水凝膠是親水性聚合物鏈網絡，可以吸收大量的水或生物流體。在許多生物醫學和其他應用中，每當表面相互滑過時，其潤滑性對它們的有效功能就顯得額外重要。目前，水凝膠表面的潤滑性主要是依賴于滯留在凝膠上的液體而形成的光滑的界面。但是，此類水凝膠的潤滑性在整個使用過程中（特別是在負荷情況下）會遇到不持續潤滑的情況。我們知道，我們身體的每個部分就是極好的生物材料，通過模仿它們的成分組成，對于人工生物材料的設計非常有幫助。針對上述的問題，想想我們身體哪個部位是經歷了整個生命周期都很少出現不潤滑的情況呢？關節軟骨的低摩擦力歸因于流體壓力支持了大部分負荷，而其邊界潤滑則歸因于其表面的非流體邊界層。研究發現，這些邊界層磨損后，主要是依靠細胞補充和自組裝其組分（包括透明質酸，潤滑脂，PC脂質）來進行補充潤滑。這些成分在軟骨和周圍的滑液中都是普遍存在的，因此很容易用來作為潤滑層保持在關節表面。其中，這些組分中尤其是PC脂質，該材料主要是通過水合磷酸膽堿頭基可減少滑移面的摩擦。那么，能否通過在水凝膠里面添加這些組分來減少水凝膠的表面摩擦呢？鑒于此，以色列魏茲曼科學研究所的Jacob Klein、Ronit Goldberg等人在各種合成水凝膠中通過摻入低濃度的脂質來模擬和修飾，從而創建一種基于脂質的、可自我更新的和分子薄厚度的邊界層。實驗結果表明，與無脂質水凝膠相比，這一材料的摩擦（和磨損）顯著降低了近100倍。而且，即使將凝膠干燥并再水化，仍然保持較好的效果。成果發表在Science期刊上。
生物摩擦學是對應用于生物系統或自然現象的潤滑，摩擦和磨損的研究。摩擦系數是取決于測試變量，表面和幾何形狀的系統變量。考慮到這種依賴性，Lin等人提供了確切的數據，證明了它們在水凝膠中可靠且有效的基于脂質的邊界潤滑。他們測試了許多不同的水凝膠，包括生物聚合物和合成聚合物，并顯示出脂質摻入有效降低了摩擦。他們還測試了除鋼以外的不同相對表面，再次發現有效降低了摩擦。最后，他們檢查了各種滑動速度，幾乎恒定的摩擦系數提供了邊界模式潤滑有效的證據。最后的結果突出了將脂質摻入水凝膠以提供自我更新的邊界潤滑的重要性。作者進一步證明了滑動是令水凝膠表面形成脂質層的關鍵驅動力，而且想要實現潤滑層的自我更新，則需要水凝膠被摩擦磨損。此外，與水凝膠體內摻入脂質相比，只是簡單地通過外部添加脂質（例如浸泡）進行潤滑的話，其潤滑效果要差得多。因為外部溶液中的脂質很難進入凝膠/反表面界面。同樣，脂質的摻入并沒有改變水凝膠的機械性能，這在各種應用中可能是相關的。另外，摻入的脂質的濃度可以改變，這允許調節水凝膠的潤滑能力和持續時間。關于這些水凝膠的潛在用途的關鍵因素是這些水凝膠必須以其自我更新的方式進行磨損。盡管作者證明這種磨損很小，并且材料可以承受許多次循環，但是此參數可能會影響使用壽命，并且需要針對不同的應用加以考慮。最后，這些水凝膠的一個令人驚奇的功能可能會打開許多應用的大門，即使在烘箱中完全干燥至60°C并重新水化后，它們仍可以保持自身的潤滑。實際上，這種堅固的性能對水凝膠的儲存有巨大的影響，并可能對它們在苛刻條件下的實用性產生影響，而這對于許多其他材料是不可能的。
Lin等人已經證明通過摻入脂質產生自潤滑水凝膠的簡單而有效的方法，而對整體機械性能的影響最小。這些材料可用于可能發生持續和極端摩擦和磨損的生物醫學應用，以及組織工程，生物傳感器甚至隱形眼鏡的各種應用。考慮到透明質酸和潤滑素最初是作為簡單的潤滑劑進行研究的，但最終對其生物學特性進行了更多的研究，因此這些水凝膠可以發揮除純潤滑作用之外的更復雜的生物學功能，例如藥物輸送裝置，消炎藥或免疫反應調節劑。確實，這一發現在與生物學和醫學有關的眾多領域中都有潛在的應用，并且，將有希望看到未來的研究和應用的方向。
1. Weifeng Lin et al. Cartilage-inspired, lipid-based boundary-lubricated hydrogels. Science, 2020, 370, 6514, 335-338.DOI: 10.1126/science.aay8276https://science.sciencemag.org/content/370/6514/3352. Tannin A. Schmidt. Lubricating lipids in hydrogels. Science, 2020, 370, 6514, 288-289.DOI: 10.1126/science.abd3831https://science.sciencemag.org/content/370/6514/288
