在医疗领域，如导管、内窥镜、导丝、人工关节和支架等长时间直接接触人体组织的介入式和植入式医疗器械，通常需要进行复杂的表面修饰，以提高性能和生物相容性[1]。其中，应用润滑涂层是一种广泛采用的表面处理技术。润滑涂层在医学应用中的重要性主要体现在以下5方面：1) 降低医疗器械与生物组织之间的摩擦系数，减少由此产生的摩擦磨损和患者的不适感，同时避免潜在的由磨损引发的并发症；2) 增强医疗器械的流线型特性，优化医疗器械在体内的导航性能，使医疗器械移动更灵敏、更精确，从而提高手术的准确性和安全性；3) 抑制生物膜在医疗器械表面形成，降低细菌感染风险；4) 延长医疗器械的使用寿命；5) 通过选择具有特定化学和物理性质的润滑涂层，可以设计针对特定医疗需求的定制解决方案，如药物递送系统设计等[2-5]。在多种表面润滑改性技术中，水凝胶润滑涂层由于具有良好的结构稳定性、生物相容性和涂层厚度可控性等特点，因此受到科研人员的广泛关注。
水凝胶是一种具有三维网络结构的亲水性聚合物材料，能够吸收并保持大量水分和部分小分子物质，并在水中保持三维形态而不溶解，具有一定的弹性和柔韧性[6-7]。人体的各种软组织，如皮肤、软骨、肌肉和黏膜等，都是生物体中与生俱来的天然水凝胶，因此人工合成水凝胶在与人体组织接触时通常不会出现免疫排斥反应[8]。水凝胶化学成分和拓扑结构多样，可通过多种方式调节机械性能，或实现抗菌、载药和润滑等功能，在药物递送、伤口治疗和组织工程等领域具有巨大的发展潜力。本文将从多个方面阐述润滑水凝胶涂层的相关研究，涵盖关节软骨与水凝胶润滑原理、水凝胶润滑性能改性方式和水凝胶涂层修饰方法等。
1 关节软骨与水凝胶润滑原理关节软骨是一类天然水凝胶，因具有优异的润滑性能和耐磨性而受关注[9]。探究关节软骨和水凝胶的润滑原理可以为设计高性能润滑水凝胶涂层提供理论依据。
1.1 关节软骨润滑机理关节软骨是一种高度水合的生物组织，覆盖于关节骨的端部，主要功能是减少骨与骨之间的摩擦和分散作用于关节的载荷。该组织主要由软骨细胞、软骨基质、水分、胶原蛋白，以及蛋白多糖等成分组成，形成了一种具有一定弹性的三维网络结构[10]。天然关节软骨在垂直于表面的深度方向上具有层次结构，包括表层、过渡层、径向层和钙化层[11]，如图 1a所示[12]。表层是关节软骨的最外层，由矢状软骨细胞和与关节表面平行排列的胶原蛋白纤维组成，具有较高的含水量，可提供优良的润滑和抗磨损性能[13]；过渡层中胶原纤维更松散且随机排列，软骨细胞呈圆形，既能承受一定压力，也保留了弹性，使软骨在受载荷作用的情况下具备缓冲能力；径向层的胶原纤维垂直于关节表面排列，软骨细胞呈柱状，可承受更大的压力和冲击载荷；钙化层含有大量矿化的胶原纤维，具有较大的硬度和低弹性，将软骨与软骨下骨锚定。
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| 图 1 天然软骨关节结构与润滑原理示意图 |
天然关节软骨能承受高达18 MPa甚至更大的局部压力，同时表现出极低的摩擦系数(约0.001)，具有良好的润滑效果[12]。这是多重润滑机制共同作用的结果，该多重润滑机制包括软骨边界润滑、弹性流体动压润滑(简称“弹流润滑”)、挤压膜润滑和渗出润滑等[14]。
