生物体内聚合物的润滑研究
摘 要：
在生物体内存在着最为复杂的结构，经历了成千上万年的衍化。其主体由大量的聚合物、大分子以及超分子组装来组成。因此，为了治疗关节炎或者风湿病，减少假体置换引起的摩擦与磨损，人们开展了很多关于生物体内的润滑研究，包括关节滑液、关节滑膜以及关节滑夜的各种成分的研究。以此为基础，人们也研究了仿生生物体内的聚合物，或者生物兼容性的聚合物作为润滑剂，提高假体或者关节置换时的润滑效果，降低摩擦系数。本文简单介绍了水合润滑的机理，关节滑液的润滑剂以及仿生聚合物降低关节置换时摩擦系数的相关知识。
关键词：水润滑 聚合物刷 边界润滑
前 言：
关节炎，或者风湿病，严重影响着人们的日常生活，成为残疾的一个主要诱因。据统计，我国关节炎的总发病率约为13%，即约有1亿人，且有年轻化的趋势。而在治疗关节疾病的众多的方法中，人工关节置换治疗关节炎、风湿性关节炎和其他关节疾病的效果不断得到人们的肯定。但是，随着置换手术研究的深入，病例的大量增加，人工关节置换的一些问题也开始暴露出来。比如术后感染及后期出现的人工关节无菌性松动等严重影响人工关节的使用寿命，造成手术之后在进行二次手术。人工关节作为人体的异物，在使用过程中如果产生了一些磨损颗粒，就会诱导骨质溶解，继而引发无菌性松动。这是限
制人工关节置换以及其持久性应用的一个重要原因。
基于此，如何降低体内人工关节的摩擦系数，减少磨损粒子的产生以及发展生物兼容性的仿生物体内关节滑液的润滑剂得到了持续的关注。在主要的滑膜关节中，像臀部或者膝盖等关节软骨表面的润滑，其滑动摩擦系数在100大气压、剪切速率在106sec-1条件下可以低至0.001。只有在这样低的摩擦系数下，对于正常的关节功能才能表现出来。
本文主要介绍了生物体内水合润滑的机理，关节滑液各种成分的作用情况以及在关节置换中仿生物体内的润滑剂的研究进展。
1.生物体内的边界润滑
1.1水中的边界润滑
早在20xx年，以色列的Jacob Klein教授就水中的边界润滑进行了研究[1]。由两亲性的表面活性剂组成的单分子层被他们的极性基团固定，当发生层间的界面滑动时，可以显著的减低摩擦，这个过程被认为可以通过磷脂薄膜产生生物润滑，尽管当时还没有系统的研究。作者发现，相对于干燥空气中的值，当滑动表面涂有两亲性表面活性剂层并将其浸入水中时，会发现其摩擦应力会降低1-2个数量级或者更多。通过实验发现，首先，预-粘附的表面在浸入水之前具有很低的摩擦应力，这表明表面活性剂-表面活性剂界面的流体化并不能得到较好的润滑效果；其次，在空气和水中强的粘附滞后表明粘附发生在不同的界面；最后，使用不同结构的化学同源的表面活性剂可
以得到较高的摩擦应力，也就是表面活性剂-基底界面部分水化。因此，对于刚开始的现象，作者给出的解释是在滑动期间滑移面的转换，即从空气中的表面活性剂-表面活性剂中性面转换到了润滑效果相对好的多的水中的表面活性剂-基底界面。后者的润滑界面是通过流体水化外壳围绕着在基底的表面活性剂的极性基团，类似于润滑效果是由压缩的滑动界面的水合离子提供的。这个发现对于水环境的应用，即生命系统的应用，例如骨关节炎的治疗提供了一个更为有效。
1.2 关于离子刷在生物体内润滑的研究
1.2.1两性离子刷
