仿生关节软骨！吉林大学《自然·通讯》：研发高强度水凝胶，革新智能防护材料
仿生关节软骨！吉林大学《自然·通讯》：研发高强度水凝胶，革新智能防护材料
近日，吉林大学马志超教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表最新研究成果，成功开发出一种受天然关节软骨启发的仿生水凝胶材料（BPP水凝胶）。该材料兼具高强度、低摩擦、抗疲劳等特性，并集成智能传感功能，为新一代智能防护设备提供了创新解决方案。
仿生设计突破传统局限
天然关节软骨因其独特的“混凝土”结构（胶原纤维为“钢筋”、蛋白聚糖为“水泥”）而具备卓越的力学性能和润滑特性。研究团队受此启发，以低成本材料聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇（PEG）为基础，设计出仿生“混凝土”结构：未完全溶解的PVA颗粒作为刚性“水泥”，PVA/PEG纤维网络充当柔性“钢筋”。这种多尺度结构使材料在拉伸时纤维网络致密化，压缩时颗粒协同承载，显著提升机械性能。
图 1.材料的设计和潜在应用。
性能超越天然软骨
实验表明，BPP水凝胶的抗压强度达29.5 MPa（86%应变）、抗拉强度为10.5 MPa（265%应变），均超过天然软骨的力学阈值（8.1 MPa抗拉、约100 MPa抗压）。其疲劳性能尤为突出——经过100万次压缩循环后，峰值应力仅下降8.57%，且表面无可见压痕。此外，在模拟关节滑液环境中，BPP水凝胶的摩擦系数（COF）比天然软骨低75%，磨损量极微，展现出优异的润滑耐久性。
图 2.BPP 水凝胶的机械性能。
图 3.BPP 水凝胶结构演变的微观表征和原位 SAXS/WAXS。
图 4.BPP 水凝胶的原位冲击测试和耐磨性测试。
智能防护与实时监测
研究团队进一步将BPP水凝胶封装为柔性传感器，利用其离子导电特性实现外力实时监测。该传感器灵敏度高（应变系数GF=337）、响应快（100毫秒），可稳定识别0-50%应变范围内的压力变化。基于此，团队开发了智能防护系统原型：当外部冲击力超过人体耐受阈值时，系统自动发送预警邮件，并无线传输数据至终端设备。此类技术可应用于消防员防护装备、运动护具等领域，实现“冲击缓冲-能量消散-危险预警”一体化功能。
图 5.BPP 水凝胶的性能分析和传感应用。
低成本工艺助力商业化
与传统PVA/PEG水凝胶相比，BPP水凝胶无需复杂添加剂或工艺，仅通过冷冻-解冻循环和定向拉伸即可制备，成本大幅降低。论文对比显示，其原材料种类和加工步骤仅为同类材料的1/3-1/2，且生物相容性优异，适用于人体接触场景。
展望
这项研究为仿生材料设计提供了新思路，未来将优化水凝胶的长期稳定性，并探索其在人工关节、柔性机器人等领域的应用。该成果不仅推动了高性能水凝胶的研发，也为智能防护设备的实用化迈出关键一步。
来源：高分子科学前沿