本论文综述了天然关节润滑机制和人工关节仿生润滑材料的研究进展,天然关节软骨的组成、结构和润滑机制启发科学家们设计制备了不同类型的水凝胶材料,在这个基础之上,希望通过对关节软骨结构进行仿生设计,从而制备出性能优良的新型人工关节材料。然而,传统水凝胶力学性能较差,而且高强度水凝胶难以实现高承载与低摩擦性能的统一,因此发展同时具有高承载、超润滑且优异抗磨损性能的高强度水凝胶材料对其在人工关节材料方面的应用具有重要的意义。本论文受天然关节软骨微观结构的启发,基于凝胶表面多孔结构设计、凝胶-聚合物刷层状结构设计等思路,发展了系列具有高承载、低摩擦、耐磨损的水凝胶材料,并成功用于人工关节置换材料的改性,制备了仿生关节润滑系统。主要研究内容和结论如下:1.“孔-刷”水凝胶的制备与摩擦学性能研究:首先基于模板法,利用紫外引发聚合制备表层具有多孔结构而底层致密的高强度孔状水凝胶。通过凝胶中的羧基与金属铁离子发生物理交联而引入第二层网络,形成新的能量耗散机制,以此有效提高水凝胶的机械强度和承载能力。然后利用亚表面引发聚合技术在高强度孔状水凝胶的表面,分别接枝阴离子聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐（PSPMA）和两性离子聚2[-（甲基丙烯酰基氧基）乙基]二甲基（3-磺酸丙基）氢氧化铵（PSBMA）聚合物刷,由于聚电解质刷具有优异的水合润滑性能,再加上多孔结构可以有效减小接触面积,从而赋予该材料优异的润滑和抗磨损性能。以去离子水作为润滑剂,该“孔-刷”水凝胶在20 N的高载荷下,摩擦系数可以低至0.05,经历10000次摩擦循环仍然保持稳定的摩擦系数,表面的多孔状结构仍然存在,这种“孔刷”水凝胶的设计为关节软骨替代材料的制备提供了新的思路。2.表面织构化水凝胶的设计制备与摩擦性能研究:采用激光刻蚀技术,在嵌入引发剂的高强度水凝胶表层设计了3种不同直径和3种不同面积率条件下的9种表面织构,并在表面织构化的高强度水凝胶表面接枝了亲水性聚电解质刷（PSPMA）,制备了表层柔软,孔径分布均匀和底层基底致密的织构化高强度水凝胶。系统研究了不同面积率的表面织构对高强度水凝胶的摩擦学性能影响。研究表明,当直径为150μm,面积率为10%时,减摩抗磨效果最好,在30 N的高载荷下,表面织构化的低摩擦、高承载水凝胶经历10000个摩擦循环后仍能保持极低的摩擦系数（＜0.05）,并且表面的润滑层结构仍然存在,表明这种材料具有优异的耐磨损性能。该织构化的低摩擦、高强度水凝胶在仿生关节软骨和医用材料领域具有重要的应用前景。3.人工关节材料聚醚醚酮的表面仿生结构设计及其润滑性能研究:受天然关节层状梯度结构（硬质骨头-弹性软骨-超软大分子刷）的启发,本工作以人工关节材料聚醚醚酮（PEEK）作为硬质基底,通过光引发聚合在其表面构筑弹性的高强度水凝胶中间层,然后利用亚表面引发聚合在凝胶层表面制备聚电解质刷,设计了类似于天然关节层状结构的仿生润滑系统（PEEK-hydrogel-polymer brush）。纳米力学性能测试表明,该PEEK-hydrogel-polymer brush多层结构中的每一层与天然关节具有相似的弹性模量,而且硬质PEEK与弹性水凝胶层之间有较高的界面结合力。摩擦学性能测试表明,该仿生关节润滑系统在20 N的恒定载荷下,经历10000个循环测试后,摩擦系数仍能保持在0.07以下,同时表面几乎没有磨损,说明该材料具有优异的润滑和抗磨损性能。这项研究不仅有效地改善了PEEK的润滑性能和表面润湿性,而且实现了PEEK表面低摩擦、高承载、耐磨损的一体化仿生设计,为PEEK的表面改性提供了新思路,同时也将促进PEEK在人工关节置换中的应用。