新型仿生材料突破傳統(tǒng)局限！讓人工關(guān)節(jié)更耐磨、更“長(zhǎng)效

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能和生物相容性，常用作人工關(guān)節(jié)的襯底材料。臨床中，傳統(tǒng)UHMWPE人工關(guān)節(jié)材料在服役過程中易產(chǎn)生磨屑，引發(fā)假體無菌性松動(dòng)，導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)使用壽命僅10-15年，難以滿足年輕患者的臨床需求。

針對(duì)這一臨床痛點(diǎn)，海南大學(xué)文峰（通訊作者）、鄧喬元（通訊作者）、李萌婷（通訊作者）、甄妮妮（第一作者）等，仿照天然關(guān)節(jié)軟骨的多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合前期研究結(jié)果（銅離子誘導(dǎo)蛋白吸附成膜），成功制備了具有良好減磨功能的含銅碳點(diǎn)摻雜的多孔聚乙烯材料（Cu-CDs@UHMWPE）。當(dāng)Cu-CDs@UHMWPE受到壓力時(shí)，儲(chǔ)存于孔隙中的潤(rùn)滑介質(zhì)被釋放出來在摩擦界面處形成液膜潤(rùn)滑對(duì)磨副，同時(shí)從Cu-CDs@UHMWPE釋放的銅離子促進(jìn)了蛋白質(zhì)在磨損界面的吸附，形成蛋白質(zhì)層，進(jìn)一步減少對(duì)磨副的磨損。這兩種功能的協(xié)同作用提高了多孔UHMWPE的耐磨性并延長(zhǎng)了其使用壽命。為新型仿生人工關(guān)節(jié)材料的研發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。相關(guān)成果以“Cu-CDs drive the formation of protein tribo-film on the porous UHMWPE to achieve auto-antifriction property in BSA solution”為題，發(fā)表于期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》。

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DOI:10.1016/j.colsurfa.2026.139724

該研究以多巴胺、鄰苯二胺、氯化銅為原料通過水熱法制備出平均粒徑5~6 nm的Cu-CDs。以NaCl為致孔劑制備多孔聚乙烯材料，篩選出UHMWPE/NaCl質(zhì)量比7:3為最優(yōu)工藝，在此基礎(chǔ)上摻雜Cu-CDs（0.1 wt%）得到的T30樣品，力學(xué)性能與天然關(guān)節(jié)軟骨相似且優(yōu)于未摻雜的多孔材料，其拉伸強(qiáng)度達(dá)9.93 MPa、壓縮強(qiáng)度6.9 MPa。

以氧化鋯球/聚乙烯材料作為對(duì)磨副，在BSA溶液（20 mg/mL）中進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明ZrO2/T30摩擦副的摩擦系數(shù)低至0.037±0.003，遠(yuǎn)低于ZrO2/U30和ZrO2/U00的摩擦系數(shù)；其磨損痕呈現(xiàn)寬而淺的特征，磨損指數(shù)較純UHMWPE明顯降低。此外，該材料的生物安全性良好，無明顯體外細(xì)胞毒性，同時(shí)熒光標(biāo)記實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了BSA在材料摩擦界面的吸附行為。

圖1 Cu-CDs的制備過程（a）、Cu-CDs的SEM圖像（b）、Cu-CDs的顆粒尺寸分布直方圖（c）、Cu-CD的HRTEM圖（d）以及Cu-CD的EDS（e）。通過水熱法成功制備了球形的Cu-CDs。

圖2 Cu-CD的XPS光譜圖（a）;C1s（b）、N1s（c）、O1s（d）和Cu2p（e）的高分辨率光譜。合成的Cu-CDs由C、O、N、Cu元素組成，表面含有豐富的官能團(tuán)。

圖3 啞鈴測(cè)試件的照片（a）、拉伸應(yīng)變曲線（b）和拉伸強(qiáng)度（c）。多孔UHMWPE圓柱形測(cè)試件的照片（d）、壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（e）和抗壓強(qiáng)度（f）。將Cu-CDs以0.1 wt%的比例摻雜進(jìn)多孔UHMWPE中，成功制得多孔的Cu-CDs@UHMWPE（T30），其力學(xué)性能適配人工關(guān)節(jié)臨床需求。

圖4 樣品的耐磨性測(cè)試。U00、U30和T30的CoF（a），U00、U30和T30的磨損軌跡的光學(xué)顯微圖像（b）和磨損指數(shù)（c），U00（d）、U30（e）和T30（f）磨損軌跡的輪廓，均使用輪廓儀進(jìn)行表征。多孔的Cu-CDs@UHMWPE（T30）顯著改善材料的摩擦學(xué)性能。

圖5 T30磨損軌跡外側(cè)的FITC-BSA吸附（a），以及T30磨損軌跡內(nèi)側(cè)的FITC-BSA吸附（b）。熒光標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明，BSA在T30的摩擦界面（磨損軌跡內(nèi)側(cè)）實(shí)現(xiàn)定向吸附。

圖6 T30潤(rùn)滑機(jī)制示意圖。T30的多孔結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存潤(rùn)滑液與Cu離子誘導(dǎo)的蛋白膜潤(rùn)滑協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的減摩效果。

該研究有望為新型UHMWPE人工關(guān)節(jié)材料的改進(jìn)與開發(fā)提供了新的思路及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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