吉林大学宋文龙教授AM：仿生智能水凝胶问世：光控“自润滑”与可收缩！

人体内的动态润滑现象对于维持正常生理功能至关重要，例如，包裹肌腱的腱鞘能够通过分泌滑液实现极低摩擦的肌腱滑动。受此启发，科学家们一直致力于开发兼具高力学性能和内在润滑能力的仿腱鞘水凝胶，用于软体执行器和移植替代物。然而，如何设计出一种能够像天然腱鞘那样主动、持续分泌润滑剂的水凝胶，始终是领域内面临的一项重大挑战。

近期，吉林大学宋文龙教授、中国科学院理化技术研究所王树涛研究员和吉大二院刘钦毅主任医师合作成功研制出一种仿腱鞘半可转换水凝胶（Sheath-inspired Semi-Convertible Hydrogel, Sheath-SCH）。该水凝胶通过将具有光热响应的超分子网络（明胶/聚多巴胺纳米颗粒）与共价聚合物网络（聚乙烯醇/聚（N-异丙基丙烯酰胺））相结合，构建了一种独特的互穿网络结构。这种设计使材料在近红外光照射下，能够通过超分子网络的凝胶-溶胶转变，在表面原位生成润滑溶胶层，从而大幅降低摩擦系数。同时，材料还具备高机械强度（断裂应力达1.73 MPa）、可逆收缩能力和优异的耐久性（15000次压缩后应力损失小于8.4%），在加入生物润滑剂后甚至可实现超润滑状态（摩擦系数低至0.007）。这项工作为开发智能响应型界面润滑材料开辟了新途径。相关论文以“Sheath-Inspired Durable Semi-Convertible Hydrogel Enabled Controllable Lubrication and Contractibility”为题，发表在

Advanced Materials

该水凝胶的核心设计理念模拟了腱鞘的两大功能：可收缩的框架和可控的润滑剂生成。研究人员首先对材料的力学性能进行了系统表征。实验表明，通过调控明胶浓度，可以平衡水凝胶的韧性、弹性模量和断裂强度。在近红外光照射下，水凝胶表现出显著的光热响应收缩行为，收缩率最高可达54.47%。更令人印象深刻的是，在模拟生理条件的25000次压缩循环后，材料仍能保持高度回弹性，展现了卓越的抗疲劳特性。同时，该水凝胶在体外表现出极低的降解率和良好的生物相容性，为其在生物环境中的应用奠定了基础。

图1 | 仿腱鞘半可转换水凝胶的设计原理 a) 人体腱鞘收缩及分泌滑液润滑示意图。 b) 基于共价网络（PNIPAM和PVA）与超分子网络（明胶和PDA纳米颗粒）协同作用的仿腱鞘半可转换水凝胶润滑机制设计原理图。

图2 | Sheath-SCH的力学性能 (a) 明胶、PVA、PNIPAM及Sheath-SCH水凝胶的断裂曲线。 (b) Sheath-SCH在20%、40%、50%、60%、80%和90%应变下的压缩应力-应变曲线。 (c) 通过控制水凝胶中明胶浓度得到的Sheath-SCH在80%应变下的压缩应力。 (d) 相应的韧性和 (e) 弹性模量。 (f) Sheath-SCH收缩率随近红外光照射时间的变化。 (g) 在25%应变下进行15000次压缩循环的测试。

为了验证其仿生润滑功能，研究团队观察了水凝胶在近红外光照射下表面溶胶层的形成。通过制备超薄水凝胶切片并与其他对照组（不含明胶或不含PNIPAM）比较，证实了Sheath-SCH表面溶胶层的厚度最大，这归功于明胶的凝胶-溶胶转变与PNIPAM网络收缩的协同效应。荧光检测进一步定量分析了溶胶层中明胶的含量，并确认了正是这种溶胶层的生成，显著降低了材料表面的摩擦系数。

图3 | Sheath-SCH表面溶胶层的表征 近红外光关闭/开启状态下 (a) Sheath-SCH, (b) PNIPAM/PVA/PDA, 和 (c) PVA/明胶/PDA的轮廓图像观察。比例尺：100 µm。 (d) 近红外光照射后，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明胶/PDA的溶胶层厚度。 (e) 近红外光照射后，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明胶/PDA的收缩率。 (f) Sheath-SCH在0、30、60、90和120秒近红外光照射下的荧光曲线。 (g) Sheath-SCH提取物中明胶含量的半定量测定。 (h) 90秒近红外光照射后，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明胶/PDA提取物的荧光曲线。 (i) 近红外光开启和关闭状态下，Sheath-SCH、PNIPAM/PVA/PDA和PVA/明胶/PDA表面的摩擦系数。

摩擦学性能测试揭示了该水凝胶卓越且可控的润滑能力。在近红外光照射下，其表面摩擦系数可显著降低，且这一过程具有良好的可逆性和循环稳定性。研究还发现，通过调节光照功率密度、环境湿度以及水凝胶自身的厚度，可以精细调控润滑行为的响应速度和效果。其中，减小水凝胶厚度能大幅缩短其达到最低摩擦系数的响应时间。