弹流润滑、挤压膜润滑和渗出润滑同属于液膜润滑模型，主要研究关节液在关节活动过程中如何渗出、成膜并提供润滑作用。在液膜润滑模型中，关节液充当润滑剂，可承受作用于关节表面的大部分载荷，从而显著减少关节软骨表面的有效接触压力，即使在高负载下也能保持低摩擦和低磨损[15]。
软骨边界润滑涉及软骨表面生物分子之间的相互作用，其中水合润滑机制起着至关重要的作用[16]。水分子由氢原子和氧原子组成，整体呈电中性，但分子中电子分布不均匀使水分子具有明显的偶极性，可被带电或偶极性表面吸附，形成水合层，如图 1b所示[17]。水合层不仅可以降低表面自由能，也可以承担一定载荷，避免软骨表面之间直接接触。水合层的水分子可与周围环境的自由水分子进行快速交换，因此在液体环境中，水合层能保持良好的流动性。水合润滑过程的摩擦力主要源自水合层液体分子的剪切作用，通常远低于固体表面直接接触产生的摩擦力，如图 1c所示[18]。关节软骨表面的多种生物分子，如磷脂、润滑素、透明质酸等，都具有明显的偶极性或带有一定电荷，因此可以在关节的液体环境中促进水合层形成，这不仅显著降低了关节表面间摩擦，还提供了一种有效缓冲机制，以分散和吸收关节活动过程的压力。
1.2 水凝胶摩擦润滑理论与关节软骨润滑机制类似，合成水凝胶的摩擦与润滑过程涉及多种机制，主要分为液膜润滑和边界润滑。在液膜润滑中，水凝胶内部的流体动力学对维持润滑状态发挥关键作用。这一过程涉及黏性耗散和弹性变形，两者共同调节液体在水凝胶网络内的流动性，从而形成有效的润滑层[19]；边界润滑侧重水凝胶网络内部聚合物链与接触表面之间的物理化学作用，以及不同水凝胶表面间聚合物链的相互作用。
针对水凝胶与固体基底的摩擦，Gong等[20]基于聚合物链与固体表面之间的作用，提出了排斥-吸附模型，以深入探究水凝胶和固体基底之间的相互作用[21-22]。水凝胶表面的聚合物链与固体基底相互作用时，可以表现出吸附或排斥的现象。在排斥情况下，水凝胶与固体界面的有效接触应力减小，有利于水凝胶中的液体在摩擦界面形成液体层，从而起到润滑作用；在吸附情况下，水凝胶表面的聚合物链会在固体界面发生动态吸附和分离现象，如图 2a所示，其中P表示水凝胶对固体基底的压应力，V表示水凝胶与固体基底间的相对滑动速度[23-24]。此时，水凝胶与固体界面之间的摩擦不仅来自两界面间流体层的黏性耗散，还来自聚合物链的弹性拉伸和分离导致的能量耗散。Baumberger等[25]通过分析明胶-玻璃摩擦实验，进一步丰富了对水凝胶-固体摩擦机制的理解。在文[25]的水凝胶-固体摩擦副黏合模型中，水凝胶表面被视为由一系列统一尺寸的聚合物微块构成，这些微块通过van de Waals力、静电力或氢键紧密黏附于玻璃表面。由于聚合物链在吸附和脱附时存在特定的松弛和重排时间，因此当水凝胶与固体表面的滑动达到一定临界速度时，水凝胶与固体表面的摩擦从材料的弹性耗散向流体的剪切黏性耗散转变，而界面分子之间的相互作用带来的影响则相对减弱[24]。
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| 图 2 水凝胶润滑原理示意图 |
