心脏瓣膜在人的一生中跳动约30亿次，是人体内最抗疲劳的生物组织之一。当其发生病变或受损时，需要人造假体进行替换。然而，人造的聚合物瓣叶在反复开合过程中因疲劳裂纹扩展而快速失效，寿命仅为百万次，难以媲美生物瓣上亿次的疲劳寿命。因此，亟需探究心脏瓣膜组织的抗疲劳机理，指导抗疲劳软材料的开发。

图2. 心脏瓣膜组织的微观结构

  首先，研究人员使用SEM和TEM对心脏瓣膜组织的微观结构进行观测表征。TEM观测表明胶原原纤维的直径约为 100 nm（图 2B），SEM观测表明单根胶原纤维由很多原纤维平行排列成束构成（图 2C），直径约为 30 μm。在微观水平上（~10 μm）, 卷曲的胶原纤维（图 2D）形成网络，其中嵌入软基质（图 2E）。

图3. 抗疲劳机理示意图

图4. 心脏瓣膜组织的断裂与裂尖应变分布

  研究人员通过疲劳裂纹敏感尺寸的概念比较了多种软材料在循环加载下的裂纹敏感性（图5）。其中，纵坐标为材料的疲劳门槛值G_th，经测定，心脏瓣膜组织的疲劳门槛值约为5000 J/m²。横坐标为材料的耐受功（endurance work），W_e, 表征了无裂纹试样的疲劳极限，经测定，心脏瓣膜组织的耐受功约为0.17M J/m³。两种材料属性的比值具有长度的量纲，视为疲劳裂纹敏感尺寸。当预置裂纹短于该尺寸时，材料的疲劳强度将不会因裂纹的存在而下降，表现为对裂纹不敏感。当预置裂纹的长度大于该尺寸时，材料的疲劳强度将因疲劳裂纹扩展而急剧下降，表现为对裂纹敏感。因此，该尺寸度量了各种材料在循环加载下的裂纹敏感性。

图5. 多种软材料循环加载下的裂纹敏感性

图6. 经导管瓣膜的加速疲劳测试

  总结：揭示了心脏瓣膜组织的疲劳断裂机理，系统研究了其疲劳断裂行为，发现心脏瓣膜组织疲劳阈值与疲劳裂纹敏感尺寸均比人造软材料高出百倍，建立了其疲劳性能与微观结构的内在联系。生物软材料瓣膜的疲劳寿命高达两亿次，而人造软材料瓣膜仅为百万次，印证了微观复合结构对于生物软材料抗疲劳性能的决定作用。

  论文第一作者为西安交通大学航天学院硕士生曾梁松、共同第一作者为西安交通大学航天学院博士生刘丰恺，通讯作者为西安交通大学唐敬达副教授和哈佛大学锁志刚院士。论文合作作者包括西京医院心外科的杨剑教授以及上海纽脉医疗科技公司的虞奇峰博士。

  论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7375