声带、肌腱、韧带和心脏瓣膜等软组织通过反复拉伸行使功能，展现出非凡的抗疲劳性，当这些器官因年龄或疾病受损时，需要使用同样抗疲劳的人造假体进行替换。从2002年起，患者受损的心脏瓣膜可以使用经导管心脏瓣膜（THVs）通过微创手术进行替换，规避了传统瓣膜替换过程中开胸手术所带来的危险。然而，目前投入临床使用的THVs仍然采用昂贵、易于钙化的生物软组织作为瓣叶，其中一个重要的原因是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，抗疲劳性能远远不如生物软组织。
近日，西安交通大学唐敬达副教授与美国哈佛大学锁志刚院士等人聚焦于经导管瓣膜通用的生物瓣叶材料。通过实验表征并揭示了该胶原生物软组织对缺陷不敏感的抗疲劳性能，为人造聚合物瓣叶的开发提供了思路。研究成果以Flaw-insensitive
fatigue resistance of chemically fixed collagenous soft
tissues为题发表在 Science 开放获取子刊 Science
Advances 杂志上。经导管心脏瓣膜（THVs）允许医生通过微创手术替换患者受损的心脏瓣膜（图1）。这种人造心脏瓣膜通常采用一种从牛心脏表面提取的胶原性生物软组织薄膜——牛心包（BP）膜作为瓣叶（图1，A和B）。在THVs的制作过程中，将戊二醛固定过的BP膜裁切成瓣叶的形状，然后通过手术缝线缝合到可膨胀的金属支架上（图1，C和D）。植入过程中，医生将THVs压握进纤细的导管，经导丝引导，通过股动脉或心尖部署到受损瓣膜的部位（图1E）。之后THVs展开，并在血流冲刷下被动开合。当瓣叶周期性地开合时，很多聚合物瓣叶会因缝孔处的疲劳裂纹扩展而快速失效。然而尽管有缝孔，BP瓣叶可以存活至少4亿次（约10年寿命）的循环而无疲劳裂纹扩展。这种非凡的对缺陷不敏感的抗疲劳性能是合成瓣叶无法比拟的。
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2）。其中，纵坐标为材料的疲劳门槛值Gth，经测定，牛心包的疲劳门槛值约为5000
J/m2。横坐标为材料的耐受功（endurance
work），We,表征了无裂纹试样的疲劳极限，经测定，BP的耐受功约为0.17 M
J/m3。两种材料属性的比值具有长度的量纲，定义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尺寸。通过将牛心包以及各种软材料绘制在一张关于Gth和We的图中，可以得到各自的疲劳裂纹敏感尺寸。可以看到，牛心包组织的疲劳裂纹敏感尺寸为~1
cm，而聚氨酯橡胶的仅为100
μm，两者相差上百倍。图2. 多种软材料循环加载下的裂纹敏感性
研究人员进一步说明了牛心包所具有的裂纹不敏感抗疲劳性能在THVs中的重要性。按照标准制作流程，使用牛心包和TPU薄膜为瓣叶，制作了多个THVs。将这些假体瓣膜置于体外加速疲劳测试装置中进行测试（图3A和B）。BP瓣叶在2亿次反复开合后依然保持完整（图3C）。而TPU瓣叶在2百万次反复开合后因缝孔处的疲劳裂纹扩展快速失效（图3D）。两种瓣叶疲劳寿命的巨大差异可以由材料的疲劳裂纹敏感尺寸进行解释：在制备和植入的过程中，THVs的瓣叶上会引入大的缺陷，例如直径约150
μm的缝合孔。缝合孔的大小与TPU的耐受断裂内聚尺寸（~100 μm）相当。因此在循环脉动流冲刷下，TPU瓣叶从缝合孔处开始出现疲劳裂纹扩展。然而，缝合孔的尺寸远小于BP的耐受断裂内聚尺寸（~1
cm），因此BP瓣叶在循环脉动流冲刷下能够保持完整。
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。上述研究得到了国家自然科学基金面上项目、王宽诚教育基金会、国际（地区）合作研究项目等资助。唐敬达，西安交通大学副教授，博士生导师，王宽诚青年学者。
中国博士后创新人才支持计划入选者，研究方向为软物质力学。在软材料的制备、力学及其功能设计的前沿领域开展研究。发表论文37篇，其中以第一/通讯作者发表在Science
Advances, J. Mech. Phys. Solids, Matter, Adv. Funct.
Mater., J. Mater. Chem. A 等国际著名期刊上。主持国家自然科学基金面上、青年项目等。
锁志刚，哈佛大学终身教授，国际著名力学家，美国科学院院士、工程院院士。1985年，本科毕业于西安交通大学力学系。1989年，在美国哈佛大学获博士学位。在力学与材料科学的诸多领域开展了广泛研究，在Nature,
Science等期刊上发表论文481篇，Google引用78000余次，H因子145。近年来在软材料领域做出了开创性贡献。
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