对于水凝胶与水凝胶之间的摩擦，Oogaki等[26]提出将摩擦应力分为2个分量：1) 与速度无关的分量，源自水凝胶表面微观凸起之间的边界润滑；2) 与速度相关的分量，由接触界面处的液体润滑层产生。这个分解方法可以较好地解释水凝胶与水凝胶之间的摩擦应力和相对滑动速度及水凝胶弹性模量三者之间的关系。对于弹性模量小而厚度较大的水凝胶，一些宏观几何效应(如2个表面错位、样品厚度不均匀和样品不对称变形等)通过水凝胶的形变得到补偿，水凝胶-水凝胶的液体润滑层厚度由局部压力和渗透排斥之间的动态平衡决定。在这种情况下，水凝胶-水凝胶的润滑机制以边界润滑和水合润滑为主导，与速度的相关性较小。对于弹性模量大和厚度较小的水凝胶，宏观几何效应在接触中起主导作用，液体润滑层的厚度由滑动速度决定。此时，水凝胶-水凝胶的润滑机制以边界润滑和弹流润滑为主。此外，在进行水凝胶-水凝胶摩擦实验的过程中，Pitenis等[27]还发现了与水凝胶-固体摩擦机制不同的实验现象：当水凝胶之间的相对滑动速度小于临界速度时，水凝胶界面的摩擦系数表现出与速度无关的特性；当相对滑动速度超过临界速度时，摩擦系数随滑动速度增加而增大。前者可能由水凝胶界面的随机热波动效应导致，与水凝胶-水凝胶表面聚合物之间的相互作用息息相关；而后者主要由水凝胶表面的聚合物链在变形过程中的松弛时间效应导致，如图 2b所示[27]。这些理论进一步解释了水凝胶摩擦机理，为水凝胶润滑改性设计提供了理论参考。
2 水凝胶的润滑改性方式水凝胶的润滑性能受组分和结构复杂性影响，如交联密度[28]、含水量[29]、表面电荷特性、网格尺寸[30]、表面聚合物的性质[31]、表面微观形貌和纹理[32]、添加剂或填充物[33]等。本文主要从基于水合润滑的改性方式、结构改性方式和智能响应改性方式这3部分介绍水凝胶润滑改性研究。
2.1 基于水合润滑的改性方式水凝胶摩擦过程中形成的液体膜可以显著减小摩擦阻力，因此水凝胶润滑性能改善主要依赖水凝胶形成液膜的能力。水合润滑是水凝胶在摩擦过程中表面形成液膜并提供润滑作用的重要方式。以下将介绍聚电解质修饰、脂质体掺杂这2种基于水合润滑的水凝胶改性方式。
2.1.1 基于聚电解质的润滑改性聚电解质是一种在溶液中能形成离子的高分子聚合物，其结构单元具有能电离的基团。根据结构单元所带电荷不同，聚电解质可分为阳离子聚电解质、阴离子聚电解质和两性离子聚电解质。其中，阳离子聚电解质带正电，阴离子聚电解质带负电，而两性离子聚电解质本身可能呈中性，但可在不同条件下带有正电荷或负电荷[34]。在水凝胶中掺入或在表面修饰上述带有极性的聚电解质，可在水凝胶表面吸引水分子，形成水合层，从而减小水凝胶表面的摩擦系数[35]。
基于水合润滑的改性方式广泛应用于水凝胶涂层润滑与防污设计。在通用涂层润滑防污改性方式的探索方面，Wang等[36]通过表面浸渍N-羟基琥珀酰亚胺基丙烯酸酯(NAS)引入双键，并采用原位光引发法将甲基丙烯酸磺基甜菜碱(SBMA)接枝到聚乙烯亚胺/聚丙烯酸水凝胶涂层(PAE)上，形成具有防污和润滑功能的两性离子层(PSV)，修饰过程如图 3a所示。与未修饰两性离子聚电解质的水凝胶涂层相比，PAE-PSV的摩擦系数降低了30%以上，取得了良好的润滑效果。导管作为与人体组织或体液直接接触的常用医疗器械，润滑性能要求较高。Li等[37]将SBMA与带有酰胺基团的水凝胶单体聚合，并修饰于聚氯乙烯(PVC)导管表面，制备了一种兼具优异抗凝血作用和良好润滑性能(摩擦系数为0.001 7)的人工血管内皮涂层(AVEC)，如图 3b所示。该修饰方法较简单，且通常能得到较明显的润滑效果，对润滑水凝胶涂层在医疗器械方面的普及具有积极意义。