对于两性离子刷的研究，以色列科学家Jacob Klein早在20xx年就已经取得了不错的效果[2]，摩擦系数低至0.0004（压强为7.5兆帕）。在以前的研究中，中性或者是离子聚合物刷的滑动摩擦系数也可以低至0.001，但是当平均压强大于0.3MPa时，其摩擦就会剧烈增加。而这个压强远低于一些人体等天然骨骼中的5兆帕。为克服这个应用的局限性，具有磷酰胆碱（PC）仿生结构的两性离子聚合物刷pMPC进入了人们的视野。由于其侧链的正负电荷比一般聚合物刷可以结合更多的水分子，且生物相容性较好，因此对其进行了一系列的研究。在前期对离子聚合物刷的研究中，将其具有优异的摩擦性能解释为由于构象熵的影响导致相反聚合物刷的渗透并引起缠结，但这只适合较低的压力或者中度压力的情况。当存在较高的压力时，这种滑动时的渗透就会被界面间的自我调节机理所替代。作者证明了生物兼容性的两性离子刷pMPC，在7.5MPa的平均压力下，在水介质中出
现了超润滑现象，其摩擦系数低至0.001，这几乎和人类的滑膜关节相媲美。
1.2.2 聚电解质刷
Motoyasu Kobayashi考察了聚电解质刷在水环境中相对稳定的润滑[7]。在已经报道的文献中，我们知道聚电解质刷在水环境中可以作为非常优异的润滑剂，即使其接枝密度并不是很大。但是从理论上来讲，聚电解质刷的摩擦性质与电荷密度、链长度、接枝密度、离子强度、溶剂性质以及聚电解质刷的结构有很大的关系。聚电解质刷之间存在相互的排斥和吸引作用，这是由离子带电的不同造成的。一般来说，聚合物刷都是表面自由基聚合引发来形成，然后通过共价键固定在基体表面或者摩擦表面。因此，聚合物刷链的强度很大，很难从基体上分离开来。当聚合物刷承受一个高载荷时，宏观上的往复运动由于其暴露在裸露的基体上，会导致摩擦系数很快升高。通过制备交联的离子聚合物刷可以有效的提高磨损的抵抗能力，而且没有润滑性能的损失。
为研究在潮湿环境中聚电解质刷的性能，在硅晶片上制备了甲基丙烯酸二甲胺乙酯（DMAEMA）、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）、2-甲基丙烯酰氧基乙基氯化铵（MTAC）和3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐（SPMK）。由实验结果得出，聚MPC刷在室温，潮湿环境和一定载荷下的摩擦系数是最小的。这是因为其在潮湿环境中可以吸收水分，形成一个优良的润滑层。其摩擦系数约为0.08，比其他几组都要小。除此之外，交联聚MPC的相对来说较为稳定，这表明
交联结构可以有效的提高刷类聚合物的抗磨损，因为在这种聚合物下，摩擦下的剪切压力分布在其网状结构中。对于聚SPMK刷可以获得一个更低的摩擦系数，即在多次的往复摩擦循环下其摩擦系数为0.01。这是由于聚SPMK刷有较强的亲水能力，可以形成一个水的润滑层，而且在聚合物刷的磺酸基团之间存在弹性排斥作用。当SPMK和MTAC结合,即形成交联的聚(SPMK-co-MTAC)刷时，由于交联结构可以提高聚合物刷薄膜的剪切强度来阻止磨损，维持很强的亲水性来辅助润滑，因此其在更高的压力和摩擦循环次数下，在水中依然拥有超低的摩擦系数。
1.2.3 浓缩聚合物刷
与“亚浓聚合物刷”（SDPB）相对应，Yoshiobu Tsujii提出了“浓缩聚合物刷”（CPB）[15]。由于SDPB相对较低的接枝密度，不能够制备较厚的刷层，限制了其在更宽范围的压力和剪切速率的实际应用。而对于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的CPBs，其在良溶剂（甲苯）中的膨胀展现出了均衡的薄膜厚度，高达整个接枝链长度的80%-90%。更有趣的的是，使用AFM进行微观分析，发现其在良溶剂中，PMMA的CPBs对于任何的应用负载，展现出了超润滑的性质，具有超低的摩擦系数（?≈10-4)。为获得CPBs的润滑机理，作者对此展开了研究。首先研究了聚苯乙烯（PS）在甲苯/2-丙醇混合溶剂的CPBs的摩擦/润滑性质。PS刷通过表面引发ATRP制备，且其接枝密度远高于CPB的临界值，接枝链高度拉伸，几乎达到了在良溶剂（纯甲苯）的长度的80%。而聚合物刷的膨胀度由甲苯和2-丙醇的
