除了潤滑之外，這些水凝膠可以發(fā)揮更復(fù)雜的生物學(xué)功能，如藥物傳遞裝置、消炎試劑或是免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)劑。事實(shí)上，這一發(fā)現(xiàn)在許多與生物學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)的領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值，未來的研究和應(yīng)用將走向何方，讓我們拭目以待。

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https://science.sciencemag.org/content/370/6514/335