图4 | SheathSCH的摩擦学性能 (a) SheathSCH在近红外光照射时间从0到120秒内的摩擦系数变化。摩擦测试条件：负载51千帕，剪切速度0.1毫米/秒。 (b) 在相对湿度为40%、60%、80%、95%、100%（水下）以及15毫克/毫升明胶溶液中，SheathSCH在近红外光开启/关闭状态下的摩擦系数。 (c) 不同明胶浓度的SheathSCH在近红外光开启/关闭状态下的摩擦系数。 (d) 在负载从25.5千帕增加到126.5千帕的条件下，SheathSCH在近红外光照射前后的摩擦系数。 (e) 在剪切速度从0.10毫米/秒增加到1.00毫米/秒的条件下，SheathSCH在近红外光照射前后的摩擦系数。 (f) SheathSCH在近红外光功率密度从0到1.5瓦/平方厘米下的摩擦系数。 (g) SheathSCH在近红外光开启/关闭状态下摩擦系数的可逆性。 (h) 厚度分别为10.0、5.0和2.5毫米的SheathSCH，在近红外光照射5、10和15秒后的摩擦系数。 (i) 厚度为10毫米、5毫米和2.5毫米的水凝胶在近红外光照射后的响应时间。

深入研究其润滑机制发现，近红外光引发的部分凝胶-溶胶转变，改变了水凝胶内部的粘弹性和多孔弹性松弛行为。低场核磁共振分析表明，光照后水凝胶内自由水的比例增加，这源于明胶网络解离所释放的结合水。差示扫描量热和流变学测试也印证了超分子网络解离和聚合物网络收缩对材料热学与力学性能的影响，从微观层面解释了宏观润滑性能变化的根源。

图5 | 近红外光照射下Sheath-SCH润滑机制研究 (a) 水凝胶在粘弹性松弛和多孔弹性松弛状态下，自由水和结合水迁移示意图。 (b) Sheath-SCH的平行板应力松弛曲线。 (c) 近红外光开启/关闭状态下，Sheath-SCH的低场核磁共振氢谱。 (d) 近红外光开启/关闭状态下，Sheath-SCH表面的扫描电镜图像。 (e) 近红外光开启/关闭状态下，Sheath-SCH的差示扫描量热分析。

在应用演示中，研究团队将水凝胶制成管状并包裹聚四氟乙烯棒，模拟肌腱在腱鞘中的滑动。近红外光照射后，水凝胶内外表面形成润滑层，即使在10万次往复摩擦后仍保持完整。特别是在模拟生理环境的磷脂酰胆碱溶液中，水凝胶的摩擦系数可长期稳定在0.007的超润滑水平，且表面磨损极低。

图6 | Sheath-SCH的光热响应润滑性能演示 (a) 在近红外光照射下，Sheath-SCH作为滑动鞘包裹PTFE棒的演示（比例尺：1厘米）。 (b) 在10万次剪切循环下，Sheath-SCH在明胶溶液（15 mg·mL⁻¹）和HSPC溶液（10 mg·mL⁻¹）中的摩擦系数曲线。 (c) 近红外光照射后，Sheath-SCH表面在进行10万次剪切循环前后的3D显微形貌。 (d) 不同光热响应润滑水凝胶与Sheath-SCH的摩擦系数对比。 (e) 更换不同光热材料制备的水凝胶在近红外光照射后的摩擦系数。

最终的动物实验有力证明了该材料的生物医学应用潜力。在大鼠跟腱缺损模型中，植入Sheath-SCH水凝胶并进行周期性近红外照射，能有效减少肌腱周围的粘连形成。组织学分析显示，光照组促进了肌腱的再生性愈合，胶原纤维排列有序，且炎症反应显著减轻。免疫荧光分析进一步表明，该水凝胶体系，尤其是在近红外光激活下，能够调节局部免疫反应，促进巨噬细胞向修复性M2表型极化，从而营造有利于组织修复的微环境。

图7 | Sheath-SCH作为可植入腱鞘的潜在医学应用 (a) 在大鼠跟腱部位，Sheath-SCH在近红外光照射下植入的示意图和照片。 (b) 植入21天后，对照组、PVA/PNIPAM组、近红外光关闭和开启的Sheath-SCH组的腱鞘粘连观察。 (c) 植入21天后，肌腱软组织的H&E染色和Masson染色图像。 (d) 植入21天后，肌腱周围组织中CD68和CD206的免疫荧光染色。 (e) 植入21天后，肌腱周围组织中CD68阳性细胞的定量分析。 (f) 植入第21天，肌腱周围组织中标记为CD206的M2巨噬细胞与总巨噬细胞的比值。

综上所述，这项研究成功仿生腱鞘功能，创造出一种集光控润滑、可逆收缩、高强耐久与生物相容性于一体的智能水凝胶。它不仅为预防肌腱术后粘连提供了新的植入物解决方案，其独特的光触发超润滑转换特性，也为工业领域（如轴承、变速箱的按需润滑、软体机器人的自适应密封与抓取）的智能润滑平台开发带来了广阔前景。这项跨学科研究标志着仿生智能材料向动态、主动功能化迈出了关键一步。