混合物的成分来控制。
摩擦系数?根据剪切速率和溶剂成分（也就是膨胀度）分为两个区域，以此对应不同的润滑机理。一种机理是边界润滑，在这种情况下，其最外层表面的化学和物理性质决定摩擦力。在甲苯占优的溶剂中，低剪切速率下，边界润滑机理使得?值不那么依赖于剪切速率。这是由于聚合物刷之间对渗透的有效抑制。另外一种机理是流体动力润滑，在这种情况下，粘性阻力是由溶剂-膨胀聚合物刷主导的摩擦。这在除了呈透明态的各种溶剂成分中都可以观察到。在这个区域的摩擦系数可以用?=β.να这个关系式来描述。α 几乎是一个为0.7的常数，β依赖于溶剂成分和膨胀度。由于具有较高的渗透压，溶剂中的CPB将会是一个有效润滑层。
1.3卵磷脂脂质体的边界润滑
脂质体被广泛应用于药物应用，特别是药物传输中 。Jacob Klein对其具有超低摩擦系数的边界润滑进行了研究。对于特定的卵磷脂脂质体，当其吸附在二维（2D）紧密堆积排列的滑动表面上时，在水中的生理高压的条件下，表现出了非常有效的边界润滑性质。作者使用氢化的大豆卵磷脂脂质的小型单层脂质体，在固体表面上进行紧密堆积层的自组装，以此来降低他们之间滑动摩擦的摩擦系数。在压力至少为12MPa的条件下，取得了较低的摩擦系数（?≈10-4-2×10-5）。作者对此的解释是，高度水化的卵磷脂端基暴露在脂质体壁上，通过紧密堆积和凝胶相脂质体的刚性来抵抗高压，以此来获得较低的摩擦系数。
1.4水合润滑
如前几篇文献所介绍的，在水环境中的超低的润滑性质，我们将其称为水合润滑。Jacob kelin对水化层的形成和水合润滑机理做了一定的阐述[4]。水分子从整体上来说是电中性的，但是由于氢原子和氧原子存在剩余电荷，水分子拥有一个强的偶极子，强偶极作用使得水分子与带电荷基团具有强相互作用，可在带电荷基团的周围形成水化层。如果需要除去这个水化层，则需要较高的能量。因此，也就在摩擦界面上形成了致密、稳定的水化层，以此来承受巨大的法向载荷。同时，水化层之间存在的排斥效应有效避免了水化层的重叠。除此之外，水化层中的水分子可以自由流动，而流动的水能更好的适应外部剪切力的作用。基于此，水合润滑产生了优异的摩擦学性能。
2.关节滑夜中的生物润滑剂
2.1 关节软骨蛋白聚糖的边界润滑行为
尽管我们已经知道，哺乳动物的滑膜关节是非常高效的的润滑系统，其摩擦系数在高压（100atm）和高剪切速率（106-107Hz）低至0.001。然而，这种高效润滑的精确机理仍不可知。Jacob Klein通过对关节软骨表面区域结构的分析，进而研究滑膜关节润滑的分子机理[14]。首先，作者将聚集蛋白聚糖分子从牛科髋关节中分离出来，将其附着在平滑、带负电荷的固体基底上。边界层的作用表面力平衡不完全相同，但是裸露的固体表面表现出了远程排斥现象，这归因于双层静电效应。然而由排除体积和抗衡离子束缚在聚集蛋白聚糖层所引
