近年来，聚电解质（PE）刷的摩擦学性质因其潜在的生物润滑应用而受到广泛关注。特别是对于人体的滑膜关节，如髋关节和膝关节。这些关节依赖于含有带电基团的生物润滑剂（如透明质酸和糖蛋白）维持关节的顺畅运动。因此PE刷被视为一种理想的仿生润滑材料，适用于人工关节。可以通过研究两个相对的PE刷之间的相互作用，探讨人工关节在正常和剪切力作用下的润滑机制。

       在这项研究中，童朝晖教授团队采用了连续自洽场理论（SCFT）明确考虑了酸碱电离平衡，通过数值计算研究两个弱酸弱碱型聚电解质（PE）刷之间相互作用和相互穿透的情况。这两个弱PE刷是通过将带有弱酸弱碱型官能团的高分子链接枝到两个平行的长方柱的表面上所形成，沿长轴方向具有矩形横截面（图1），并浸没在含盐的水溶液中。发现在不同程度的刷分离条件下，相互穿透深度对系统参数的依赖性不同。对于两个相距较小的PE刷，刷之间的压缩和收缩比相互穿透更占优势（图2）；另外，接枝密度的增加会导致相互穿透深度提高，相比之下本体电离度对接枝刷子相互穿透深度的影响较小（图3）。

图1 系统横截面图、包括接枝的高分子链和各种类型的处于热运动中的离子。

图2 在较大和非常小的刷分离时单体密度的二维等高线图以及PE刷与刷之间距离与相互穿透深度的关系图。

图3 相互穿透深度与接枝密度和本体电离度之间的关系。

      在渗透刷状态下，随着本体盐浓度的增加，PE刷的高度会增加；在盐刷状态下，盐离子的浓度较高，高分子链上可电离官能团完全电离，但由于静电屏蔽效应，PE刷的高度反而减小（图4）。同时可以看到当两PE刷之间的距离较小时，本体盐浓度对两个相对表面PE刷高度没有影响（图5）。

图4 PE刷在不同刷分离下，左方柱的左表面刷高度随本体盐浓度的变化。

图5 PE刷在不同刷分离下，左方柱的右表面刷高度随本体盐浓度的变化。

       与本体电离度相比，接枝密度对PE刷高度的影响更大（图6），左方柱的右表面的PE刷高度随着接枝密度的增加而增加，最终在高接枝密度下趋于平稳。在此区域，两刷之间间隙中的接枝链被强烈拉伸，导致两个PE刷之间有更高程度的互穿，接枝链会收缩以避免强烈的互穿；随着两刷彼此靠近，接枝在左方柱的右侧表面上的PE链的平均电离程度略微下降（图7）。

图6 不同接枝密度下，刷高度随本体电离度的变化。

图7 不同的本体盐浓度下，接枝在左方柱的右表面的PE链的平均电离度随着PE刷之间距离的变化。

       最后，童朝晖教授团队还严格地检查了两个PE刷之间的刷分离阈值。由于互穿程度对本体盐浓度的变化不敏感，无法响应处于热运动中的离子的静电屏蔽效应；但是在两个表面接枝方柱之间的间隙中，盐离子分布对刷子之间的距离和本体盐浓度的变化非常敏感。通过分析两刷之间中心处的盐离子浓度，并结合原始刷高和德拜屏蔽长度，确立了一套量化指标，用以判定两个刷子真正独立的临界距离，且与数值模拟结果吻合较好（图8）。

图8 在不同盐浓度条件下，Na⁺沿着x轴的密度分布随PE刷间距的变化。

       该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science上。王贝宁硕士研究生是该论文的第一作者，童朝晖教授为通信联系人。

原文信息：

Numerical Study of Two Opposing Weak Polyelectrolyte Brushes by the Self-consistent Field Theory

Wang, B. N.; Ding, H. D.; Chen, Z. K.; Tong, C. H.

Chinese J. Polym. Sci. 

DOI: 10.1007/s10118-024-3139-z