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High Lubricity Meets Load Capacity: Cartilage Mimicking Bilayer Structure by Brushing Up Stiff Hydrogels from Subsurface

材料科学 润滑性 润滑 复合材料 双层 软骨 粘弹性 图层(电子) 往复运动 润滑油 聚合物 自愈水凝胶 纳米技术 机械工程 工程类 气体压缩机 解剖 生物 高分子化学 医学 遗传学
作者
Mingming Rong,Hui Liu,Michele Scaraggi,Yanyan Bai,Luyao Bao,Shuanhong Ma,Zhengfeng Ma,Meirong Cai,Daniele Dini,Feng Zhou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:30 (39) 被引量:205
标识
DOI:10.1002/adfm.202004062
摘要

Abstract Natural articular cartilage has ultralow friction even at high squeezing pressure. Biomimicking cartilage with soft materials has been and remains a grand challenge in the fields of materials science and engineering. Inspired by the unique structural features of the articular cartilage, as well as by its remarkable lubrication mechanisms dictated by the properties of the superficial layers, a novel archetype of cartilage‐mimicking bilayer material by robustly entangling thick hydrophilic polyelectrolyte brushes into the subsurface of a stiff hydrogel substrate is developed. The topmost soft polymer layer provides effective aqueous lubrication, whereas the stiffer hydrogel layer used as a substrate delivers the load‐bearing capacity. Their synergy is capable of attaining low friction coefficients (order 0.010) under heavily loaded conditions (order 10 MPa contact pressure) in water environment, a performance incredibly close to that of natural articular cartilage. The bioinspired material can maintain low friction even when subjected to 50k reciprocating cycles under high contact pressure, with almost no wear observed on the sliding track. These findings are theoretically explained and compounded by multiscale simulations used to shed light on the mechanisms responsible for this remarkable performance. This work opens innovative technology routes for developing cartilage‐mimicking ultralow friction soft materials.
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