起的短程表面分离（D<ca.60nm），空间效应占主导作用。而且，作者发现聚集蛋白聚糖-透明质酸层相对于单独的透明质酸（HA）会有更好的边界润滑，这种情况很大程度上要归因于流体水合壳层强烈的束缚着聚集蛋白聚糖的糖胺聚糖片段。在作者的实验中，在压力为16到17atm时其摩擦系数可低至0.01，但在更高的压力下，将会有很多被覆盖的HA链暴露在对面的固体表面上，因此导致滑动摩擦系数的增加。最近的研究同样揭示了蛋白聚糖-HA聚集体在关节软骨处润滑的作用（比单独的HA具有更高的效率），这同样表明这种聚集体在高压（100atm）下不会提供超低的摩擦系数（?≈0.001）。
2.2 滑液蛋白质和糖蛋白的润滑行为
对于关节滑夜如何在生物体内发挥超润滑的作用，Marcella Roba也做了类似的工作[16]，研究了在滑夜中哪种精确、少量的生物分子能够影响人工关节材料的润滑性能。我们知道，滑夜，富含蛋白质、脂质和透明质酸的电解质水溶液组成了关节软骨，以此获得髋关节的低摩擦系数。作者通过研究滑夜蛋白质在超高分子量的聚乙烯（UHMWPE）和Al2O3的吸收选择性，特别是糖蛋白在其他所有滑液蛋白质都存在的条件下的吸附能力，发现滑夜中的蛋白质在UHMWPE和Al2O3上的吸附并不明确，不仅含量丰富的蛋白质像白蛋白或者γ-球蛋白发生吸附，含量较少的蛋白质像α-1-酸糖蛋白（AGP）和α-1抗胰岛素（A1AT）也会发生吸附。这表明，原则上滑液中出现的任何蛋白质在边界润滑中都会起一定的作用，无论是积极的还是消极的。通过实验发现，糖蛋白AGP和A1AT在分子水平
上能够提高PE和Al2O3润滑效果，无论是他们单独出现还是出现在牛血清白蛋白的溶液中。作者对AGP和A1AT的润滑性质的解释是由于出现了亲水的碳氢化合物链，可以形成亲水的、低剪切强度的流动吸附层。
3.生物体内的仿生润滑剂
3.1碳纳米管（CNTs）作为添加剂提高润滑性能
摩擦过程最重要的性质是：1）摩擦力的控制；2）磨损、腐蚀以及生物污染的降低；3）接触区域的热传递系数[8]。而水具有高的热熔，使得其成为吸收和传递热的理想物质。但是水本身粘度太低，无法作为润滑剂，因此人们发展了水基润滑剂，但需要添加剂来提高摩擦表面的一些性质，就像油基润滑剂一样。但是，对于一般的添加剂（如球状颗粒添加剂）来说，粒子表面的吸引力不够强大以至于经常被挤出接触区域。即使像使用金属硫化物这样的固体润滑剂，其应用也很受限，而且寿命较短。因此，碳纳米管（CNTs）作为添加剂成为研究的热点。首先，由于其直径较大（相对于C60），可以很好的避免陷入摩擦表面的纳米范围的表面微凸体；而且在研究中人们发现，使用CNTs作为添加剂，表现出了低摩擦、低磨损的优异的润滑性质。Israelachvili等研究者进一步研究了CNTs作为添加剂时摩擦力与滑动表面碳纳米管层数之间的关系。由在CNTs之间和CNT和基体之间的相互作用能入手，可以观察到摩擦力在纯腐殖酸溶液中由“粘附控制”变为在CNTs分散的“载荷控制”，即由阿芒顿定律来描述，其
摩擦系数在0.30到0.55之间。而且在CNTs加入到水溶液中，没有观察到任何的磨损。在滑动表面的接触区域，碳纳米管会构建一些层状结构。作者也提出了自己的“鹅卵石模型”，这是因为粘附能模型根据范德华力提供了对理想尺寸的纳米粒子的评估，而鹅卵石模型则解释了摩擦力在CNTs的影响下作为能量耗散过程。碳纳米管这种纳米棒状粒子可以提供额外的变量来优化摩擦系统，在很大程度上提高润滑（降低摩擦系数）、降低磨损（增加磨损防护）。
3.2 表面接枝pMPC提高润滑性能
3.2.1 PE表面接枝pMPC减少磨损粒子的产生
