The Innovation | 关节软骨启发润滑水凝胶设计的新思路

导 读

以色列魏茨曼科学研究所Lin Weifeng等人在Science发文介绍了一种基于脂质的水合润滑策略，可用于构建高效、长时程、宽范围、自我更新的润滑水凝胶，该策略的灵感来源于软骨的润滑效应。本篇评论首先简要总结了关节软骨结构及其润滑模型的发展，讨论了上述水凝胶的相关性能与应用前景。在评论作者看来，软骨润滑及相关材料研究仍道阻且长。基于脂质的水凝胶润滑策略远非其终点，但有望成为生物摩擦学、材料科学等领域交叉的新基石。

图1 图文摘要

当两个固体界面相互接触并相对滑动时，随之而来的摩擦（friction）和磨损（wear）可能产生一系列负面效应，润滑（lubrication）是降低摩擦系数和磨损的重要手段。迄今为止，任何人造润滑系统均无法与人类滑膜关节相比拟——即使在极高局部压力和宽泛的剪切速率下，关节软骨（articular cartilage）表面仍保持着极低的滑动摩擦系数。这一现象引发了科学家们数十年的探索。

近年来，磷脂分子对关节软骨润滑的重要作用引起了人们的关注。部分研究认为磷脂酰胆碱（PC）等为软骨表面提供的水合润滑（hydration lubrication）是软骨润滑的主要成因：PC分子的末端为两个长尾状脂肪酸基团，另一端则连接着一个两性离子型磷酸胆碱基团，其中胆碱基团带正电，磷酸基团带负电。

简而言之，由于电荷-偶极相互作用，水分子围绕PC分子形成水合壳层。这一水合壳层既非常顽强地附着于PC分子表面，也可以极快的速度与周围水分子相互交换。这种双重特性使得水合壳层中的水分子在软骨界面的压缩中很难被挤出。但当发生剪切时，水合壳层的水分子会与周围水分子迅速交换，使软骨表面磷脂分子水合壳层像流体一样很容易相互滑动。

在200个大气压下，通过PC的水合润滑，摩擦系数 μ 可以降低到 10^-4 甚至更低，而摩擦磨损后的细胞补充和磷脂水合壳层自组装则保证了这种润滑作用的连续性。值得注意的是，软骨的磷脂水合润滑模型作为一种新出现的模型，可能与现有的一些模型相矛盾，因此仍需更为直接的证据。尽管如此，它为软骨润滑的研究提供了新的方向。

对软骨润滑的探索启发了诸多生物润滑材料的研究，但极端条件下的长期润滑仍是一项重大挑战。Lin Weifeng等人将低浓度的PC与预凝胶混合，在超声乳化下形成多层囊泡 (MLV)。待凝胶交联后，囊泡遍布表面和内部。由于PC的存在，水凝胶的边界层类似于关节软骨表面的边界润滑层。附着在水凝胶表面的PC分子的水合外壳提供了有效的水合润滑，使水凝胶表面即使在极高的压力下也具有极低的摩擦系数。在摩擦磨损后，水凝胶暴露出新的表面，原本嵌入内部的PC被释放出来——这一效应允许水凝胶的水合润滑层不断更新并自组装，从而赋予水凝胶自润滑性能。

研究证明这种润滑策略可被应用于各类模量与含水量迥异的水凝胶。通过激光扫描共聚焦显微镜和扫描电子显微镜表征证实这些MLV以分离成簇或形成球形微储层的形式存在，并且广泛分布在水凝胶的表面和内部。通过流变学表明，PC对水凝胶的原始储能模量和损耗模量的影响较小。在与不锈钢表面的摩擦实验中，通过荧光标记和理论计算描述了界面中PC润滑边界的分布和重构，从而证明其具有自我更新能力。在较宽的压力和速度范围内，掺杂PC的水凝胶磨损和摩擦系数显著低于其它组别。此外，水凝胶即使在长时间摩擦或再水化恢复后，摩擦系数和磨损仍处于极低水平。

总结与展望

Lin Weifeng等人提出的受软骨启发的基于脂质的水凝胶策略简单、通用且性能卓越。在理论层面，这种水凝胶模型打开了软骨润滑机制探索的全新大门，为后续研究提供理论支持。在应用层面，该模型为生物医学等领域带来了无限想象空间，例如根据该模型制成的水凝胶可用于仿生关节软骨材料，有望在未来实现远超自然软骨的性能。此外，研究中提到的囊泡还可能作为药物载体，保护药物并靶向递送。当然，如何有效地设计新材料的功能特性以满足生物医学需求仍是亟待探索的问题。

责任编辑

李 晶   北京大学

周 转   西南医学中心

扫二维码｜查看原文

原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00071-6

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Commentary发表的“Cartilage-Inspired Hydrogel Lubrication Strategy” (投稿: 2022-05-03；接收: 2022-05-30；在线刊出: 2022-06-23)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100275

引用格式：Li W., Lai JY., Zu Y., et al. (2022). Cartilage-Inspired Hydrogel Lubrication Strategy. The Innovation. 3(5),100275.

作者简介

赖溥祥，香港理工大学生物医学工程系副教授、博士生导师。赖博士长期致力于声光结合及其在生物医学成像、治疗、操控和人工智能领域的应用研究，在诸如光声成像、散射光聚焦、光遗传、光纤成像等方面在过去的十多年开展了大量原创和前瞻性的工作，成果得到了国际同行的初步关注与肯定，以第一作者或者通讯作者在Nature Photonics，Nature Communications，Advanced Science等期刊发表论文近70余篇，多次获得国际会议最佳论文荣誉。赖博士2016年入选国家高层次青年人才计划，香港2016-2017年度杰出青年学者，2018 年香港理工大学工学院杰出科研基金奖，2019年王宽城“一带一路”访问学者，2020年香港理工大学工学院卓越科研奖。目前担任中国光学学会生物医学光子学分会常委，中国生物医学工程学会生物医学光子学分会委员，数个国际学术期刊副主编或者编委，以及南方医科大学珠江医院客座教授。

Web: https://www.polyu.edu.hk/bme/people/academic-staff/dr-puxiang-lai/

往期推荐

期刊简介

扫二维码 ｜ 关注期刊官微

The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球46个国家/地区；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被107个国家/地区作者引用。目前有193位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

期刊官网1（Owner）：

www.the-innovation.org

期刊官网2（Publisher）：

www.cell.com/the-innovation/home

期刊投稿（Submission）：

www.editorialmanager.com/the-innovation

商务合作（Marketing）：

marketing@the-innovation.org

Logo｜期刊标识

See the unseen & change the unchanged

创新是一扇门，我们探索未知；  

创新是一道光，我们脑洞大开；  

创新是一本书，我们期待惊喜；  

创新是一个“1”，我们一路同行。