仿心臟瓣膜的柔軟抗疲勞水凝膠 - 2500萬(wàn)次超高疲勞壽命
水凝膠具有高含水量和良好的生物相容性，其中抗疲勞性能的優(yōu)劣是決定水凝膠應(yīng)用的關(guān)鍵。近年來，研究人員提出了多種抗疲勞水凝膠的設(shè)計(jì)策略，其中一類是通過添加纖維來實(shí)現(xiàn)高疲勞性能，然而纖維往往會(huì)導(dǎo)致較高的彈性模量，失去與生物組織匹配的柔順性。
近日，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)教授團(tuán)隊(duì)仿照心臟瓣膜組織的軟基質(zhì)-彎曲膠原纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)，制備了針織纖維-PVA復(fù)合水凝膠，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高疲勞門檻值與低模量，并將該復(fù)合水凝膠制成了心臟瓣膜假體，具有2500萬(wàn)次的超高疲勞壽命。論文以A soft and fatigue-resistant material that mimics heart valves為題發(fā)表在Cell 姊妹刊《Matter》上。
生物組織，如肌肉、聲帶和心臟瓣膜等，往往通過變形發(fā)揮功能，具有良好的抗疲勞性能 (圖 1A、B)。例心臟瓣膜作為控制血液流向的閥門，在人的一生中開合 30 億次。這種組織需要滿足兩個(gè)基本力學(xué)性能要求：低模量，在小載荷下易于變形實(shí)現(xiàn)開合；高疲勞門檻值，防止發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展。生物組織通過柔軟的基質(zhì)和卷曲的高強(qiáng)膠原纖維來滿足這兩個(gè)要求 (圖 1C)。小載荷下，卷曲膠原纖維未被拉直，從而使組織具有較低的模量；大載荷下，拉直的膠原纖維在裂紋J端，通過纖維長(zhǎng)程傳力來分散裂尖應(yīng)力集中，使生物組織具有較高的疲勞門檻值。受這種結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究人員提出了運(yùn)用彎曲高強(qiáng)纖維結(jié)構(gòu)的針織織物增強(qiáng)水凝膠的策略 ，該復(fù)合水凝膠在彈性模量-斷裂韌性-疲勞門檻值等方面可以媲美牛心包組織(圖 1D，1E)，而且具有較高的疲勞壽命，承受 2500 萬(wàn)次脈動(dòng)流循環(huán)載荷而不破壞，壽命比水凝膠基體高2個(gè)數(shù)量級(jí)。
研究人員使用尼龍纖維編織成的針織織物和PVA水凝膠作為軟基體來展示該策略。尼龍針織物具有周期性彎曲纖維結(jié)構(gòu)（圖2A），有兩個(gè)主方向：經(jīng)線和緯線方向。該針織物具有良好的親水性（圖 2B），使得水凝膠前驅(qū)體能夠有效滲透到織物間隙中；SEM 圖像顯示針織物可以被水凝膠基體良好地覆蓋，纖維束之間填充有水凝膠基體（圖 2C）。尼龍纖維可以和PVA水凝膠形成較強(qiáng)的氫鍵（圖 2D），研究人員對(duì)復(fù)合水凝膠進(jìn)行退火干燥來調(diào)控界面的氫鍵結(jié)合，干燥過程減少了水分子與 PVA 上羥基的結(jié)合，并能避免水分子在后續(xù)溶脹中對(duì)尼龍和 PVA 鏈之間氫鍵的破壞。研究人員進(jìn)一步通過分子動(dòng)力學(xué)模擬來揭示這一過程（圖 2E），尼龍和 PVA 之間的氫鍵數(shù)量隨著干燥過程得到提高，即使后續(xù)發(fā)生溶脹，其氫鍵數(shù)量仍能維持較高水平，優(yōu)于未處理的界面（圖 2F、G和H）。
圖2. 復(fù)合水凝膠的制備和界面調(diào)控該復(fù)合水凝膠具有低模量和高強(qiáng)度，呈現(xiàn)出 J 形應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖 3A）。當(dāng)載荷較小時(shí)，針織物彎曲纖維結(jié)構(gòu)未拉直，因此復(fù)合水凝膠具有低初始模量；當(dāng)載荷較大時(shí)，針織物纖維被拉直，直到纖維斷裂，因此復(fù)合水凝膠具有高強(qiáng)度，該復(fù)合材料具有<1 MPa 的低模量和 13 MPa 的高強(qiáng)度，與牛心包相當(dāng)（圖 3B）。