日本科学家Kawaguchi研究了在假体移植中关于如何降低磨损颗粒的产生，进而防止骨质溶解的发生[13]。我们已经知道，对于pMPC接枝聚合物具有很好的生物兼容性，因此当接触生物器官时，MPC接枝在某些医疗设备的表面可以表现出抑制生物反应的现象。在临床上，血管内支架、血管内引导线、隐形眼镜以及人工肺都已经获得了美国FDA的认证，开始在临床上的应用。作者研究的是，在人工关节的PE成分表面接枝MPC所产生的机械和生物学的效应。作者使用纯聚乙烯（PE）、交联聚乙烯（CL-PE）和接枝MPC的交联聚乙烯（MPC-CL-PE）作为研究对象，分别考察了在经过一定的压强和固定的往复循环摩擦次数条件下，CL-PE和MPC-CL-PE所产生的磨损量、磨损颗粒的尺寸、力学性能、金属粒子的磨料污染情况、生物反应情况等方面的效应。最后作者认为，接枝MPC的聚乙烯可以显著的降低摩擦力和磨损粒子的量。由于骨膜下粒子的注入，破骨细
胞的骨吸收就会停止。移植的MPC粒子在对吞噬细胞和巨噬细胞在吸收的细胞因子分泌物表现出生物惰性，随后又表现出成骨细胞中NF-κB配体以及骨髓中的破骨细胞生成的活性接受器。由于其在力学和生物科学方面的优势，在未来人工关节的阻止骨质溶解方面的性能相信会有很大提高。
3.2.2 Co-Cr-Mo表面接枝pMPC提高稳定性和润滑性能
由于髋臼软骨的退化所引起的人工股骨头的迁移已经成为一个严重问题。而对Co-Cr-Mo合金的表面修饰对于提高人工股骨头的润滑性能和阻止髋臼软骨的退化是非常有希望的一种方法。Masayuki Kyomoto等系统研究了Co-Cr-Mo合金和生物兼容性pMPC形成的各种表面修饰层的表面性质，例如润滑性能、生物兼容性和稳定性[9]。MPSi中间介质层和光诱导自由基接枝聚合作用可以用作制备表面修饰层和Co-Cr-Mo基底的共价键中，以此来保持中间介质层聚合物链的高密度。Co-Cr-Mo合金接枝pMPC通过仿天然关节，表现出了一个极其低的摩擦系数<0.01，已经达到了和天然关节界面相媲美的地步。更重要的是，作者通过实验证明了PMPC接枝层在水中的长期稳定性，在磷酸盐缓冲溶液中浸泡12周没有发现硅氧键的水解。
3.2.3 交联PE表面的亲水层提高润滑性能
对于人工关节，最受欢迎的材料有两种，即交联聚乙烯（CLPE）和Co-Cr-Mo合金。对于PE，其表面的润滑效果较差，容易产生很多的磨损，导致关节炎和无菌性松动的产生。基于此，Masayuki Kyomoto等人通过在人工髋关节CLPE表面合成纳米级的亲水层来降低磨损和
避免骨吸收[10]。亲水层含有各种离子（非离子、阳离子、阴离子和两性离子），充分模仿了天然滑膜关节的亲水性和润滑性。对于较低的摩擦和高的抗磨损性能，首先归因于接枝层的水合程度高，水分子作为非常高效的润滑剂。其次要考虑到蛋白质分子和正电荷的无机离子通过在滑液中的聚电解质接枝层的排斥作用，这可以降低相反
Co-Cr-Mo合金表面间或者Co-Cr-Mo合金吸附的蛋白质薄膜间的粘附作用或者渗透作用。最后，在CLPE表面的纳米级的亲水聚合物或者聚电解质层能够对全髋置换（THA）中的髋臼轴提供优异的持久性。
3.2.4 髋关节置换中的金属-金属摩擦层
金属-金属（MOM）关节置换在假体移植技术中是非常有吸引力的一种技术，然而用于关节置换的材料持久性不长，有相当一部分发生了退化，包括磨损、腐蚀和生物反应。而金属-金属材料对于金属-聚乙烯材料中产生的磨损较少。虽然金属的承重作用很好，但是它在人体内也必须有一定的润滑机理，否则磨损率会过高，金属毒性会是一种普遍现象。L.D.Marks等人发现，除了蛋白质在金属表面发挥重要作用之外，还有一个不可忽略的摩擦层[12]。通过实验证实，这个在金属-金属髋关节置换中的摩擦层主要是石墨碳。这种材料通过形成润滑层来降低摩擦、磨损和腐蚀，这对于提高假体移植的成功率提供了新的途径。
