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Robust Super‐Lubricity for Novel Cartilage Prototype Inspired by Scallion Leaf Architecture

润滑性 材料科学 复合材料 各向异性 摩擦学 聚合物 润滑 极限抗拉强度 石墨 纳米技术 光学 物理
作者
Hui Liu,Weiyi Zhao,Yunlei Zhang,Xiaoduo Zhao,Shuanhong Ma,Michele Scaraggi,Feng Zhou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (16) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/adfm.202310271
摘要

Abstract The simultaneous achievement ‐under physiologically high contact pressures‐ of ultra‐low friction, nearly zero surface wear, and long lifetime in the development of human cartilage prosthetics is still a big challenge. In this work, inspired by the unique lubrication mechanism of scallion leaves resulting from the synergy of oriented surface micro‐topography and mucus hydration, a novel layered soft hydrogel as cartilage prototype is developed by chemically embedding thick hydrophilic polyelectrolyte brush chains into the sub‐surface of a high strength anisotropic hydrogel bulk. It exhibits an anisotropic polymer network with unique mechanical properties (tensile strength: 8.3 to 23.7 MPa; elastic modulus 20.0 to 30.0 MPa), anisotropic hydrated surface texture, super‐lubricity, and excellent wear resistance. Thydrogel architecture can exhibit low coefficient of friction (COF) less than ≈0.01 under a wide range of contact stresses (0.2 to 2.4 MPa) and maintain cartilage‐like long‐lasting (50k sliding cycles) robust super‐lubricity (COF ≈ 0.006) and nearly‐zero wear under high contact pressure (≈2.4 MPa) condition. Theoretical underpinning reveals how multiscale surface anisotropy, mechanics, and hydration regulate super‐low friction generation. This work provides a novel design paradigm for the fabrication of robust soft materials with extraordinary lubricity as implantable prototypes and coatings.
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