Biomimicking lubrication superior to fish skin using responsive hydrogels

2014年10月3日 NPG Asia Materials 6, e10 (2014) doi:10.1038/am.2014.82


魚類は、皮膚表面に「摩擦係数」の極めて低い親水性生体高分子を分泌することで、水中での素早くて滑らかな動きを実現させている。三次元高分子ネットワークに多量の水分子を捕捉した人工ヒドロゲルも、摩擦係数が低く、生体模倣人工関節材料やアクチュエーターへの応用が注目されている。天然の親水性生体高分子は、通常、外部刺激に対して反応できないため、摩擦挙動を変えることができない。中国科学院のFeng Zhouをはじめとする研究チームはこのたび、必要に応じて摩擦挙動を調節できるヒドロゲルの開発に成功した。研究チームは、以前開発した酸化グラフェンフレーク含有熱応答性アクリルアミド・ヒドロゲルの高分子ネットワーク中に、pHに敏感なメタクリレート成分を加えることによって、ヒドロゲルの改良を行った。今回のヒドロゲルは、外的条件の変化に応じて、超低摩擦状態から高摩擦状態へと段階的に切り替わることが確認された。この摩擦状態変化は可逆的であり、「自動ブレーキ」機能を持つマイクロメカニカルデバイスの表面形成に最適である。

Yang Wu, Xiaowei Pei, Xiaolong Wang, Yongmin Liang, Weimin Liu & Feng Zhou

Biomimicry: Fishing for a friction switch
Fish excrete hydrophilic biopolymers with ultralow ‘coefficients of friction’ onto their skin to improve their mobility in water. Artificial hydrogels, which trap copious quantities of water molecules inside three-dimensional polymer networks, also have low frictional coefficients and have been targeted for use as biomimetic artificial joint materials and actuators. Their natural counterparts — hydrophilic biopolymers — are usually unable to react to external stimuli and therefore unable to alter their friction. Feng Zhou and colleagues from the Chinese Academy of Sciences in China have demonstrated that a hydrogel can adjust its frictional behavior on demand. The authors improved on their previous discovery — a thermally-responsive acrylamide hydrogel containing graphene oxide flakes — by adding pH-sensitive methacrylate components into the polymer network. Modifying environmental conditions enabled the hydrogel to undergo stepwise switching from ultralow to high friction states — a reversible transformation ideal for producing micromechanical surfaces with ‘autobraking’ capabilities.


NPG Asia Materials ISSN 1884-4049(Print) ISSN 1884-4057(Online)