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  心臟瓣膜在人的一生中跳動(dòng)約30億次，是人體內(nèi)最抗疲勞的生物組織之一。當(dāng)其發(fā)生病變或受損時(shí)，需要人造假體進(jìn)行替換。然而，人造的聚合物瓣葉在反復(fù)開(kāi)合過(guò)程中因疲勞裂紋擴(kuò)展而快速失效，壽命僅為百萬(wàn)次，難以媲美生物瓣上億次的疲勞壽命。因此，亟需探究心臟瓣膜組織的抗疲勞機(jī)理，指導(dǎo)抗疲勞軟材料的開(kāi)發(fā)。

圖2. 心臟瓣膜組織的微觀結(jié)構(gòu)

  首先，研究人員使用SEM和TEM對(duì)心臟瓣膜組織的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)表征。TEM觀測(cè)表明膠原原纖維的直徑約為 100 nm（圖 2B），SEM觀測(cè)表明單根膠原纖維由很多原纖維平行排列成束構(gòu)成（圖 2C），直徑約為 30 μm。在微觀水平上（~10 μm）, 卷曲的膠原纖維（圖 2D）形成網(wǎng)絡(luò)，其中嵌入軟基質(zhì)（圖 2E）。

圖3. 抗疲勞機(jī)理示意圖

圖4. 心臟瓣膜組織的斷裂與裂尖應(yīng)變分布

  研究人員通過(guò)疲勞裂紋敏感尺寸的概念比較了多種軟材料在循環(huán)加載下的裂紋敏感性（圖5）。其中，縱坐標(biāo)為材料的疲勞門(mén)檻值G_th，經(jīng)測(cè)定，心臟瓣膜組織的疲勞門(mén)檻值約為5000 J/m²。橫坐標(biāo)為材料的耐受功（endurance work），W_e, 表征了無(wú)裂紋試樣的疲勞極限，經(jīng)測(cè)定，心臟瓣膜組織的耐受功約為0.17M J/m³。兩種材料屬性的比值具有長(zhǎng)度的量綱，視為疲勞裂紋敏感尺寸。當(dāng)預(yù)置裂紋短于該尺寸時(shí)，材料的疲勞強(qiáng)度將不會(huì)因裂紋的存在而下降，表現(xiàn)為對(duì)裂紋不敏感。當(dāng)預(yù)置裂紋的長(zhǎng)度大于該尺寸時(shí)，材料的疲勞強(qiáng)度將因疲勞裂紋擴(kuò)展而急劇下降，表現(xiàn)為對(duì)裂紋敏感。因此，該尺寸度量了各種材料在循環(huán)加載下的裂紋敏感性。

圖5. 多種軟材料循環(huán)加載下的裂紋敏感性

圖6. 經(jīng)導(dǎo)管瓣膜的加速疲勞測(cè)試

  總結(jié)：揭示了心臟瓣膜組織的疲勞斷裂機(jī)理，系統(tǒng)研究了其疲勞斷裂行為，發(fā)現(xiàn)心臟瓣膜組織疲勞閾值與疲勞裂紋敏感尺寸均比人造軟材料高出百倍，建立了其疲勞性能與微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。生物軟材料瓣膜的疲勞壽命高達(dá)兩億次，而人造軟材料瓣膜僅為百萬(wàn)次，印證了微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)于生物軟材料抗疲勞性能的決定作用。

  論文第一作者為西安交通大學(xué)航天學(xué)院碩士生曾梁松、共同第一作者為西安交通大學(xué)航天學(xué)院博士生劉豐愷，通訊作者為西安交通大學(xué)唐敬達(dá)副教授和哈佛大學(xué)鎖志剛院士。論文合作作者包括西京醫(yī)院心外科的楊劍教授以及上海紐脈醫(yī)療科技公司的虞奇峰博士。

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7375