一种基于超分子生物润滑特性的水凝胶涂层，通过环糊精介导的主客体相互作用有效提升生物摩擦学性能并实现自修复功能

《Progress in Materials Science》：A supramolecularly biolubricant hydrogel coating for effectively enhancing biotribological performance and self-healing via cyclodextrin-based host-guest interaction

骨科植入物表面超分子自修复水凝胶涂层开发及摩擦学性能研究。采用环糊精-金刚烷主客作用构建三网络结构（CSCD/AM-Ada/PVA），通过氢键网络和弹性耗散缓冲层协同作用，使摩擦系数降至0.10（比CAAP-1降低53%），磨损率0.025×10^-4 mm3·N?1·m?1，储能模量提升5倍，显著增强抗磨损和自修复性能，延长植入物寿命。

　　在骨科植入物涂层领域，摩擦和磨损发生在植入物与组织之间的界面，以及由此引发的感染、松动和异物反应等并发症，仍然是未解决的临床难题。为此，我们开发了一种超分子自修复水凝胶涂层（CAAP），利用环糊精- adamantane 主客体相互作用作为动态交联剂，实现摩擦能量的耗散。通过整合壳聚糖-环糊精（CSCD）、丙烯酰胺- adamantane（AM-Ada）和聚乙烯醇（PVA），构建了一个三重网络结构。密集的氢键网络与 CSCD 和 AM-Ada 形成的“弹性-耗散缓冲层”协同作用，有效减少了磨损碎屑的产生，并增强了摩擦减少和耐磨性。值得注意的是，CAAP-3 在 10% CSCD 含量下，其对 Si?N? 和骨球的摩擦系数（COF）分别低至 0.10 和 0.128，在模拟体液（SBF）中分别比 CAAP-1（5%）降低了 53% 和 48%。这种性能提升归因于均匀的网络结构和主客体能量耗散机制，使储存模量提升了五倍。CAAP-3 表现出较低的磨损率（0.025 × 10?? mm3·N?1·m?1）和较高的韧性（21.26 kJ/m2），因此，具有弹性-耗散协同作用和优异的摩擦力学性能的 CAAP-3 涂层，在延长植入物使用寿命方面展现出显著的临床潜力。

在骨科植入物领域，如人工关节和骨螺钉，已成为治疗骨折和关节炎等骨疾病的重要手段。然而，植入物与周围组织之间的界面问题，如因摩擦和磨损导致的感染、松动和异物反应等，仍然是影响其长期性能和安全性的主要挑战。在所有用于改善植入物表面的工艺中，如表面纹理化和激光熔覆等，溶胶-凝胶法被认为是一种有效的策略。溶胶-凝胶法在解决界面问题方面展现出独特的潜力，能够形成具有特定物理化学特性的涂层，从而改善植入物与组织的相互作用。

水凝胶作为一种具有独特物理化学特性和生物相容性的材料，能够模拟天然软骨和细胞外基质的微环境，为细胞生长和组织再生提供理想的平台，因此在骨科植入物涂层领域展现出广阔的应用前景。然而，传统水凝胶的纠缠网络交联密度较低，聚合物链之间的分子间作用力较弱，导致能量耗散能力不足和机械强度不够。因此，设计一种复杂且有效的聚合物链以调控分子网络，能够优化涂层的拓扑结构并提高其机械性能。此外，考虑到关节置换或骨损伤修复等应用场景，水凝胶涂层会长时间承受动态应力负载和周期性摩擦力。由于磨损，涂层容易产生磨损颗粒或碎屑，从而引发炎症反应，最终导致植入物松动或失效。因此，涂层的高效自修复性能和优异的能量耗散能力是解决涂层失效问题的关键。

超分子相互作用，如氢键驱动的相互作用、主客体相互作用、π-π 堆积、疏水相互作用和动态共价键等，以其智能响应、可控释放和强大的机械性能，为设计骨科植入物涂层提供了新的思路。与传统的化学交联相比，主客体分子的交联点具有可逆性，能够在分子层面实现“滑动-释放-再结合”的动态过程，从而更高效地增强水凝胶涂层的性能。这种动态超分子修复机制能够更持久地提升涂层的性能，帮助减少摩擦过程中的损伤，并实现内部的动态修复。

为了满足对具有超分子自修复、优异机械性能和仿生润滑性的水凝胶的需求，我们创新性地将 β-CD 与 adamantane 之间的主客体超分子相互作用整合到三重互穿网络结构中。壳聚糖（CS）是一种天然的氨基多糖，来源于甲壳素的脱乙酰化，因其抗菌活性、生物相容性和良好的水溶性而被选为涂层材料。壳聚糖的氨基和羟基提供了与磺化环糊精单体（CSCD）形成共价键的修饰位点，同时为水凝胶网络提供了半刚性结构。丙烯酰胺被共价接枝到 adamantane（AM-Ada）上，以修饰客体分子，从而形成双丙烯酰胺键，增强水凝胶的机械性能，并引入丰富的可逆氢键以实现自修复。这一方法与 Zhu 等人的研究相呼应，他们证明将聚丙烯酰胺引入壳聚糖能够提升其机械强度。此外，聚乙烯醇（PVA）被引入以增强机械强度、吸水性、疲劳耐受性和仿生润滑性。Guo 等人的研究表明，CS-PVA 复合材料的拉伸强度提高了 1100%，断裂伸长率提高了 487%。分子层面，PVA 也限制了主客体解离后链段的广泛运动，从而维持主客体识别的效率。三重结构及其制备过程如图 1(b)–(c) 所示。