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| 图 3 聚电解质润滑水凝胶涂层 |
2.1.2 基于脂质体的润滑改性
脂质分子具有亲水性头部和疏水性尾部。这种结构有助于脂质分子在水中自发排列形成双分子层，其中疏水尾部朝内，亲水头部朝外。亲水头部常由含有磷酸基团的极性部分组成，利于形成水合层。同时，脂质分子在双分子层中具有较高的流动性，可实现自修复和自组装，而自组装形成的囊泡结构称为脂质体。内部掺有脂质体的水凝胶在磨损过程中不断暴露脂质体并在表面形成水合层，从而实现持续的水合润滑效果。
脂质体能够以掺杂的方式存在于水凝胶内，不涉及水凝胶骨架本身的交联反应，只需在交联前混入水凝胶前体溶液即可，因此这种润滑改性方式较简单。Lin等[38]将少量磷酰胆碱与甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)单体溶液混合，经聚合、交联后制得脂质润滑水凝胶。其中，掺杂了氢化大豆磷脂酰胆碱(HSPC)的水凝胶，在不同的温度和载荷作用下，摩擦系数均约为0.01，与未掺杂HSPC的水凝胶相比，摩擦系数降低幅度超过70%，且在特定的摩擦条件下可接近超滑(摩擦系数为0.001)。图 4为掺杂脂质体水凝胶摩擦磨损后的结构示意图[38]。
这种基于脂质体的润滑改性方式可以补充水凝胶在磨损后的润滑性能，因此对厚度较大的水凝胶具有更好的改性效果。鉴于大多数涂层材料的厚度都不超过1 mm，因此掺杂脂质体的改性方式在水凝胶涂层研究中相对较少，更多见于可注射润滑水凝胶微球等药物治疗研究[39-40]。
2.2 结构润滑改性方式通常对于单一网络结构的水凝胶，含水量与水凝胶交联密度与网格尺寸有关。交联密度越低，网格尺寸越大，含水量越高，越利于在摩擦过程中形成液体膜。然而该特征通常伴随较低的耐磨性能。许多具备润滑功能的生物软组织在结构和组成方面并不单一，如1.1节介绍的关节软骨，在深度方向具有梯度式弹性模量，既能保证表面的润滑性能，又能保证整体抗压和抗剪切的能力。仿照关节软骨组织的结构，可在保证水凝胶表面润滑性能的同时，提高水凝胶的机械性能和耐磨性，常见的方法有双网络/多网络水凝胶设计和多层结构水凝胶设计。
骨组织和网状结缔组织中具有嵌套网络结构。受此启发，Wang等[41]通过在藻酸盐水凝胶的多孔结构中形成聚(甲基丙烯酸羟乙酯)(PHEMA)网络，制备了一种双网络水凝胶。该水凝胶具有良好的机械强度和弹性变形能力，同时具备与商用润滑剂(K-Y Jelly)相近的润滑性能，在保留了水凝胶润滑性能的同时增强了机械性能。Takahashi等[42]进一步拓展了双网络水凝胶的形成方式，先将微凝胶颗粒作为第一网络分散在充当次级网络的单体溶液中，再在次级网络聚合后形成复合结构。这种基于微凝胶颗粒的双网络水凝胶(P-DN)具有与传统双网络水凝胶相似的韧性，同时可作为涂层应用于不同的聚合物基底，如聚乙烯(PE)和聚丙烯酰胺(PAM)，能够在300次循环的反复摩擦测试后仍展现低于0.03的动态摩擦系数，具有良好的抗磨损性能，如图 5a所示[42]。
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| 图 5 结构改性润滑水凝胶 |
