近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室刘宇宏教授课题组设计了系列物理缠结交联的水凝胶，研究其抗蛋白质吸附性能与水凝胶分子构型间映射关系，同步实现复杂生理环境下优异的抗吸附性能和界面超滑（摩擦系数：0.0057）。物理缠结水凝胶导管与商用导管相比在抗吸附和润滑方面具有明显优势，蛋白质吸附质量降低50%，摩擦系数降低80%，为延长留置医疗导管的使用寿命和舒适化医疗提供了有效途径。成果以Physical entanglement improves the anti-adsorption and super-lubricity properties of polyacrylamide-based hydrogels for biomedical applications为题发表在国际学术期刊《Advanced Composites and Hybrid Material》(2025, 8, 208)。论文第一作者为清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室博士生王军宇，通讯作者为清华大学刘宇宏教授。

研究背景

蛋白质吸附是医疗导管失效的重要原因，显著影响留置医疗导管的使用寿命。在材料表面形成水合层是减少蛋白质吸附的一个有效方法，这和水基超滑的原理是相似的。以外，超滑会显著降低导管与生物组织之间的剪应力，避免剧烈的疼痛和粘膜损伤，提升患者的医疗体验。因此，开发超滑抗吸附水凝胶从机理和效果上都非常契合医疗导管的应用需求。

研究成果

刘宇宏教授课题组研究了物理缠结水凝胶的超滑抗吸附性能，实现了极低的蛋白质吸附和生理环境下的超滑。与抗吸附领域的金标准PSBMA水凝胶相比，物理缠结水凝胶在多种蛋白质和细菌吸附测试中，吸附质量降低了65%以上（图1a）。在浸提法测试中，物理缠结水凝胶的细胞活性维持在90%以上，这种优秀的生物相容性使其非常适合生物体内的应用（图1b）。得益于柔软坚韧的力学特性，物理缠结水凝胶可以通过模具法制备成医用导管（图1c）。在动态吸附测试中，水凝胶导管与商业导管（SHC和LHC）相比表现出了明显的优势，蛋白质吸附质量降低50%。在随后的动态全血吸附测试中，水凝胶导管维持了原有的优秀抗吸附特性（图1d）。在润滑性能方面，抗吸附特性使得水凝胶能够适应多种蛋白质溶液并实现超滑（图1e-g）。

物理缠结水凝胶的抗吸附机理主要从两个方面展开（图2）：1.物理缠结抑制水凝胶溶胀，增加了聚合物密度，水凝胶表面具有更多的单体与水分子结合形成致密的水合层。2.物理缠结交联可以将聚合物长链束缚在水凝胶表面，避免长链延伸到水溶液中形成很厚的过渡层，减少过渡层中柔软长链与蛋白质结合形成的永久吸附。该工作拓展了超滑抗吸附水凝胶的研究思路，为在柔软坚韧的长链聚合物网络中实现优秀的润滑和抗吸附特性提供了路径，有助于实现医疗导管的长效使用和舒适化医疗。

图1 （a）物理缠结水凝胶与PSBMA水凝胶吸附质量对比，（b）物理缠结水凝胶的生物相容性，（c-d）水凝胶导管和动态全血吸附，（e-g）水凝胶润滑特性

图2 物理缠结水凝胶的抗吸附机理

该工作受到国家自然科学基金（52350323），深圳科技计划（JCYJ20240813151307010）和广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515110565，2024A1515012406）的支持。

《Advanced Composites and Hybrid Materials》是Springer出版社旗下材料科学领域的国际多学科期刊，发表关于材料设计、表面和界面科学工程、制造、结构控制、性能设计、器件制造和应用、以及相关仿真/建模的研究，涵盖聚合物、金属和陶瓷材料。最新影响因子IF=23.2。

作者简介

王军宇，清华大学机械工程系博士生，研究方向为水凝胶的生物润滑。

刘宇宏，清华大学机械工程系教授，2016年获得国家级青年人才基金支持。目前的研究重点为超低摩擦和原子级制造。