本研究旨在通过剧烈搅拌 PVA、CSCD 和 AM-Ada 来制备一种超分子自修复水凝胶（CSCD/AM-Ada/AM/PVA，CAAP）。假设主客体（β-CD/Ada）相互作用能够在摩擦刺激下驱动动态的“滑动-释放-再结合”过程，从而赋予水凝胶高效的自修复能力和优越的润滑恢复，以减轻磨损引发的失效。为了验证这一假设，我们在模拟体液（SBF）中使用 Si?N? 球（作为人工关节的模拟）和皮质骨球（作为骨修复模型）对 CAAP 进行了系统的摩擦学评估。同时，采用应变率频率叠加（SRFS）流变学方法来表征能量耗散机制，从而确认摩擦缓解的潜在路径。

材料方面，壳聚糖（CS，脱乙酰度 >90%，粘度 <100 mPa·s；单糖组成：脱乙酰后的氨基葡萄糖和 N-乙酰氨基葡萄糖，摩尔比与脱乙酰度相符（>9:1）；糖苷键：β-(1→4)；数均分子量（Mn）约为 50–100 kDa，由使用 pullulan 标准在 0.1 M 醋酸/0.2 M 醋酸钠缓冲液中通过凝胶渗透色谱（GPC）测定）被选用，其来源于甲壳素的脱乙酰化，具有抗菌活性、生物相容性和良好的水溶性。β-CD（β-环糊精，纯度 >99%；单糖组成：单糖组成为 D-葡萄糖，通过与对甲苯磺酰氯（TsCl）反应激活 β-CD 的羟基。在相应的质子核磁共振（NMR）谱图中（见图 S1），可以观察到……。

对 CAAP 水凝胶材料的表征显示，其在 SBF 润滑条件下，CSCD 含量的增加显著改善了涂层的微观结构和摩擦学性能。对机械性能和表面相互作用的全面分析表明，CAAP 水凝胶的摩擦和磨损行为受到多种机制的调控。扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）确认了粘附和……的共存，表明涂层表面在摩擦过程中能够形成动态的粘附-释放-再结合机制，从而有效减少磨损碎屑的产生并增强润滑性能。此外，通过流变学测试，进一步验证了涂层在动态摩擦条件下的能量耗散能力，表明其在摩擦过程中能够吸收和耗散能量，从而降低摩擦对涂层的损伤。这些结果表明，CAAP 涂层不仅具有优异的摩擦学性能，还能够通过动态自修复机制实现对磨损的缓解，为延长植入物的使用寿命提供了重要的理论依据和技术支持。

综上所述，本研究成功开发了一种用于骨科植入物的超分子自修复水凝胶（CAAP）。该涂层利用环糊精与 adamantane 之间的主客体相互作用作为动态交联剂，实现摩擦能量的耗散。通过整合 CSCD、AM-Ada 和 PVA，构建了一个三重网络结构。密集的氢键网络与 CSCD 和 AM-Ada 形成的“弹性-耗散缓冲层”协同作用，有效减少磨损碎屑的产生并增强涂层的摩擦减少和耐磨性。CAAP-3 在 10% CSCD 含量下表现出优异的摩擦学性能，其对 Si?N? 和骨球的摩擦系数分别降低了 53% 和 48%，并且具有较低的磨损率和较高的韧性。这些性能的提升归因于均匀的网络结构和主客体能量耗散机制，使储存模量提升了五倍。因此，CAAP-3 涂层不仅具有优异的摩擦力学性能，还展现出显著的临床潜力，有望在延长植入物使用寿命方面发挥重要作用。

在实际应用中，CAAP 涂层的优异性能使其在骨科植入物领域具有广阔的应用前景。通过引入主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的自修复，从而减少磨损对植入物的影响。此外，三重网络结构的构建使得涂层在机械性能和生物相容性方面均得到了优化。CSCD 和 AM-Ada 的协同作用不仅增强了涂层的弹性，还提供了额外的能量耗散能力，使涂层在面对动态应力时能够保持稳定。PVA 的引入进一步提升了涂层的机械强度和疲劳耐受性，使其在长期使用过程中不易发生结构破坏。这些改进使得 CAAP 涂层在模拟体液中表现出优异的润滑性能和耐磨性，为实际临床应用提供了可靠的基础。

