醫(yī)用生物材料抗疲勞測試：前沿進(jìn)展與力學(xué)性能評(píng)估策略

醫(yī)用生物材料抗疲勞測試：前沿進(jìn)展與力學(xué)性能評(píng)估策略

循環(huán)拉伸疲勞測試：這是最常見的一種疲勞測試。通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)或動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀，對(duì)樣品進(jìn)行數(shù)萬次甚至數(shù)百萬次的反復(fù)拉伸與回零。它廣泛應(yīng)用于評(píng)估軟組織修復(fù)支架、可拉伸導(dǎo)電纖維、水凝膠粘合劑等材料的耐久性。例如，在有機(jī)水凝膠復(fù)合纖維的研究中，科學(xué)家會(huì)在200%的應(yīng)變下對(duì)其進(jìn)行上萬次循環(huán)加載，以驗(yàn)證其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用潛力。

循環(huán)壓縮疲勞測試：該方法對(duì)樣品施加反復(fù)的壓縮載荷，常用于模擬體內(nèi)骨骼或軟骨所處的力學(xué)環(huán)境。它對(duì)于骨水泥、骨填充材料、椎間融合器以及管狀組織工程支架至關(guān)重要。例如，在木質(zhì)素基水凝膠管狀支架的研究中，會(huì)進(jìn)行數(shù)百次的循環(huán)壓縮，以檢驗(yàn)其在體液壓力下是否能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性而不發(fā)生坍塌。

動(dòng)態(tài)彎曲/保持力疲勞測試：這種方法模擬的是材料在反復(fù)彎曲或卡扣狀態(tài)下的力學(xué)行為。它專門用于測試牙科卡環(huán)、可拆卸植入體連接件等部件。例如，針對(duì)PEEK牙科卡環(huán)的研究，會(huì)在疲勞試驗(yàn)機(jī)上模擬長達(dá)7200次的摘戴循環(huán)，精確測量其保持力的衰減和形變量，以判斷其長期使用效果。

超高周疲勞測試：對(duì)于某些要求的植入物（如人工心臟瓣膜），其設(shè)計(jì)壽命需要承受數(shù)億次的心跳搏動(dòng)。這就需要使用專門的加速疲勞測試系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成數(shù)百萬至數(shù)千萬次的循環(huán)測試。仿生心臟瓣膜水凝膠的研究便通過了超過2500萬次的脈沖測試，以證明其超長的疲勞壽命。

180°剝離測試：這是測量粘附強(qiáng)度的經(jīng)典方法。將粘附在組織或模擬基底上的材料以180度的角度剝離，通過測得的力計(jì)算其剝離強(qiáng)度和粘附能。這個(gè)指標(biāo)反映了粘合劑在靜態(tài)條件下的最大粘附能力。例如，納米晶須膠通過此測試展現(xiàn)了高達(dá)1185 J m?2的超高粘附能。

界面疲勞閾值測量：這是量化抗疲勞性能最關(guān)鍵的測試之一。它通過90°或180°的循環(huán)剝離來實(shí)現(xiàn)。測試的不是一次性拉脫的力，而是找到在循環(huán)加載下，界面裂紋不再擴(kuò)展時(shí)的臨界能量釋放率。這個(gè)閾值越高，說明粘合劑在動(dòng)態(tài)、潮濕的生理環(huán)境中抵抗開裂和脫落的能力越強(qiáng)。前述的納米晶須膠就擁有了382 J m?2的高界面疲勞閾值。

基礎(chǔ)與微觀力學(xué)性能測試

這些測試為理解材料的疲勞性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和微觀機(jī)理。

基礎(chǔ)力學(xué)性能測試：

單軸拉伸/壓縮測試：用于獲取材料的基本參數(shù)，如楊氏模量（剛度）、拉伸/壓縮強(qiáng)度和斷裂伸長率。這是理解任何材料力學(xué)行為的起點(diǎn)。

蠕變與應(yīng)力松弛測試：用于研究材料的粘彈性。蠕變測試在恒定應(yīng)力下觀察應(yīng)變隨時(shí)間如何增加；應(yīng)力松弛測試則在恒定應(yīng)變下觀察應(yīng)力如何衰減。這對(duì)于預(yù)測材料在長期載荷下的尺寸穩(wěn)定性至關(guān)重要。

微觀力學(xué)測試：

原子力顯微鏡納米壓痕：使用微小的探針在納米尺度上測量材料的局部硬度和模量。這有助于科學(xué)家理解水凝膠等材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不均勻性，并將其與宏觀的抗疲勞性能聯(lián)系起來，從而指導(dǎo)材料的微觀設(shè)計(jì)。

總而言之，這些測試方法構(gòu)成了一個(gè)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從宏觀到微觀、從本體到界面的完整評(píng)估體系，共同確保了醫(yī)用生物材料在真實(shí)生理環(huán)境中的安全性與有效性。