在人工关节长期服役过程中，界面摩擦不可避免地产生磨屑，这些微粒易引发关节积液及炎症反应，进而对患者造成二次伤害。相比之下，人体天然关节软骨在正常生理条件下可实现终生稳定润滑与低磨损运行。如何模拟天然软骨的润滑与承载机制，成为人工关节领域亟待突破的关键科学问题。

针对这一挑战，西安交通大学机械工程学院秦立果教授团队长期深耕生物摩擦学领域，围绕水凝胶润滑机理与材料设计开展了系统研究。团队提出了基于间隙液压与流体动压协同作用的水凝胶润滑模型，为水凝胶摩擦学性能的优化设计提供了重要理论支撑（Tribology International, 2025: 111278）。同时，团队与宁波大学赵传壮教授团队合作，成功开发出耐磨性能超越传统钛合金的高性能水凝胶材料（Science Advances, 2025, 11(4): eadr9834; Macromolecules, 2024, 57(6): 2746-2755.）。

近日，团队联合空军军医大学田磊教授课题组，在聚醚醚酮（PEEK）骨科植入物润滑性能提升方面取得重要进展。研究人员提出了一种仿生四层结构的人工关节软骨材料与结构体系。通过对PEEK表面进行磺化改性，有效增强了水凝胶与硬质基体之间的界面结合强度；进一步构建软硬复合双层水凝胶结构，实现了摩擦过程中剪切应力与压应力的合理分配。其中，表层软质水凝胶主要承担润滑功能，深层高模量水凝胶则负责承载与支撑。借助光弹性实验与数值模拟手段，研究团队深入揭示了摩擦过程中的粘滑行为机制及间隙液压效应的时域演化规律。实验结果表明，该人工软骨体系在滑动条件下的摩擦系数低至0.004，并可承受超过126万次往复摩擦磨损测试，其耐磨性能较现有研究水平提升一个数量级。

在生物安全性与应用验证方面，研究团队开展了系统的细胞相容性实验及大鼠皮下植入测试，结果表明材料具有良好的生物相容性。在此基础上，团队进一步建立了比格犬颞下颌关节缺损模型，结合3D打印、表面磺化处理及紫外引发聚合技术，成功制备了定制化人工颞下颌关节及配套手术截骨导板，并完成植入手术。比格犬关节功能恢复良好，在长达九个月的观察期内未出现炎症反应，取出后亦未见明显磨损。这一成果标志着水凝胶人工软骨从实验室研究迈向临床应用验证的重要一步。

这是水凝胶人工软骨材料首次在大动物关节中实现长周期服役验证，是水凝胶从基础研究迈向临床应用的重要一步。该成果为开发高耐久、低磨损的新一代人工关节提供了全新路径，有望显著延长假体使用寿命，提升患者生活质量。

图1.仿生人工关节示意图

研究成果以“Bio-inspired Multi-layer Structure Artificial Joint for In Vivo Wear Resistant”为题发表于复合材料国际顶刊Advanced Composites and Hybrid Materials，影响因子21.8。西安交通大学现代设计及转子轴承教育部重点实验室为第一通讯单位，西安交通大学机械学院博士生卢山为第一作者，西安交通大学秦立果教授以及空军军医大学刘义闻博士、陈媛丽博士和田磊教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。