最后，Jacob Klein和Nicholas D.Spencer教授分别对对生物体内的聚合物[5]和生命系统内的聚合物润滑剂[11]做了综述。在聚合物
的边界润滑研究中，人们先是研究了聚合物刷，由于其构象熵的改变引起的低渗透，因此可以提供一个很好的边界润滑。随着研究的深入发现，在有机溶剂（苯）中合成的聚合物（聚苯乙烯）其实并不适合生物润滑。而水中合成的离子聚合物（聚电解质）刷在软骨的表面可以提供一个很好的润滑效果（?<0.001）。但是聚电解质也有自己的缺点，即他在基体表面的作用力非常弱，当压力超过3atm时，摩擦就会引起链的断裂。再后来，M.Chen等人在基体表面上接枝一种聚合物刷，即pMPC链。这种物质我们前面已经做过介绍，它不电离，在水溶液中具有两性离子的特性，而且具有很好的生物兼容性。同样我们也需要明白，pMPC链是人工合成的，但在天然生物组织中并不存在。为了更好的理解滑夜润滑中的天然成分，研究者将大分子从关节软骨中分离出来，在基体模型上重新构建一个表面层，进而考察了关节软骨上的腐殖酸（HA）、聚集蛋白聚糖和润滑素糖蛋白这三种主要的大分子成分。聚集蛋白聚糖分子的侧链含有大量的软骨素硫酸盐和角蛋白硫酸盐成分，是一种瓶刷状的结构（如下图所示），线型的HA分子形成更高层次的瓶刷状结构。
图中的红线是聚集蛋白聚糖，其缠结在线型的腐殖酸上（图中蓝
线），润滑素糖蛋白分子是绿线，再加上纤维网状结构（图中黑线）共同构成了弹性蛋白或者胶原纤维。当HA单独粘附在基体表面上时，摩擦力只有在较低的压强下才低一些，一旦压强增大摩擦力就会急剧升高。当聚集蛋白聚糖吸附在HA上时，摩擦系数就会变得很低（?≈0.01-0.02）。继续粘蛋白时，尤其是在高压下，也发现其本身并不能表现出很好的润滑功能，至少和髋关节与膝盖相比摩擦性能并不好。至于润滑素粘蛋白，也没有表现出特别优异的边界润滑性能。但是，人体的关节软骨滑夜所表现出来的超好的润滑性能是怎么回事呢？作者认为是有两种因素来解释：1）在边界润滑中的表面活性剂分子出现在界面，而且含有很多的亲水性基团固定在上面；2）磷酸胆碱基团暴露在由脂质体膜组成的PC双分子层表面上，进而提供了超好的润滑效果。
Nicholas D.Spencer教授指出，在生物体内的水环境的润滑中，水本身是一个非常差的润滑剂，它的粘度即使在一定的压力下依然不大。但是这种缺点可以有生物润滑添加剂来克服，像糖蛋白，这种添加剂在蛋白质骨架上被大量的束缚着。作者提到一种瓶刷的结构，在接触区域内亲水性糖固定着大量的水，而骨架连接着其他的瓶刷或者表面。另外一种仿生的方法就是在滑动表面修饰高密度的刷型聚合物链，我们在前面已经有所提及。刷型聚合物和柔软的表面相结合是生物润滑的一个主要特点。天然润滑添加剂出现一种分层的瓶刷状结构。尽管已经研究了弹性体和水凝胶水润滑的可行性，但是柔软材料的差的机械性质和抗磨损性能仍然是限制应用的因素。总之，合成的
生物润滑剂应该具有“发甜、多毛、柔软和光滑”的性质。
4.总结与展望
生物界面的滑液有效降低了关节之间的摩擦和磨损，基于此，各种仿生润滑剂成为摩擦学研究的热点。本文介绍了聚合物刷的润滑行为、滑膜关节中滑液成分的润滑性能以及假体关节表面接枝pMPC所产生的润滑行为。
目前关于生物体内聚合物的润滑研究已经取得了很大的进展，但关于智能响应的仿生润滑液的研究较少，这将成为摩擦领域新的研究热点。