生物软组织，如皮肤、软骨和心脏瓣膜等在体内承受长期循环载荷，具有优异的断裂和疲劳性能（图1）：心脏瓣膜在人的一生中需开合超过三十亿次；韧带需承受数百万次拉伸载荷；关节软骨需承受数十年的压缩载荷。理解软组织的断裂与疲劳机制，对于临床医学和材料科学具有深远意义。以往关于生物组织断裂的研究主要集中于硬组织，如骨骼、珍珠层和牙齿等。近年来，软组织的断裂与疲劳研究虽然取得了显著进展，但相关成果仍较为分散。

  近日，西安交通大学唐敬达教授课题组受邀撰写综述，系统梳理了软组织的结构功能、大变形本构，断裂和增韧机制，疲劳机理、损伤模型以及软组织病理性退化等方面的研究。

  相关成果以“On the fracture and fatigue of soft tissues”为题，发表在国际力学期刊《Extreme Mechanics Letters》上，收录在EML创刊十周年特刊中。综述论文第一作者为西安交通大学博士生陈曦（现为香港大学博士后），通讯作者为西安交通大学航天航空学院唐敬达教授，共同作者包括西安交通大学王铁军教授。

图1. 软组织承受长期疲劳载荷

【软组织层级结构】

  软组织可视为一种天然纤维增强材料，其力学性能主要由细胞外基质（ECM）决定。细胞外基质是填充细胞间空隙的三维网络，由胶原纤维嵌入弹性蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖中构成，其中，胶原纤维是主要承载元件，被视为“生物材料的钢铁”。其精密的层级结构通过从分子到宏观尺度的组装过程实现：三个α链缠绕形成三股螺旋的原胶原分子（长约300 nm，直径1.5 nm）→自组装为胶原微纤维→聚集成胶原纤维（直径50-500 nm）→进一步形成胶原纤维束（图2）。这一层级结构赋予胶原纤维高达60-900 MPa的模量和70-400 MPa的强度。弹性纤维由无定形弹性蛋白和微纤维组成，主要提供回弹性，赋予组织在变形后恢复原始形状的能力，这对血管、肺和心脏瓣膜等反复变形的组织至关重要。糖胺聚糖和蛋白聚糖带有高密度负电荷，具有强亲水性，可结合大量水分形成水合凝胶状基质，使组织能够抵抗压缩，同时充当润滑剂并提供营养交换通道。

图2. 软组织微观结构。(A)牛心包(BP)是一种胶原软组织，取自牛心脏。(B)牛心包照片。多光子显微镜图像展示了(C)胶原纤维网络和(D)弹性蛋白纤维网络的独特构型。(E)细胞外基质示意图，胶原纤维嵌入由弹性蛋白和蛋白聚糖构成的基质中。(F)胶原纤维的多层级结构。

【软组织的结构-功能关系】

  不同软组织根据功能需求演化出独特的结构设计：皮肤真皮层具有致密、非对齐的胶原纤维网络，纤维高度卷曲且相互交织，通过纤维重定向抵抗来自不同方向的撕裂（图3）。心脏瓣膜具有三层结构：纤维层（富含密集、周向排列的胶原纤维，提供高强度）、海绵层（富含蛋白聚糖和糖胺聚糖的水合基质，提供缓冲作用）、心室层（富含弹性蛋白，使瓣膜恢复原始形状），三层协同赋予瓣膜优异的柔韧性与抗疲劳性。主动脉壁由内到外依次为内膜、中膜和外膜。内膜由内皮细胞组成，主要调节生理屏障；中膜富含弹性蛋白，通过弹性变形将脉动血流转化为平稳流动；外膜富含胶原纤维，在血压异常升高时防止血管过度扩张或破裂。关节软骨的细胞外基质富含蛋白聚糖（充当分子海绵），可捕获大量水分用于缓冲，并由胶原纤维增强提供强度。肌腱的胶原纤维高度定向排列，沿轴向提供高强度，能承受数百万次拉伸循环而无疲劳断裂。椎间盘纤维环具有15-25层同心片层结构，每层内胶原纤维高度定向，但相邻层纤维方向交替，这种结构使其能同时抵抗压缩、扭转和弯曲。

