新型仿生材料突破傳統局限！讓人工關節更耐磨、更“長效

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有優良的摩擦學性能和生物相容性，常用作人工關節的襯底材料。臨床中，傳統UHMWPE人工關節材料在服役過程中易產生磨屑，引發假體無菌性松動，導致人工關節使用壽命僅10-15年，難以滿足年輕患者的臨床需求。

針對這一臨床痛點，海南大學文峰（通訊作者）、鄧喬元（通訊作者）、李萌婷（通訊作者）、甄妮妮（第一作者）等，仿照天然關節軟骨的多孔結構，同時結合前期研究結果（銅離子誘導蛋白吸附成膜），成功制備了具有良好減磨功能的含銅碳點摻雜的多孔聚乙烯材料（Cu-CDs@UHMWPE）。當Cu-CDs@UHMWPE受到壓力時，儲存于孔隙中的潤滑介質被釋放出來在摩擦界面處形成液膜潤滑對磨副，同時從Cu-CDs@UHMWPE釋放的銅離子促進了蛋白質在磨損界面的吸附，形成蛋白質層，進一步減少對磨副的磨損。這兩種功能的協同作用提高了多孔UHMWPE的耐磨性并延長了其使用壽命。為新型仿生人工關節材料的研發提供了實驗和理論依據。相關成果以“Cu-CDs drive the formation of protein tribo-film on the porous UHMWPE to achieve auto-antifriction property in BSA solution”為題，發表于期刊《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》。

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DOI:10.1016/j.colsurfa.2026.139724

該研究以多巴胺、鄰苯二胺、氯化銅為原料通過水熱法制備出平均粒徑5~6 nm的Cu-CDs。以NaCl為致孔劑制備多孔聚乙烯材料，篩選出UHMWPE/NaCl質量比7:3為最優工藝，在此基礎上摻雜Cu-CDs（0.1 wt%）得到的T30樣品，力學性能與天然關節軟骨相似且優于未摻雜的多孔材料，其拉伸強度達9.93 MPa、壓縮強度6.9 MPa。

以氧化鋯球/聚乙烯材料作為對磨副，在BSA溶液（20 mg/mL）中進行摩擦磨損實驗，結果表明ZrO2/T30摩擦副的摩擦系數低至0.037±0.003，遠低于ZrO2/U30和ZrO2/U00的摩擦系數；其磨損痕呈現寬而淺的特征，磨損指數較純UHMWPE明顯降低。此外，該材料的生物安全性良好，無明顯體外細胞毒性，同時熒光標記實驗驗證了BSA在材料摩擦界面的吸附行為。

圖1 Cu-CDs的制備過程（a）、Cu-CDs的SEM圖像（b）、Cu-CDs的顆粒尺寸分布直方圖（c）、Cu-CD的HRTEM圖（d）以及Cu-CD的EDS（e）。通過水熱法成功制備了球形的Cu-CDs。

圖2 Cu-CD的XPS光譜圖（a）;C1s（b）、N1s（c）、O1s（d）和Cu2p（e）的高分辨率光譜。合成的Cu-CDs由C、O、N、Cu元素組成，表面含有豐富的官能團。

圖3 啞鈴測試件的照片（a）、拉伸應變曲線（b）和拉伸強度（c）。多孔UHMWPE圓柱形測試件的照片（d）、壓縮應力-應變曲線（e）和抗壓強度（f）。將Cu-CDs以0.1 wt%的比例摻雜進多孔UHMWPE中，成功制得多孔的Cu-CDs@UHMWPE（T30），其力學性能適配人工關節臨床需求。

圖4 樣品的耐磨性測試。U00、U30和T30的CoF（a），U00、U30和T30的磨損軌跡的光學顯微圖像（b）和磨損指數（c），U00（d）、U30（e）和T30（f）磨損軌跡的輪廓，均使用輪廓儀進行表征。多孔的Cu-CDs@UHMWPE（T30）顯著改善材料的摩擦學性能。

圖5 T30磨損軌跡外側的FITC-BSA吸附（a），以及T30磨損軌跡內側的FITC-BSA吸附（b）。熒光標記實驗表明，BSA在T30的摩擦界面（磨損軌跡內側）實現定向吸附。

圖6 T30潤滑機制示意圖。T30的多孔結構儲存潤滑液與Cu離子誘導的蛋白膜潤滑協同作用，實現更優的減摩效果。

該研究有望為新型UHMWPE人工關節材料的改進與開發提供了新的思路及實驗基礎。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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