天然關節軟骨由於滲透性的表面潤滑生物大分子和良好的機械耐受性，顯示出低摩擦、高承載和優異的抗磨損效能。然而，由於磨損、疾病及外傷等因素的影響，關節軟骨會受到一定的損壞。水凝膠表面摩擦力低、生物相容性良好，被認為是天然軟骨的潛在替代材料。然而，傳統的水凝膠材料機械效能較差，受壓剪下過程易發生彈性變性（特別是在球-面接觸工況下），即缺乏有效的力學網路支撐結構和能量耗散途徑，限制了其工程應用。
受天然關節軟骨優異的機械力學效能和表面水合潤滑機制啟發（圖1），中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員周峰團隊開發出一種兼具力學承載和潤滑功能的複合型仿生軟骨潤滑材料（Composite-LP），即透過溶脹引發聚合策略，將聚電解質刷層化學接枝到3D列印的彈性體支架-水凝膠複合體亞表面，上層的聚電解質刷-彈性體-水凝膠複合相提供有效的水潤滑特性，底部的彈性體支架-水凝膠複合相起機械承載功能。
機械效能表徵表明，Composite-LP表現出良好的力學效能，如彈性恢復、抗蠕變、抗疲勞及抗衝擊性等（圖2、3），這是由於三維彈性支架可以分散應力並儲存施加在樣品上的彈效能量。這種非耗散性機制沒有利用犧牲網路或斷裂鍵來耗散能量。此外，將非耗散機制和介面潤滑策略相結合，不僅大幅度降低了凝膠相的機械變形，而且使Composite-LP在動態剪下過程中具有卓越的減摩功能和耐磨性。這種新的材料設計理念有望在仿生潤滑領域得到應用（圖4）。
相關研究成果以Bioinspired Design of a Cartilage-like Lubricated Composite with Mechanical Robustness為題，發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。研究工作得到國家自然科學基金重點專案、中科院戰略性先導科技專項、山東省自然科學基金重大基礎研究專案及蘭州化物所等的支援。
圖1.Composite-LP的製備工藝設計概念及原理圖
圖2.機械力學效能表徵
圖3.抗衝擊性能示意圖及演示
圖4.摩擦學效能表徵
來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