生物软组织中的层状结构可以实现多种功能，如质量传输、隔热和调节机械应力等。这些结构通常表现为表层的材料较软，弹性模量较小，而更深层的材料则较硬，弹性模量较大，从而形成明显的硬度梯度[43]。在关节软骨中，该硬度梯度与不同深度处胶原纤维取向分布差异有关。例如，在关节软骨的表层，胶原纤维密度较高，且通常平行于软骨表面分布，利于实现润滑功能；在关节软骨的深层，胶原纤维通常垂直于关节表面分布，可承担较高载荷，使关节软骨整体具备较高的机械强度。受该结构启发，Chen等[44]通过在垂直取向的聚乙烯醇/聚多巴胺-磁性氧化铁纳米颗粒-碳纤维/聚丙烯酸水凝胶(PVA/PDA-Fe3O4-CF/PAA)表面浇筑一层水平取向的PVA/PDA-Fe3O4-MMT/PAA，制备了一种具有高机械强度和低摩擦系数的双层非均相水凝胶，双层非均相水凝胶示意图如图 5b所示。在模拟关节软骨的摩擦工况下，该水凝胶经过上万次的原位摩擦，依然能表现与关节软骨(经过相同的摩擦处理)相近的摩擦系数和机械强度。
2.3 智能响应润滑改性方式智能响应型润滑水凝胶是一种能够在外部刺激下(如光、温度、pH、电场和机械刺激等)发生可逆的体积、形态或其他物理化学性质变化，从而调控摩擦学性能的聚合物网络。
在剪切应力响应方面，Zhang等[45]将具有触变性的芴甲氧羰基-L-色氨酸超分子(FT)加入PAM和PVA双聚合物网络结构中，制备了具有触变性能的双网络仿生水凝胶(FT-PAM/PVA)。在剪切力作用下，该水凝胶内部发生超分子凝胶-溶胶转变，超分子发生解离，并在压力载荷的刺激下被挤压至凝胶表面，形成一层超分子层，从而促进了水凝胶的润滑作用，如图 6a所示[45]。
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| 图 6 智能响应型润滑水凝胶 |
在pH响应方面，Ma等[46]受壁虎足底刚毛结构启发，提出了一种双面纳米水凝胶纤维复合膜。该水凝胶纤维复合膜在碱性环境(pH=12)下表现为低摩擦系数(< 0.2)，在酸性环境(pH=2)下表现为高摩擦系数(>0.4)，且在多次摩擦切换下，其响应能力不会发生显著变化，说明该水凝胶纤维复合膜的pH响应能力较稳定。
在光响应方面，Wang等[47]通过在PAM/PVA双网络结构内整合α-环糊精/聚乙二醇(α-CD/PEG)和竞争客体1-[p-(苯偶氮)苄基]溴化吡啶(Azo-PB)，制备了具有可逆光响应能力的超分子润滑水凝胶。其中Azo-PB在紫外光和可见光的照射下会发生不同的异构反应，并作为竞争性光响应客体调节α-CD和PEG的超分子组装过程，从而实现溶胶-凝胶状态转变，进而调控水凝胶表面的润滑性能。结果表明[47]，相比于经紫外光照射的凝胶，经可见光照射的凝胶摩擦系数下降了40%~80%，润滑性能响应效果显著。
聚(N-异丙基丙烯酰胺)[P(NIPAAm)]是一种热敏性聚合物材料，在临界溶解温度(lower critical solution temperature，LCST，约为32.5 ℃)附近会出现溶胶-凝胶状态转变。Liu等[48]通过将聚(甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐)(PSPMA)聚电解质刷接枝到包含引发剂的[聚(尼索丙基丙烯酰胺-丙烯酸-共引发剂/Fe3+)][P(NIPAAm-AA-iBr/Fe3+)]水凝胶表面，制备了一种热响应层状水凝胶，其热响应原理如图 6b所示。该水凝胶层在近红外光的照射下温度升高，当温度达到LCST后，P(NIPAAm)组分向凝胶状态转变，使水凝胶表面聚合物链的密度增加，从而增强了水合润滑作用，实现了原位润滑性能优化。在实验过程中，随着凝胶温度从25 ℃上升至45 ℃，水凝胶的摩擦系数从0.047降低至0.025，热响应效果明显。
