關節軟骨是在關節長骨末端的一種承重組織，它表面光滑，能減少相鄰兩骨的摩擦，緩沖運動時產生的震動。雖然軟骨的低摩擦在很大程度上歸因于可以承受相當一部分負荷的流體增壓。但潤滑分子在調節摩擦方面，尤其是潤滑邊界模式下的面-面接觸中，也發揮了重要作用。關節液中的成分包括透明質酸、滑液蛋白和表面活性磷脂，它們對軟骨的邊界潤滑都有著極為重要的作用。對于人類的關節軟骨而言，其長期的潤滑性能主要來自于暴露的卵磷脂脂類的非流體、含水量極高的頭部基團。

水凝膠是一種可以吸收大量的水或生物液體親水性聚合物鏈網絡。它和軟骨一樣，主要由水組成。其滲透性低、摩擦性低等特性使得水凝膠材料作為一種軟骨替代物被廣泛研究。在生物醫學和其他應用場景中，水凝膠會在對偶表面（countersurface）上滑動，因此其必須具有優秀的潤滑性能。通常情況下，水凝膠的潤滑性主要來自于流體或溶劑化的表面相，與人類軟骨存在著差異。

近日，受到關節脂質邊界層的啟發，以色列魏茲曼科學研究所的Ronit Goldberg和Jacob Klein等人合作，設計了具有低濃度脂質（磷脂酰膽堿）的水凝膠，這些水凝膠不斷向表面滲出脂質，形成自潤滑層，與無脂質水凝膠相比，摩擦和磨損降低了80％至99.3％，實現了對人體關節軟骨潤滑機制的模仿與改良，即使凝膠干燥后重新補充水分，這種潤滑效果仍然存在。這種方法具有普適性，大大推動了水凝膠材料在生物醫學領域、組織工程、生物傳感器甚至隱形眼鏡中的應用，相關論文以“Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels”為題，發表在最新一期的《Science》上，第一作者為Lin Weifeng。

當水凝膠在對偶表面滑動時，水凝膠內部的脂質囊泡會在凝膠表面釋放出脂質層，這種脂質層的頭部基團水含量很高，大大降低了水凝膠表面的摩擦系數。當水凝膠因為摩擦作用而磨損時，這種邊界潤滑層能夠自更新。此外，摻雜進水凝膠材料中的脂質濃度很低，且可以按需調節，對水凝膠本身的機械性能影響很小。

Ronit Goldberg等人針對包括生物水凝膠和合成聚合物水凝膠（部分材料與常用的pHEMA差異很大）在內的多種水凝膠材料進行了測試，結果顯示脂質摻入能夠有效減小水凝膠的摩擦。此外，研究人員還對鋼材料以外的對偶表面進行測試，再次發現摩擦的有效減少。最后，他們對超過三個數量級范圍的滑動速度進行研究，測得接近恒定的摩擦系數，證明這種邊界模式的潤滑是有效的。

更加重要的是，作者表面滑動是驅動了脂質囊泡中脂質在凝膠表面的釋放，這對表面脂質層的形成至關重要。而且當水凝膠因為摩擦作用下而輕微磨損時，邊界潤滑層會自我更新。而通過浸泡和清洗水凝膠或是將其置于溶液中等外部涂抹脂質的方式進行潤滑，潤滑效果都遠遠不如在水凝膠材料內部摻雜脂質。與囊泡內的脂質相比，周圍溶液中的脂質不易進入凝膠-對偶表面界面處。此外，脂質囊泡沒有改變水凝膠的機械性能。

作者還表示，脂質的摻雜濃度可以按需調節，從而實現了對水凝膠潤滑能力和耐久性的調節。然而，考慮到水凝膠的自更新是以磨損為前提，材料的整體壽命可能會受到影響，因此需要根據不同的應用加以考慮。

最后，將這種水凝膠材料放入60℃烘箱中完全干燥后，再重新補充水分，水凝膠仍然能夠保持潤滑作用。這種強大的特性對水凝膠的儲存和在惡劣條件下的使用有積極的影響。

總結：Ronit Goldberg等人通過摻雜脂質的方法，實現了不同水凝膠材料的自潤滑作用，同時保留了材料本身的機械性能。這些材料在生物醫學、組織工程、生物傳感器甚至隱形眼鏡等應用中潛力巨大。更加重要的是，除了潤滑之外，這些水凝膠可以發揮更復雜的生物學功能，如藥物傳遞裝置、消炎試劑或是免疫反應調節劑。事實上，這一發現在許多與生物學和醫學相關的領域都有潛在的應用價值，未來的研究和應用將走向何方，讓我們拭目以待。

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https://science.sciencemag.org/content/370/6514/335