人体滑膜关节能够在极高的赫兹接触压力（3-18 MPa）下呈现出极低的摩擦系数（0.001-0.03）。无论是静止还是运动状态，关节界面始终都能保持超低摩擦，支撑人体正常运动。研究表明，包覆在骨关节表面的关节软骨在减小骨间摩擦和缓冲运动震动中起关键作用。关节软骨具有复杂精细的结构，可简化为双相模型：流体相为多孔结构，内含生物大分子，具有动态自适应性能，与关节润滑液协同起到润滑减摩作用；固体相则在低速运动中起承载作用。由于关节软骨缺乏血管，损伤后难以自我修复，临床上对替代材料有迫切需求。水凝胶作为一种湿软的三维网络高分子材料，与关节软骨相似，被视为理想替代材料。自20世纪90年代以来，科学家开展了大量水凝胶摩擦学研究，但润滑与强度的矛盾限制了其应用。因此，发展高承载、低摩擦、抗磨损的水凝胶材料尤为紧迫。

近期，受关节软骨双相梯度结构启发，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室周峰团队在结构化水凝胶仿生关节软骨材料方面取得系列进展，实现了高承载、低摩擦的软硬复合结构化水凝胶材料，为新型人工关节材料设计提供了理论指导。该团队采用软硬复合仿生界面设计策略，将聚丙烯酸（PAA）水凝胶浇筑到多孔阳极氧化铝（AAO）模板中，构筑了软硬复合表面（图1）。基底为硬质AAO模板，表面为有序水凝胶纳米纤维阵列，类似软骨表面的胶原纤维阵列。在高载荷滑动剪切下，表层水凝胶起减摩作用，硬质AAO模板起承载作用。该复合表面在40 N高载荷下实现超低摩擦系数（10⁻³级别）。此外，由于PAA水凝胶的酸碱响应特性，该表面可在高赫兹接触压力下实现摩擦系数原位、快速、稳定、可逆转变。该工作发表于《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater. 2015, 47, 7366-7374）。

基于相同理念，该团队利用3D打印ABS模具表面活泼氢对聚合的弱阻聚效应，采用界面诱导调控聚合成型技术，开发了高强度水凝胶软骨材料。该材料分为两层：表层为超滑大孔水凝胶网络，底层为致密高强度水凝胶（图2）。滑动剪切时，多孔高含水的表层起润滑作用，底层起承载作用，实现了高承载与低摩擦的统一。该层状水凝胶可在数兆帕接触压力下实现超低摩擦系数，有望用作新一代关节软骨材料。该研究发表于ACS Macro Letters（2016, 5: 1191-1195）。

基于上述工作，研究团队受《聚合物》（Polymer）期刊邀请撰写了首篇关于结构化水凝胶的综述论文（Polymer, 2016, 98, 516-535），概述了新一代结构化水凝胶的制备方法及应用前景，对摩擦学领域科学家从事生物润滑材料研发具有重要指导意义。

上述研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院重点部署项目和“西部之光”人才培养计划的资助。