3 水凝胶的涂层修饰方法水凝胶涂层的修饰方法直接影响涂层应用范围、实用性和可靠性。水凝胶涂层与基底的结合强度是评价涂层性能的一个重要指标。由于水凝胶含有的大量水分会显著削弱亲水基团的活性，同时凝胶表面可用于持久键合的聚合物链密度较低，因此如何将凝胶涂层牢固且持久地修饰于表面性质和形状各异的基底上，是水凝胶涂层研究的重点和难点。
水凝胶在基底上黏附常通过化学交联或可逆的物理交联实现[49]。大部分物理交联方式，如超分子自组装、静电作用和离子间相互作用等，黏附强度通常较差；化学交联一般依赖于水凝胶表面的聚合物链与基底表面的共价结合，可实现更高的黏附强度。目前常见的水凝胶涂层修饰方式主要有表面桥接、表面引发、凝胶涂覆和生物修饰等。
3.1 表面桥接法表面桥接依赖于桥接剂与水凝胶和基底表面的官能团形成强相互作用，从而实现水凝胶与基底结合。
硅烷偶联剂是一种广泛使用的桥接剂，含有能与基材(例如玻璃、金属或陶瓷)形成共价键的硅烷基团，以及一个或多个可与有机聚合物发生化学反应的有机官能团，如胺基、羧基和烯基等。以3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTES)为例，这种常用的硅烷偶联剂可与羟基发生水解反应，生成具有活性的硅醇基团；在特定的催化剂如1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)和N-羟基硫代琥珀酰亚胺(Sulfo-NHS)的促进下，APTES可与含羧基的有机化合物发生酰胺化反应形成酰胺键。图 7为APTES在海藻酸盐水凝胶与基底结合过程中的作用原理[50]。APTES适用于表面富含羟基的基底和聚合物网络中富含羧基的水凝胶(如海藻酸盐和透明质酸)之间的结合，而原本没有羟基的表面，如塑料等有机材料，可通过等离子体等表面处理生成羟基，从而实现水凝胶涂层与基底结合。Kuang等[51]通过在固体表面修饰硅烷偶联剂，将水凝胶共价修饰在玻璃、硅、陶瓷、钛和铝等多种非多孔表面，水凝胶与非多孔表面的界面韧性值超过1 000 J·m-2。
3.2 表面引发法
表面引发法本质是凝胶聚合物单体在基底表面或内部聚合形成网络，主要针对本身具有可发生聚合反应的官能团或具有聚合物网络结构的基底材料，适用于形状复杂的基底。
典型的表面引发修饰原理如图 8所示[52]。首先，将聚合物基底用疏水性引发剂浸透，使引发剂到达基底内部；其次，将含有疏水性引发剂的基底材料浸入含有亲水性引发剂的水凝胶前体溶液中；最后，通过用紫外光照射或加热的方式对水凝胶进行固化，使水凝胶单体和基底聚合物交联，形成具有一定厚度的水凝胶。相比于单纯的键合作用，基底和水凝胶形成网络互穿的结构有助于进一步提高水凝胶与基底之间的结合强度。
