天然关节表面覆盖了一层透明的软骨组织,其分层有序的结构可以在关节正常运行中起到降低接触应力、减少磨损的作用。软骨严重损伤后人工关节置换术是治疗关节疾病的重要手段,而现在人工关节假体的磨损失效制约了其使用寿命。因此,本文基于天然关节软骨分层有序的组织结构,仿生设计出有序纤维增强仿软骨水凝胶材料,揭示其力学承载和摩擦润滑机理,对提高人工关节假体的使用寿命具有重要意义。基于天然关节软骨浅表层取向排列胶原纤维的启发,利用静电纺丝技术制备有序纤维膜。当纺丝溶质组成为PVA 8wt.%、PAA 1.5wt.%、HA 0.5wt.%,纺丝电压为12k V、喷射速度为0.5m L/h、纤维接收距离为12cm时,纤维成形均匀连续,膜的力学性能最优。利用高速旋转的滚筒作为收集装置,可使纤维取向排列,有序纤维膜在105℃下热处理2h,其弹性模量可达8.89MPa,弹性模量为52.31MPa,延伸率为131.78%。采用冷冻解冻和退火等工艺,将有序纤维膜与水凝胶溶液分层共混,构建有序纤维增强仿软骨水凝胶材料。有序纤维增强仿软骨水凝胶具有分层的不同尺寸多孔网络结构,界面结合紧密,有序纤维膜和水凝胶层的界面结合韧性为1.6×10~3J/m~2。有序纤维增强仿软骨水凝胶的渗透率可达6.1×10-17 m~4N-1s-1,具有良好的亲水性、溶胀性和较高的含水率。其内部结晶度较高,存在较多的氢键和醛基,热稳定性能良好。有序纤维层能够显著提高有序纤维增强仿软骨水凝胶的强度和韧性,仿软骨水凝胶中有序纤维膜所占体积比例为50%时,其断裂强度达到20.95MPa,压缩模量达到5.86MPa,断裂韧性达到37.94k N/m~2。有序纤维增强仿软骨水凝胶具有良好的回复性能,在100万次循环压缩疲劳实验中,保持良好的抵抗变形的能力。在动态流变性能上,随频率和应变的变化,有序纤维增强仿软骨水凝胶有着接近于天然关节软骨的损耗系数。有序纤维层降低了有序纤维增强仿软骨水凝胶的滑动摩擦系数,其滑动摩擦系数和渗透率正相关,低的渗透率保存了仿软骨水凝胶负载时内部液相含量,液相形成的静水压力可承载大部分的载荷,起到承载减摩的作用。在与Co Cr Mo球配副时,有序纤维增强仿软骨水凝胶的滑动摩擦系数随载荷的增大而逐渐增大,随滑动速率的变化呈现出先增加后减少的趋势。在与水凝胶销配副时,在保持接触应力相等的情况下,随着接触面积的增加,有序纤维增强仿软骨水凝胶的滑动摩擦系数呈现出减小的趋势。有序纤维增强仿软骨水凝胶的摩擦扭矩在扭动摩擦过程中随着法向载荷、扭动角度的增加而增大,随着时间的推移接触界面由完全滑移状态逐渐转变成粘滑混合状态。相较于硬-硬摩擦副和硬-软摩擦副,水凝胶-水凝胶摩擦副和天然关节软骨的生物摩擦学行为更为相似。该论文有图65幅,表8个,参考文献116篇。