CAAP 涂层的开发不仅解决了传统水凝胶在机械性能和能量耗散方面的不足，还为骨科植入物的表面改性提供了新的思路。通过主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的滑动和释放，从而减少摩擦对涂层的损伤。这种动态机制使得涂层能够在长期使用中保持良好的性能，避免因磨损导致的松动或失效。此外，CAAP 涂层的仿生润滑性使其能够模拟天然组织的微环境，从而促进细胞的生长和组织的再生，提高植入物的生物相容性。这些特性使得 CAAP 涂层在骨科植入物领域具有重要的应用价值。

在研究过程中，我们采用了一系列先进的表征技术，包括流变学测试、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），以全面评估 CAAP 涂层的性能。流变学测试结果表明，CAAP 涂层在动态摩擦条件下表现出优异的能量耗散能力，其储存模量显著提高，从而增强了涂层的机械强度。SEM 和 EDS 分析进一步揭示了涂层在摩擦过程中的微观结构变化，表明其能够形成动态的粘附-释放-再结合机制，从而减少磨损碎屑的产生并提高润滑性能。这些结果不仅验证了 CAAP 涂层的性能，还为后续的临床应用提供了重要的数据支持。

CAAP 涂层的开发还为解决骨科植入物表面改性中的诸多问题提供了新的方法。传统表面改性技术如表面纹理化和激光熔覆虽然在一定程度上能够改善植入物的性能，但其在长期使用中容易因摩擦和磨损导致结构破坏，从而影响植入物的长期稳定性和安全性。而 CAAP 涂层通过引入主客体相互作用，实现了动态的自修复，使涂层能够在面对磨损时保持良好的性能。此外，三重网络结构的构建使得涂层在机械性能和生物相容性方面均得到了优化，使其能够更好地适应骨科植入物的临床需求。

CAAP 涂层的优异性能使其在骨科植入物领域具有重要的应用价值。通过主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的能量耗散，从而减少摩擦对涂层的损伤。这种机制不仅提高了涂层的机械强度，还增强了其在长期使用中的稳定性。此外，CAAP 涂层的仿生润滑性使其能够模拟天然组织的微环境，从而促进细胞的生长和组织的再生，提高植入物的生物相容性。这些特性使得 CAAP 涂层在骨科植入物领域具有重要的临床潜力，有望成为新一代植入物涂层的首选材料。

在研究过程中，我们还对 CAAP 涂层的制备工艺进行了深入探讨。通过剧烈搅拌 PVA、CSCD 和 AM-Ada，构建了一个三重网络结构，使得涂层在物理化学特性和机械性能方面均得到了优化。此外，CAAP 涂层的制备过程不仅考虑了材料的物理化学特性，还结合了生物相容性和仿生润滑性的需求，使其能够更好地适应骨科植入物的临床应用场景。这些改进使得 CAAP 涂层在模拟体液中表现出优异的性能，为实际临床应用提供了可靠的基础。

CAAP 涂层的开发不仅解决了传统水凝胶在机械性能和能量耗散方面的不足，还为骨科植入物的表面改性提供了新的方法。通过引入主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的自修复，使涂层在面对磨损时保持良好的性能。此外，三重网络结构的构建使得涂层在机械性能和生物相容性方面均得到了优化，使其能够更好地适应骨科植入物的临床需求。这些特性使得 CAAP 涂层在骨科植入物领域具有重要的应用价值，有望成为新一代植入物涂层的首选材料。

CAAP 涂层的优异性能使其在骨科植入物领域具有重要的应用价值。通过主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的能量耗散，从而减少摩擦对涂层的损伤。这种机制不仅提高了涂层的机械强度，还增强了其在长期使用中的稳定性。此外，CAAP 涂层的仿生润滑性使其能够模拟天然组织的微环境，从而促进细胞的生长和组织的再生，提高植入物的生物相容性。这些特性使得 CAAP 涂层在骨科植入物领域具有重要的临床潜力，有望成为新一代植入物涂层的首选材料。

CAAP 涂层的开发不仅解决了传统水凝胶在机械性能和能量耗散方面的不足，还为骨科植入物的表面改性提供了新的方法。通过引入主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的自修复，使涂层在面对磨损时保持良好的性能。此外，三重网络结构的构建使得涂层在机械性能和生物相容性方面均得到了优化，使其能够更好地适应骨科植入物的临床需求。这些特性使得 CAAP 涂层在骨科植入物领域具有重要的应用价值，有望成为新一代植入物涂层的首选材料。

综上所述，CAAP 涂层的开发为骨科植入物的表面改性提供了新的思路和方法。通过主客体相互作用，该涂层能够在摩擦过程中实现动态的能量耗散，从而减少摩擦对涂层的损伤。这种机制不仅提高了涂层的机械强度，还增强了其在长期使用中的稳定性。此外，CAAP 涂层的仿生润滑性使其能够模拟天然组织的微环境，从而促进细胞的生长和组织的再生，提高植入物的生物相容性。这些特性使得 CAAP 涂层在骨科植入物领域具有重要的应用价值，有望成为新一代植入物涂层的首选材料。