常见的引发剂有苯酮和过氧化苯甲酰，分别可以在紫外光照射和热处理的条件下产生自由基并引发水凝胶单体聚合或基底聚合物网络内聚。此外，通过Fe2+和S2O82-发生氧化还原反应生成自由基，从而引发凝胶单体聚合，该方式同样是研究热点[53]。然而，单纯的表面引发并不适用于难以浸润的或不具备聚合物网络结构的基底表面，因此通常借助黏性剂或预先表面桥接等表面修饰方法使基底表面具有特定官能团，或增强引发剂和水凝胶单体对基底的渗入效果。Gao等[54]在黏附铁粉的PDMS基底上锚定硅烷偶联剂，随后加入水凝胶单体和过硫酸钾引发表面自由基聚合(SCIRP)形成水凝胶涂层，但这对基底材料的选择仍有一定限制。针对更广泛的基底材料，Xu等[55]受贻贝启发，利用聚多巴胺(PDA)分子的黏附作用在基底沉积Fe3+和柠檬酸(CA)，形成黏性引发层(SIL)，在紫外光(UV)照射下活化Fe3+并发生SCIRP，可在各种材料和形状的基底表面生长厚度可控的均匀水凝胶涂层，该方法具有普适性。该方法简称SIL@UV-SCIRP法，原理图如图 9所示。其中：步骤Ⅰ为在基体表面形成PDA/CA Fe3+引发层；步骤Ⅱ为用UV照射原位生成Fe2+离子催化剂；步骤Ⅲ为将含有催化剂的基材浸入单体溶液中，以实现表面自由基聚合；步骤Ⅳ为在基底表面上形成均匀的水凝胶涂层(橙色)。
3.3 凝胶涂覆法
水凝胶涂层形成通常包括单体聚合成链、交联和互连3个过程。其中，聚合过程使用的涂层单体或引发剂可能具有毒性，而自由基聚合等则需要无氧、紫外光照射等较苛刻的反应环境。Yao等[56]通过将单体和偶联剂单独反应生成未交联的聚合物链，实现了聚合过程与交联和互联过程解耦，并通过粉刷、浸渍和喷涂等简单的物理操作，在塑料、金属、陶瓷和玻璃等多种材料基底上修饰水凝胶涂层。该修饰方式将涂层涂料配置与基底准备、修饰过程分离，使涂层的修饰过程更简单。Yao等[57]通过将硅烷偶联剂、水凝胶单体和两性离子单体共聚形成微凝胶颗粒，制备了水凝胶涂层涂料。该涂料具有可调控的流变性能，可在大多数金属、无机物和聚合物等任意形状的基底表面修饰厚度可调的水凝胶涂层，实现润滑、抗生物黏附、抗凝血和药物输送等多种功能。
Yang等[58]进一步将水凝胶涂层的润滑作用与黏合作用分离，开发了一种复性水凝胶涂层(RHP)。涂层的形成原理如图 10所示[58]，先在基底上涂覆强黏合剂，使预先脱水的微凝胶颗粒均匀地附着在基底表面，再通过加水使凝胶颗粒重新水合，形成具有厚度可调且均匀的水凝胶涂层。黏合剂可适应不同的基底表面，因此该涂层可大面积修饰在各种形状和材质的基底表面，同时可承受流动速率为14 m/s的水流冲击，具有优异的稳定性和黏附能力。
3.4 生物修饰法
除人工合成水凝胶涂层外，由细菌等微生物自发产生天然水凝胶并形成涂层也是修饰水凝胶涂层的有效方法。细菌纤维素是由醋杆菌属的细菌在糖类存在的环境下通过发酵产生的天然水凝胶。由细菌纤维素组成的生物膜具有三维网络多孔结构，具备较高的机械强度、吸水性、热稳定性、化学稳定性和良好的生物相容性，可应用于伤口愈合、植入物/介入物涂层和皮肤移植等方面[59-61]。Liu等[62]利用木糖醋杆菌(Xylophilus ampelinus)的黏附和原位生长，在表面蚀刻修饰过的金属钛上修饰了含有锶、镁等金属离子的细菌纤维素生物膜。该生物膜根据细菌黏附时间差异，可在金属植入物表面实现厚度可控。该生物膜具有优异的吸水膨胀能力，可填充至植入物与组织间的间隙，提供适当的弹性模量，实现良好的润滑和成骨性能。Rühs等[63]通过PDA增强了细菌悬浮液在基底表面的黏附能力，可实现对多种材料和形状基底的修饰。在聚甲基丙烯酸甲酯材料表面修饰该涂层，与裸片相比，实验组的表面摩擦系数下降幅度超过70%。
