面向中国读者的学术报道：基于自然启发的湿润/润滑/粘附软物质及性能调控研究综述

主要作者与研究机构及发表背景

本文由Shuanhong Ma、Desheng Liu、Wenbo Sheng等多位学者合作完成，研究分别来自中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室以及烟台中科绿色化工研究院。文章发表于《Advanced Bionics》，相关研究成果于2024年9月30日正式接受并在线发表（DOI：https://doi.org/10.1016/j.abs.2024.09.002）。本文是一篇学术综述文章，融汇了生物启发的湿润、润滑，以及粘附性能领域的最新进展，对软物质及其界面功能的动态调控机理进行了深入的系统性探讨。

学术背景与研究意义

学术背景：材料科学与仿生工程的交汇

自然界中的软物质，例如动物组织和器官，因其特有的柔性和结构功能，展示了显著的湿润性、润滑性以及粘附性。例如，莲叶的低粘附特性使其具有超级疏水性；鱼鳞和关节软骨在湿润环境下表现出超低摩擦；而蛾鱼足则展现出可控的高摩擦与强粘附能力。对自然界机制的揭示为人工软物质材料的设计提供了重要的仿生灵感，在润滑、粘附及湿润性的建构中具有重要作用。

从软物质的工程应用视角来看，人造软物质的力学模量与天然组织接近，已被广泛应用于仿生学及工业领域。然而，目前关于自然软材料摩擦与润滑机制的认知尚不充分，这阻碍了高性能仿生润滑粘附材料的设计与应用。因此，设计与开发具有湿润/润滑/粘附功能的软物质材料，以及实现功能间的智能转换，成为该领域的重要研究方向。

研究意义：多领域的潜在应用

基于上述背景，该研究尤其重点关注了两种自然界典型的软物质界面功能：湿润润滑和湿润粘附。相关研究对于软机器人、医疗设备、生物界面材料、智能传感器等领域具有重要意义，并为软物质在表面工程及生物医学领域的快速发展提供了重要思路和理论参考。

综述研究要点与详细说明

1. 生物启发的湿润润滑材料设计

首先，文章简述了通过表面接枝技术制造仿生湿润滑表面的进展，包括高亲水性水润滑表面与仿生水凝胶润滑材料等。通过改良接枝层的结构与化学组成，可以显著提升界面润滑性能。比如，研究中展示了基于表面接枝自由基聚合（ATRP）的聚合物刷层技术，这种技术能够生成厚度可控、功能性灵活的润滑表层。

• 技术示例：文献中曾报道使用硅橡胶表面涂覆结合了高密度阳离子聚合物刷结构，该系统在模拟关节摩擦条件下表现出无与伦比的超低摩擦系数(约0.001)以及出色的耐磨性能。
• 拓展应用：这种表面接枝技术有望在人工心脏瓣膜的摩擦界面、医疗导管以及骨关节修复材料中体现重要价值。

2. 生物启发的结构润滑水凝胶开发

作者提及了层状水凝胶结构的设计思路，该结构模仿天然软骨，通过顶层润滑层的高度亲水特性与底层高承载能力共同实现了低摩擦和高耐磨性能。

• 成果亮点：基于双交联网络的水凝胶因其自修复性和高负载耐受性，表现出良好的机械性能与长效低摩擦能力（摩擦系数低至0.01）。
• 关键技术：一种利用SSi-ATRP方法增强水凝胶结构抗压性能的创新技术得到了详尽讨论。其创新在于在水凝胶基底表层嵌入了增强型聚电解质刷层，这极大改善了水凝胶的表面力学性能与耐磨性。

3. 高强韧性仿生粘附材料

在粘附领域，自然界的贝壳类生物和壁虎启发了生物相容性超强粘附材料的发展。文章系统综述了永久性粘附与可控性临时粘附的最新进展。

• 永久粘附：通过引入多层次氢键或范德华力，相关高分子网络可以实现对界面牢固结合的增强。例如，研究中报道了一种硬质双酚类的非异氰酸酯类聚氨酯（NIPU）粘附材料能在极端环境下达成高效持久粘附。
• 可控粘附：融合温控、光控及pH响应基团的粘附剂表现出优异的控制能力，例如，利用紫外光实时调节的水下粘附剂在浅水液压维护中证明了其实用性。

4. 3D打印技术推进软物质医学装置的应用

综述还重点讨论了基于3D打印技术制造的软物质医疗装置，例如层状仿骨关节润滑材料、仿生心脏瓣膜以及复杂组织器官模拟装置。

• 3D打印实例：某研究利用双网络水凝胶与DLP技术制造了一种仿胆管网络，该装置具备超高尺寸精度与复杂内部结构，展现了在移植或体外模型构建领域的广阔应用前景。
• 实际应用：文中提到的温敏超滑润滑支架及3D打印仿气管设备显示出优异的力学及生物相容性能，为骨外科与呼吸疾病治疗提供了潜力解决方案。

结论与展望

作者总结了该领域当前面临的问题，包括如何进一步提升软界面摩擦控制的精度、柔性结构的生物降解性及其长期耐磨性等。同时，针对未来发展方向，提出了基于多因子协同调控策略的新思路，如将表面润湿性、粗糙度及力学模量的动态耦合应用于软物质界面，以实现润滑和粘附功能的智能切换。

这篇综述以其详尽的数据展示和对于复杂材料工作机理的深入解读，为表面工程、生物工程及医疗装置领域的研究者提供了重要指导，同时为软物质在未来智能制造与多功能应用方面描绘了全新蓝图。