| 바이오닉 층상 관절연골 윤활재료 개발 | ||
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  중국과학원 란저우(兰州)화학물리연구소 고체윤활국가중점실험실 재료표면/계면 연구팀은 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 D.Dini 교수 연구팀 등과 공동으로 신형 바이오닉 층상 관절연골 물윤활 재료를 구축하여 거시적 거친 스케일 접촉 조건에서 높은 내하중, 낮은 마찰 및 내마모성능의 통합을 달성함으로써 고성능 연질 물윤활재료의 실제적 공학 응용을 촉진했다. 해당 연구 성과는 「Advanced Functional Materials」에 게재되었다. 천연연골은 고체-액체 2상 특성을 보유하며 전형적인 층상 구조 특성과 특수 응력 소산 메커니즘을 가진 습하고 매끄러운 재료이다. 전통적인 표면 개시 중합방법으로 제조된 폴리머 브러시 층은 비교적 얇고 거시적 거친 접촉 스케일에서 전단 및 마모가 쉬워 엔지니어링 분야에서의 응용을 제한한다. 히드로겔은 친수성 폴리머 네트워크로 구성된 고분자 재료이지만, 전통적인 히드로겔의 수화 능력은 내하중 능력에 반비례한다. 수화도가 높은 히드로겔 재료는 너무 부드러워서 높은 내하중 전단 과정에서 변형되기 쉽다. 역학적 강도가 비교적 높은 겔은 표면 수화 성능이 좋지 않아 히드로겔에 우수한 윤활 성능을 제공하지 못한다. 지난 20년간, 학술계의 연질 윤활재료에 대한 연구는 계면 윤활, 기계적 내하중 및 내마모성을 시너지적으로 고려하지 못했다. 연구진은 천연 관절연골의 계면 물윤활 메커니즘, 생화학적 구조 분포 특성 및 특수한 기계적 응력 소산 메커니즘 연구를 통해 새로운 이중층 구조 폴리머 브러시/히드로겔 복합재료의 제조 방법을 제안했다. 연구진은 개시제를 고강도 이중 가교 히드로겔 네트워크에 접목시키고 원자 이동 라디칼 중합(ATRP)을 거쳐 폴리머 브러시가 겔의 표면 아래에서 성장하게 함과 아울러 히드로겔 네트워크에 얽혀지게 함으로써 전형적인 계층 구조를 달성했다. 재료의 상부 층은 이온형 폴리머 브러시의 존재로 인해 느슨한 섬상 구조를 형성하고 더 높은 수화 정도를 보유하여 윤활 및 마찰 감소의 역할을 한다. 하부 층 겔은 조밀한 네트워크 구조를 유지하여 재료에 더 높은 내하중 능력을 부여한다. 연구에 따르면, 표면층과 바닥층의 두께 및 두 층의 역학적 계수 매칭 정도는 계면 윤활 성능을 제어하는 핵심 요소이다. 바이오닉 층상 재료는 상대적으로 높은 부하(~ 10 N, 접촉 응력 ~ 8.5 MPa) 조건에서 50,000회의 왕복 순환 마찰 후에도 약 0.025의 안정적인 표면 마찰 계수를 유지하며 이는 재료의 윤활 성능을 입증한다. 연구진은 재료 표면의 마모 흔적에 대한 관찰을 통하여 50,000회의 순환 테스트 후에 재료 표층은 거의 마모 현상이 없음을 발견했다. 이는 해당 재료의 내마모성을 검증한다. 연구진은 계면 윤활과 접촉 역학의 이중 각도에서 실험 결과에 대한 체계적인 이론적 해석을 통해 바이오닉 층상 관절연골 재료의 윤활, 내하중 및 내마모 메커니즘을 명확히 하였다. 정보출처 : http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2020-06/09/content_446386.htm?div=-1 |
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