超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,简称 UHMWPE)是目前广泛使用的人工关节摩擦副材料,被应用于临床医学已经有50多年的历史。超过70%的全人工关节摩擦配副采用的是金属或陶瓷股骨头组件与UHMWPE髋臼杯组件。然而在长期使用过程中由磨损产生的大量聚乙烯磨屑,引发巨噬细胞产生一系列不良的生理反应,最终造成关节的无菌松动和晚期失效。因此,改善UHMWPE的摩擦学性能对于延长置换人工关节的使用寿命具有重要意义。天然软骨是一种刚性多孔胶原网络结构,软骨浅表层的蛋白聚糖通过连接蛋白固定到透明质酸上形成刷状结构,这种结构使得天然关节软骨具有超润滑功能,摩擦系数在0.001～0.01之间,平均使用寿命达70年之久,远高于目前人工关节的使用寿命。故研究天然关节软骨中聚合物刷状结构和多孔网络结构的性能,对于制备新型人工关节并延长使用寿命具有重要的理论和实用价值。本研究模仿了天然关节软骨表面的刷状物结构和多孔网络结构以及润滑功能,以常用超高分子量聚乙烯为基材,制备具有减磨耐磨功效的仿生人工关节材料。首先模拟天然关节软骨浅表层的蛋白聚糖刷状物结构,通过紫外光接枝技术在UHMWPE粉末表面接枝聚合物刷,热压成型制备人工关节材料,研究了具备“可持续”减磨耐磨聚合物刷人工关节材料的摩擦学性能,对材料的微观结构、力学性能进行了分析;并对长链带电荷聚合物刷MPDSAH和短链中性聚合物刷AM的性能进行研究和对比,分析了不同的润滑作用机理;在此基础之上优选材料,研究了γ射线辐照对接枝改性材料的微观结构、摩擦学性能和力学性能的影响;最后,基于前面聚合物刷的性能研究,模仿天然关节软骨表层多孔和浅表层刷状物的结构与润滑功能,利用模板滤取法制备多孔UHMWPE,之后采用紫外光接枝改性技术在多孔UHMWPE表面制备MPC聚合物刷,构建表层同时具有多孔和聚合物刷结构的UHMWPE-g-MPC仿生关节软骨材料,研究多孔结构和聚合物刷结构对材料的表面性能、摩擦学性能的影响,探讨了润滑机理。UHMWPE粉末接枝改性制备的仿生人工关节材料的摩擦系数和磨损率均降低,聚合物刷的“可持续”减磨耐磨特性,使得长时间测试条件下,接枝改性UHMWPE的耐磨性得到显著改善,有效解决了之前的研究存在的聚合物刷短时间失效的问题。接枝改性材料的结晶度显著下降,弹性模量,屈服强度,断裂强度和断裂伸长率降低。带电荷MPDSAH聚合物刷的摩擦学性能优于中性AM聚合物刷,短链AM接枝改性材料的力学性能优于长链MPDSAH接枝改性材料。γ射线辐照交联改善了 UHMWPE的摩擦学性能,辐照交联UHMWPE-g-AM接枝改性材料的摩擦学性能未得到改善,其摩擦系数和磨损率仍然高于未辐照的UHMWPE-g-AM接枝改性材料。与辐照交联相比,聚合物刷改性更能有效改善UHMWPE的摩擦学性能。辐照交联之后材料的断裂方式仍为韧性断裂。仿生UHMWPE关节软骨材料同时具有多孔结构和聚合物刷结构,表面润湿性得到显著改善,接触角随着时间的增加最终为0°。摩擦系数显著降低,明显低于纯UHMWPE和只具备多孔结构的UHMWPE,多孔结构导致的流体动压润滑与聚合物刷形成的水合层导致的边界润滑协同作用,显著改善了润滑性能,为仿生表面在人工关节等植入物以及其他生物医学背润滑领域的应用奠定基础。