圖3. 復(fù)合水凝膠模量-強(qiáng)度研究人員深入研究了單層纖維復(fù)合水凝膠的疲勞裂紋擴(kuò)展模式。由于針織纖維具有各向異性，因此分別研究了裂紋沿著纖維緯向和經(jīng)向擴(kuò)展的情況。當(dāng)裂紋沿著緯線方向擴(kuò)展時(shí)，裂紋面上的纖維逐漸被抽出，直到形成橋接區(qū)，纖維才能有效抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展（圖4A、B）。當(dāng)裂紋沿著經(jīng)線方向擴(kuò)展時(shí)，復(fù)合材料快速形成纖維橋接區(qū)抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展（圖 4C）。這類復(fù)合材料具有兩個(gè)特征的能量釋放率：Ga 和 Gb。當(dāng)G<Ga時(shí)，裂紋不擴(kuò)展；當(dāng) Ga < G < Gb 時(shí)，裂紋擴(kuò)展后停止；當(dāng) G > Gb 時(shí)，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展（圖 4D）。為了進(jìn)一步解釋兩個(gè)方向裂紋擴(kuò)展規(guī)律的差異，研究人員通過有限元模擬了纖維幾何結(jié)構(gòu)的演變，結(jié)果表明兩個(gè)方向的纖維間摩擦差異大，當(dāng)裂紋沿著緯線方向擴(kuò)展時(shí)，纖維間摩擦相比另外一個(gè)方向低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，正是由于低摩擦力導(dǎo)致緯線方向纖維容易被拉出（圖4F）。
事實(shí)上，生物組織往往具有多層排布的纖維，可以抵抗多方向的疲勞裂紋擴(kuò)展，研究人員對(duì)牛心包組織進(jìn)行了二次諧波成相(SHG)，觀察到了膠原纖維的多層結(jié)構(gòu)（圖5A-C）。
受這種多層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員制備了多層纖維增強(qiáng)的復(fù)合水凝膠（圖 6A）。在相同的循環(huán)加載下，單層復(fù)合水凝膠中發(fā)生了明顯的裂紋擴(kuò)展，但多層復(fù)合水凝膠中裂紋幾乎不擴(kuò)展（圖 6B,C）。多層復(fù)合水凝膠的疲勞門檻值Gb可達(dá)5,440 J/m2，與牛心包相當(dāng)（圖 6D-F）。
圖6. 多層復(fù)合水凝膠的疲勞裂紋擴(kuò)展為了驗(yàn)證復(fù)合水凝膠優(yōu)異的抗疲勞性能，研究人員將其剪裁成瓣葉縫合到金屬支架上，制成了心臟瓣膜仿體（圖 7A）。根據(jù)ISO 5840標(biāo)準(zhǔn)，開展了超高周加速疲勞測(cè)試，將仿體安裝到加速疲勞試驗(yàn)機(jī)上，模擬體液環(huán)境，用15HZ的高頻脈動(dòng)流沖刷瓣葉（圖 7B 和 7C）。純PVA水凝膠在 20萬(wàn)次循環(huán)后就發(fā)生破壞，而復(fù)合水凝膠即使在 2500 萬(wàn)次循環(huán)后仍保持完好（圖 7D-F）。研究人員對(duì)2500萬(wàn)次疲勞實(shí)驗(yàn)后的復(fù)合水凝膠進(jìn)行SEM觀察，沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋，纖維對(duì)基質(zhì)幾乎沒有損傷。
研究人員受到心臟瓣膜組織中多層膠原纖維結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了運(yùn)用彎曲纖維結(jié)構(gòu)的針織織物增強(qiáng)水凝膠的策略，通過界面氫鍵調(diào)控，保證纖維-基體在溶脹后仍然能具有良好界面性能。這種策略具有通用性，在保證低模量的同時(shí)，提高了水凝膠的抗疲勞性能。該復(fù)合水凝膠具有2500萬(wàn)次的高疲勞壽命，有望拓寬水凝膠的應(yīng)用前景。論文第一作者為西安交通大學(xué)博士生陳曦，通訊作者為西安交通大學(xué)唐敬達(dá)教授，合作作者包括哈佛大學(xué)鎖志剛院士、上海紐脈醫(yī)療科技公司虞奇峰博士等。上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、王寬誠(chéng)教育基金會(huì)等資助。
