软组织具有高断裂韧性，然而其力学机制尚不清晰。近日，西安交通大学唐敬达教授与哈佛大学锁志刚教授合作，围绕“胶原软组织的增韧机制”开展研究，通过力学实验与显微观测，得到了软组织的牵引-分离定律，揭示了胶原软组织高断裂韧性的微观机制，对仿生软材料的设计具有指导意义。相关成果以Why are soft collagenous tissues so tough?为题，发表在国际期刊《Science Advances》上，并得到期刊主页推荐。
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胶原软组织，如皮肤、肌腱和心脏瓣膜，通常具有较高的断裂韧性。例如，牛心包这种胶原软组织用于人类心脏瓣膜置换手术，能承受数亿次开闭循环而不开裂（图1A,B）。本研究选取牛心包作为研究对象，探讨了胶原软组织的增韧机制。胶原软组织的微观结构如图1C-F所示。
图1.胶原软组织微观结构
当裂纹在胶原软组织中扩展时，胶原纤维在裂尖解卷曲，沿拉伸方向重新定向，从裂纹表面抽出形成桥接区阻碍裂纹扩展（图2），该桥接过程可通过断裂力学中的牵引-分离曲线（traction-separation curve）描述。
图2.胶原纤维桥接裂纹
研究人员设计了“纤维抽出试验”与“裂纹扩展试验”两种方法，测得了胶原组织的牵引-分离关系曲线。纤维抽出实验中，在样品两侧分别裁切预置裂纹，仅留下宽度约为300 μm的胶原纤维束（图3A，B），然后直接从基质中抽出胶原纤维，记录其抽出过程中的力-位移曲线，进而获得牵引分离曲线。结果显示，牛心包组织的峰值牵引应力约为60 MPa，最大裂纹分离长度约为6 mm（图3C，D）。
图3.胶原纤维抽出实验
为了探明纤维抽出过程中的微观机制，研究人员使用偏振光显微镜（图4A）和双光子显微镜（图4B）记录了胶原纤维在拉伸过程中不同阶段的形貌变化。未变形时，卷曲的胶原纤维嵌入在弹性蛋白网络中。抽出过程中，胶原纤维开始解卷曲，并沿拉伸方向重新定向，胶原纤维逐步被抽出，最终约10mm长的胶原纤维被完全抽出。
图4.胶原纤维抽出过程中的微观形貌变化
随后，研究人员基于裂纹扩展过程中能量释放率与牵引分离曲线的关系，设计“裂纹扩展实验”测量了胶原软组织的牵引分离曲线。首先观察了裂纹扩展过程中，胶原纤维在裂尖的行为和微观形貌变化。结果显示，在未变形的样品中，裂纹尖端保持完整，纤维呈卷曲状（图5A）。随着拉伸比的增加，裂纹钝化，卷曲的胶原纤维束拉直并沿拉伸方向重新取向（图5B）。随着进一步拉伸，裂纹开始在软基体中扩展，胶原纤维被拉出并桥接裂纹，在裂纹尖端形成一个明显的桥接区（图5C）。
图5.裂尖胶原纤维在扩展过程中的形貌变化
随后，研究人员准备了预切裂纹的矩形样品，对样品进行拉伸（图6A，B），使用黑色标记点对裂纹尖端的表面进行标记（图6C）。研究人员根据裂纹尖端标记点的状态和裂纹扩展进程，识别出胶原软组织具有两个特征能量释放率值：GA和GB。实验结果显示，牛心包的两个特征能量释放率GA = 16.2 kJ/m2，GB = 112.1 kJ/m2。峰值牵引力σ0约为60.9 MPa。最大分离长度δ0约为4.8 mm（图6D，E）。研究人员还研究了软组织的牵引分离曲线随样品高度、纤维取向和含水量的变化。
图6.裂纹扩展实验
研究人员将胶原软组织的牵引分离曲线与一些经典材料进行比较。软组织的峰值牵引力约为60 MPa，接近骨骼、珍珠层和鱼鳞片等，远高于单向纤维/环氧树脂复合材料。软组织的最大分离长度约为6 mm，高于合成材料。由于胶原软组织与硬组织的牵引力相当，而裂纹分离长度远高于硬组织的，因此，胶原软组织的断裂韧性比硬生物组织高1~2个数量级（图7A）。长胶原纤维从软组织裂纹表面抽出形成较大尺寸的桥接区，提供高桥接应力，有效阻碍裂纹扩展，导致了软组织的高断裂韧性和裂纹不敏感性（图7B）。最后比较了几种经典材料的裂纹桥接机制（图7C）。
图7.胶原软组织的增韧机制
该项工作揭示了胶原软组织高断裂韧性的力学机制，量化了裂纹桥接的牵引-分离关系，为开发仿生材料（如人造心脏瓣膜）提供了理论依据。
上述研究得到了国家优秀青年基金的资助，特别致谢上海纽脉医疗科技股份有限公司提供的牛心包样品。
论文第一作者为西安交大硕士生唐婧嫄、通讯作者为西安交大唐敬达教授和哈佛大学锁志刚教授，论文作者还包括西安交大博士生陈曦、刘丰恺，毕业硕士曾梁松（现为美国西北大学博士生）。
论文链接 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw0808
