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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，能承受數億次開閉循環而不開裂（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制。膠原軟組織的微觀結構如圖1C-F所示。

圖1.膠原軟組織微觀結構

當裂紋在膠原軟組織中擴展時，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阻礙裂紋擴展（圖2），該橋接過程可通過斷裂力學中的牽引-分離曲線（traction-separation curve）描述。

圖2.膠原纖維橋接裂紋

研究人員設計了“纖維抽出試驗”與“裂紋擴展試驗”兩種方法，測得了膠原組織的牽引-分離關系曲線。纖維抽出實驗中，在樣品兩側分別裁切預置裂紋，僅留下寬度約為300 µm的膠原纖維束（圖3A，B），然后直接從基質中抽出膠原纖維，記錄其抽出過程中的力-位移曲線，進而獲得牽引分離曲線。結果顯示，牛心包組織的峰值牽引應力約為60 MPa，最大裂紋分離長度約為6 mm（圖3C，D）。

圖3.膠原纖維抽出實驗

為了探明纖維抽出過程中的微觀機制，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，卷曲的膠原纖維嵌入在彈性蛋白網絡中。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展過程中能量釋放率與牽引分離曲線的關系，設計“裂紋擴展實驗”測量了膠原軟組織的牽引分離曲線。首先觀察了裂紋擴展過程中，膠原纖維在裂尖的行為和微觀形貌變化。結果顯示，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）。隨著進一步拉伸，裂紋開始在軟基體中擴展，膠原纖維被拉出并橋接裂紋，在裂紋尖端形成一個明顯的橋接區（圖5C）。

圖5.裂尖膠原纖維在擴展過程中的形貌變化

隨后，研究人員準備了預切裂紋的矩形樣品，對樣品進行拉伸（圖6A，B），使用黑色標記點對裂紋尖端的表面進行標記（圖6C）。研究人員根據裂紋尖端標記點的狀態和裂紋擴展進程，識別出膠原軟組織具有兩個特征能量釋放率值：G_A和G_B。實驗結果顯示，牛心包的兩個特征能量釋放率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.裂紋擴展實驗

研究人員將膠原軟組織的牽引分離曲線與一些經典材料進行比較。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，遠高于單向纖維/環氧樹脂復合材料。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，而裂紋分離長度遠高于硬組織的，因此，膠原軟組織的斷裂韌性比硬生物組織高1~2個數量級（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，提供高橋接應力，有效阻礙裂紋擴展，導致了軟組織的高斷裂韌性和裂紋不敏感性（圖7B）。最后比較了幾種經典材料的裂紋橋接機制（圖7C）。

圖7.膠原軟組織的增韌機制

該項工作揭示了膠原軟組織高斷裂韌性的力學機制，量化了裂紋橋接的牽引-分離關系，為開發仿生材料（如人造心臟瓣膜）提供了理論依據。

上述研究得到了國家優秀青年基金的資助，特別致謝上海紐脈醫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教授和哈佛大學鎖志剛教授，論文作者還包括西安交大博士生陳曦、劉豐愷，畢業碩士曾梁松（現為美國西北大學博士生）。

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