4 结论与展望关节软骨具有类似水凝胶的固态网络结构，具有优异的润滑性能、自修复能力和耐磨性等，在水凝胶涂层的润滑改性方面具有重要的参考价值。水凝胶的润滑机理相较于固体摩擦更复杂，主要涉及边界润滑和液膜润滑2种机制。与金属、陶瓷等硬质材料摩擦研究不同，由于水凝胶的组成和结构具有特殊性，因此针对水凝胶润滑机理的研究主要集中在凝胶的聚合物性质和网络结构等对摩擦性能的影响，为水凝胶涂层的润滑功能性设计提供了理论参考。
水凝胶的润滑和耐磨性能直接影响水凝胶涂层的润滑效果和工作寿命。除调节水凝胶的组成成分和比例、交联密度、表面粗糙度和纹理、更换成型的基底或模具等基本方法外，目前水凝胶润滑改性研究主要分为基于水合润滑机理改性、结构改性和智能响应改性设计3方面。这几种润滑改性方法在水凝胶的设计过程中可以相互融合，具有较高的研究价值。
基底修饰方式通用和可靠直接影响涂层应用范围和使用寿命，是任何涂层研究都需要重点关注的内容。水凝胶涂层的可靠修饰主要基于化学键的键合作用，通过浸渍、喷涂等方式可实现涂层材料在复杂形状基底的修饰。
目前润滑水凝胶涂层在研究和应用方面仍存在以下挑战：
1) 近几十年来，虽然关于水凝胶润滑机制的研究较多，但针对的摩擦场景相对简单，对水凝胶涂层在不同摩擦学条件或复杂场景下润滑机制的研究仍有限，难以对水凝胶涂层在不同工况下的润滑改性设计进行针对性指导。
2) 水凝胶的结构和组成形式近似生物组织。这使润滑水凝胶涂层在一定程度上具备良好的生物相容性，易在生物医学领域得到应用，同时也更易在生物的体液环境中被降解。对于润滑水凝胶涂层在支架、人工关节和导管等部分医疗器械的应用，涂层需要长时间接触体液环境或参与体液循环，因此涂层在生物安全性和长期稳定性等方面有较高要求。这不仅要考虑涂层耐磨性，还需要考虑水凝胶自身在不同体液环境下的降解特性。
3) 润滑水凝胶涂层的润滑性设计与耐磨性或稳定性设计之间存在一定冲突，因此对于长期反复摩擦工况下的涂层设计，需要从材料设计角度寻找合适的平衡点，提高润滑性能的同时保证水凝胶涂层的稳定性和耐磨性。
4) 对于润滑水凝胶涂层在生物医学领域的应用，目前体外测试与临床试验的条件仍存在较大差异，尤其对于支架和人工关节等需要在人体长期服役的医疗器械，体外实验验证方法仍需进一步探索。
5) 润滑水凝胶涂层形成通常涉及聚合和交联等多个步骤，而前文所述的快速修饰涂层方法目前仍处于研究阶段，且在水凝胶和基底材料的选择方面存在一定局限性，需进一步探究大规模生产经济性和可行性。
随着关节软骨润滑原理研究深入，模仿关节软骨的组成和结构仍是润滑水凝胶研究的重要方向，以不断改善水凝胶涂层的润滑、耐磨和自修复能力等性能。在润滑改性的基础上，还可以针对润滑涂层不同的应用场景，进行其他功能性的修饰，如载药、掺杂抗菌的纳米颗粒或生长因子等，提高润滑水凝胶涂层的实用价值。此外，润滑水凝胶涂层的修饰方法应能与不同的使用场景相适应，且规模化生产可行，可以实现在各种工况下广泛应用。
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