针对以上问题，基于作者前期对聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝胶研究（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 7688-7692；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 48428-48436；Macromol. Rapid Comm., 2021, 2000749；Biomacromolecules, 2023, 24, 1522-1531等）。近期，作者受软骨结构的启发，利用N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）受热“疏水化”诱导脂质体形成，结合不对称模板一步构建表面悬浮链结构和底层掺杂脂质体疏水缔合结构的高强度润滑水凝胶。水凝胶具有相对较高的压缩强度（超过12 MPa）、优异的抗疲劳性、润滑性能（<LCST：COF=0.046；>LCST：COF=0.056）和生物相容性，在软骨替代材料中具有重要的潜在应用前景。
图1.（a） 关节软骨的模型图和软骨组成的结构图；（b）不对称模板法制备PNIPAm/EYL各向异性水凝胶
PNIPAm/EYL各向异性水凝胶制备过程如图1b所示，首先，选用低相变温度的蛋黄卵磷脂（EYL）与过饱和的NIPAm单体溶液进行热疏水分散制备脂质体。然后，引入物理交联剂Laponite进行交联的同时稳定脂质体。最后，在引发剂、催化剂和不对称模板的共同作用下，脂质的体内外单体聚合交联，形成具有表面刷状结构和底部疏水缔合结构的纳米复合各向异性水凝胶。一方面，疏水性单体可以促进磷脂在水中的分散，进而形成均匀稳定的脂质体，提高水凝胶的润滑性能；另一方面，脂质体稳定的疏水交联点可以改善水凝胶的力学性能。
图2（a） 不同浓度的单体溶液照片（红色为DiI标记的油相）；（b）添加EYL的单体溶液照片；（c）单体溶液中脂质体的光学和荧光显微图像
为了探究PNIPAm/EYL水凝胶结构形成机理，对聚合过程进行研究，随着NIPAm浓度增加，单体溶液出现相分离分层，上层为油相，下层为水相（图2a）。随后EKY加入到单体溶液中形成淡黄色乳液（图2b），显微镜下观察到大小均一的脂质体。因此，利用过饱和的NIPAm单体溶液中出现相分离油相，促使EYL分散形成脂质体，单体引发聚合形成水凝胶。
图3. 水凝胶的力学性能：PNIPAm和PNIPAm/EYL水凝胶拉伸应力-应变图（a）和压缩应力-应变图（b）；有限元模型中PNIPAm水凝胶（c）和PNIPAm/EYL水凝胶（d）的Von Mises压缩应力分布；不同NIPAm浓度的PNIPAm/EYL水凝胶的拉伸应力-应变图（e）和压缩应力-应力图（f）；PNIPAm/EYL水凝胶的阶段拉伸（g）和循环压缩（h）
PNIPAm/EYL水凝胶具有优异的机械强度，其可以被拉伸10倍至其原始长度，其拉伸应力可高达1.2 MPa（图3a）。水凝胶还具有优异的抗压机械强度，可压缩至90%而不破裂，压缩应力高达12 MPa（图3b），韧性和强度优异。建立有限元模型，进一步研究了水凝胶在实际加载条件下的应力分布和变形行为。PNIPAm/EYL较高的压缩模量更有利于维持网络稳定性和能量耗散。PNIPAm/EYL水凝胶还具有良好循环拉伸和循环压缩性能。脂质体作为疏水缔合交联点和Laponite与聚合物链的氢键物理交联共同作用提高PNIPAm/EYL水凝胶的力学性能，超高的力学强度为高承载强度提供了坚实的基础。
图4.（a）PNIPAm/EYL水凝胶和PNIPAm水凝胶的COF；（b） PNIPAm/EYL水凝胶的Teflon和玻璃侧表面的COF；（c）PNIPAm/EYL水凝胶的摩擦曲线；（d）水凝胶1000次循环摩擦试验后的表面形貌；（e）未摩擦水凝胶的表面形貌；（f）水凝胶在LCST以下和以上的COF；（g）不同载荷下PNIPAm/EYL水凝胶的COF；（h）不同滑动速度下PNIPAm/EYL水凝胶的COF
软骨最重要的用途之一是提供高润滑的关节表面。与未添加EYL的PNIPAm水凝胶相比，PNIPAm/EYL水凝胶的COF低至0.046。水凝胶上表面的COF远低于下表面，这是因为Teflon阻碍单体聚合，生成的水凝胶网络更松散，表面水化程度更高，使得COF降低。更重要的是，由于EYL的低相变温度，PNIPAm/EYL水凝胶在37oC下的COF比室温下的COF仅升高了0.01，具有良好的热稳定润滑性能。因此，其润滑机理为：水凝胶顶层的悬浮链多孔结构和脂质体的水合润滑共同作用提供润滑，而底层则可以支撑载荷提供承载功能。
该工作通过结合NIPAm单体的热疏水和不对称模板方法，成功开发了一种具有表面润滑层和底部疏水缔合结构的新型各向异性水凝胶，表现出优异的力学性能、抗疲劳性、润滑性能和良好的生物相容性，最重要的是，在体温下具有润滑性能。该工作不仅为高强度润滑水凝胶的设计提供了新的见解，而且为作为软骨替代材料治疗软骨损伤奠定了基础。
该工作以“Cartilage-Inspired, High-Strength, and Heat-Tolerant Lubricating Hydrogels by Macrophase Separation”为题发表在《Biomacromolecules》上（DOI: 10.1021/acs.biomac.4c00072）。论文的第一作者为四川大学华西医院的博士后杨洋，通讯作者为沈彬教授。感谢四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室徐世美教授的指导和帮助，感谢国家自然科学基金（82272561）和四川大学环保型高分子材料国家地方联合工程实验室（EFP-KF2302）的资助。