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  軟組織具有高斷裂韌性，然而其力學(xué)機(jī)制尚不清晰。近日，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)教授與哈佛大學(xué)鎖志剛教授合作，圍繞“膠原軟組織的增韌機(jī)制”開展研究，通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)與顯微觀測，得到了軟組織的牽引-分離定律，揭示了膠原軟組織高斷裂韌性的微觀機(jī)制，對仿生軟材料的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。相關(guān)成果以Why are soft collagenous tissues so tough?為題，發(fā)表在國際期刊《Science Advances》上，并得到期刊主頁推薦。

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  膠原軟組織，如皮膚、肌腱和心臟瓣膜，通常具有較高的斷裂韌性。例如，牛心包這種膠原軟組織用于人類心臟瓣膜置換手術(shù)，能承受數(shù)億次開閉循環(huán)而不開裂（圖1A,B）。本研究選取牛心包作為研究對象，探討了膠原軟組織的增韌機(jī)制。膠原軟組織的微觀結(jié)構(gòu)如圖1C-F所示。

圖1.膠原軟組織微觀結(jié)構(gòu)

  當(dāng)裂紋在膠原軟組織中擴(kuò)展時(shí)，膠原纖維在裂尖解卷曲，沿拉伸方向重新定向，從裂紋表面抽出形成橋接區(qū)阻礙裂紋擴(kuò)展（圖2），該橋接過程可通過斷裂力學(xué)中的牽引-分離曲線（traction-separation curve）描述。

圖2.膠原纖維橋接裂紋

  研究人員設(shè)計(jì)了“纖維抽出試驗(yàn)”與“裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)”兩種方法，測得了膠原組織的牽引-分離關(guān)系曲線。纖維抽出實(shí)驗(yàn)中，在樣品兩側(cè)分別裁切預(yù)置裂紋，僅留下寬度約為300 μm的膠原纖維束（圖3A，B），然后直接從基質(zhì)中抽出膠原纖維，記錄其抽出過程中的力-位移曲線，進(jìn)而獲得牽引分離曲線。結(jié)果顯示，牛心包組織的峰值牽引應(yīng)力約為60 MPa，最大裂紋分離長度約為6 mm（圖3C，D）。

圖3.膠原纖維抽出實(shí)驗(yàn)

  為了探明纖維抽出過程中的微觀機(jī)制，研究人員使用偏振光顯微鏡（圖4A）和雙光子顯微鏡（圖4B）記錄了膠原纖維在拉伸過程中不同階段的形貌變化。未變形時(shí)，卷曲的膠原纖維嵌入在彈性蛋白網(wǎng)絡(luò)中。抽出過程中，膠原纖維開始解卷曲，并沿拉伸方向重新定向，膠原纖維逐步被抽出，最終約10mm長的膠原纖維被完全抽出。

圖4.膠原纖維抽出過程中的微觀形貌變化

  隨后，研究人員基于裂紋擴(kuò)展過程中能量釋放率與牽引分離曲線的關(guān)系，設(shè)計(jì)“裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)”測量了膠原軟組織的牽引分離曲線。首先觀察了裂紋擴(kuò)展過程中，膠原纖維在裂尖的行為和微觀形貌變化。結(jié)果顯示，在未變形的樣品中，裂紋尖端保持完整，纖維呈卷曲狀（圖5A）。隨著拉伸比的增加，裂紋鈍化，卷曲的膠原纖維束拉直并沿拉伸方向重新取向（圖5B）。隨著進(jìn)一步拉伸，裂紋開始在軟基體中擴(kuò)展，膠原纖維被拉出并橋接裂紋，在裂紋尖端形成一個(gè)明顯的橋接區(qū)（圖5C）。

圖5.裂尖膠原纖維在擴(kuò)展過程中的形貌變化

  隨后，研究人員準(zhǔn)備了預(yù)切裂紋的矩形樣品，對樣品進(jìn)行拉伸（圖6A，B），使用黑色標(biāo)記點(diǎn)對裂紋尖端的表面進(jìn)行標(biāo)記（圖6C）。研究人員根據(jù)裂紋尖端標(biāo)記點(diǎn)的狀態(tài)和裂紋擴(kuò)展進(jìn)程，識別出膠原軟組織具有兩個(gè)特征能量釋放率值：G_A和G_B。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，牛心包的兩個(gè)特征能量釋放率G_A = 16.2 kJ/m²，G_B = 112.1 kJ/m²。峰值牽引力σ₀約為60.9 MPa。最大分離長度δ₀約為4.8 mm（圖6D，E）。研究人員還研究了軟組織的牽引分離曲線隨樣品高度、纖維取向和含水量的變化。

圖6.裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

  研究人員將膠原軟組織的牽引分離曲線與一些經(jīng)典材料進(jìn)行比較。軟組織的峰值牽引力約為60 MPa，接近骨骼、珍珠層和魚鱗片等，遠(yuǎn)高于單向纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。軟組織的最大分離長度約為6 mm，高于合成材料。由于膠原軟組織與硬組織的牽引力相當(dāng)，而裂紋分離長度遠(yuǎn)高于硬組織的，因此，膠原軟組織的斷裂韌性比硬生物組織高1~2個(gè)數(shù)量級（圖7A）。長膠原纖維從軟組織裂紋表面抽出形成較大尺寸的橋接區(qū)，提供高橋接應(yīng)力，有效阻礙裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致了軟組織的高斷裂韌性和裂紋不敏感性（圖7B）。最后比較了幾種經(jīng)典材料的裂紋橋接機(jī)制（圖7C）。

圖7.膠原軟組織的增韌機(jī)制

  該項(xiàng)工作揭示了膠原軟組織高斷裂韌性的力學(xué)機(jī)制，量化了裂紋橋接的牽引-分離關(guān)系，為開發(fā)仿生材料（如人造心臟瓣膜）提供了理論依據(jù)。

  上述研究得到了國家優(yōu)秀青年基金的資助，特別致謝上海紐脈醫(yī)療科技股份有限公司提供的牛心包樣品。

  論文第一作者為西安交大碩士生唐婧嫄、通訊作者為西安交大唐敬達(dá)教授和哈佛大學(xué)鎖志剛教授，論文作者還包括西安交大博士生陳曦、劉豐愷，畢業(yè)碩士曾梁松（現(xiàn)為美國西北大學(xué)博士生）。

  論文鏈接 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw0808