图3.软组织的结构示意图与显微图像。(A)皮肤；(B)心脏瓣膜；(C)主动脉壁；(D)关节软骨；(E)肌腱；(F)纤维环。

【软组织结构表征方法】

  为深入理解软组织的结构-性能关系，研究人员发展了多种表征技术。小角光散射（SALS）通过分析激光穿过软组织后的二维散射图案，获取组织内部微米尺度的纤维取向信息。若散射图案为圆形，则纤维在组织中随机取向；若为椭圆形，则纤维具有主导方向。小角X射线散射（SAXS）利用短波长X射线探测软组织内部纳米尺度结构，其测试装置比SALS更复杂，包括X射线源、样品台和二维X射线探测器，该方法常用于检测软组织中原纤维内的特征D-周期（约67 nm）。二次谐波（SHG）显微镜利用非中心对称材料的双光子相互作用效应，对胶原纤维微结构进行高度特异性成像，由于使用近红外光，SHG具有较大的组织穿透深度，可对厚达数百微米的组织实现深层、高分辨率成像。双光子激发荧光（TPEF）可成像弹性蛋白纤维，其原理是荧光分子吸收两个低能光子完成能级跃迁，随后发射荧光。SHG与TPEF常集成于同一多光子显微镜（MPM）中，由激发源同时从胶原纤维产生SHG信号，从弹性纤维激发TPEF信号，实现胶原纤维和弹性纤维的同时成像（图4）。

图4. 软组织结构表征方法。(A)小角光散射(SALS)装置示意图。(B)软组织胶原样品中的代表性SALS散射图样。(C)小角X射线散射(SAXS)装置示意图。(D)软组织胶原样品中的代表性二维SAXS散射图样。(E)二次谐波(SHG)信号的产生原理。(F)双光子激发荧光(TPEF)信号产生原理。(G)多模态多光子显微镜(MPM)示意图，说明SHG和TPEF信号的同时产生与检测。(H)软组织的代表性MPM图像，其中胶原纤维网络由SHG信号显示，弹性蛋白纤维由TPEF信号显示。

【软组织变形行为】

  单轴拉伸下，生物软组织多呈现J形应力-拉伸比曲线（图5）。拉伸比较小时，载荷主要由基质承担，胶原纤维处于卷曲状态，此阶段称为趾区(toe region)；随着拉伸比增加，卷曲胶原纤维逐渐解卷曲，刚度增大，此阶段称为跟区(heel region)；拉伸比较大时，几乎所有胶原纤维被拉直，组织变得非常硬。J形曲线形状因软组织不同而异，取决于其特定微结构。对于同一组织，不同加载方向的应力-伸长曲线呈现各向异性，因为胶原纤维在组织内可能具有优先取向。

图5. 软组织的变形响应。(A) J形应力-拉伸比曲线示意图。(B)不同软组织在单轴拉伸试验中的J形曲线：髌腱^[126]、皮肤^[23]、牛心包(BP)^[21]和主动脉壁^[127]。(C)牛心包的三种各向异性样品。(D)牛心包的各向异性应力-拉伸比曲线。

【软组织断裂行为与增韧机制】

  软组织卓越的断裂韧性源于其复杂的增韧机制（图6）。首先，软组织可通过应力分散抵抗裂纹扩展。例如，当带裂纹的皮肤被拉伸时，裂纹尖端不会立即扩展，而是张开、钝化并变形为椭圆形，有效分散裂尖应力。其次，拉伸预切牛心包膜时，裂尖位置的胶原纤维会发生解卷曲并沿拉伸方向重排，软基质会将胶原纤维中的高张力长距离传递，分散裂尖高应力；当裂纹发生扩展时胶原纤维会从裂纹表面逐渐拔出，形成可见的桥接区，阻止裂纹进一步张开并抵抗扩展。除纤维桥连机制外，软胶原膜还可通过水分运动经历显著体积收缩，进而影响软组织断裂韧性。软组织还具有显著的缺陷不敏感性，通过断裂-内聚长度定量评估。断裂-内聚长度代表裂尖能量耗散区的特征尺寸，断裂-内聚长度越大，材料缺陷不敏感性越高。软组织的断裂-内聚长度可达数厘米，比大多数合成软材料高一个数量级。这意味着即使存在针孔等缺陷，软组织也不会发生灾难性裂纹扩展。

图6. 软组织的增韧机制。(A)胶原纤维的重排诱导裂纹钝化，重新分布局部应力集中。(B)高张力沿胶原纤维传递以分散应力，形成桥接区以抵抗裂纹扩展。(C)纤维拔出试验用于测量牛心包的牵引-分离曲线，胶原纤维的拔出长度可达10 mm。(D)水的运动导致胶原纤维形成局部增强结构，有效阻止裂纹扩展。

表1. 各种软组织的断裂韧性

【软组织断裂的数值模拟】

  为描述软组织的复杂微结构和断裂过程，研究人员开发了从分子到宏观尺度的多种数值模型。代表性模型包括内聚力模型(CZM)、扩展有限元法(XFEM)和相场法(PFM)。内聚力模型使用牵引-分离定律描述渐进失效，通过沿潜在裂纹路径嵌入内聚力单元实现。当内聚力单元内应力状态满足特定损伤起始准则时，损伤开始，随后单元刚度逐渐退化，裂纹扩展时完全失效。扩展有限元法无需预设裂纹路径，裂纹扩展方向由扩展准则控制，如最大主应力准则和最大能量释放率准则。目前已用于评估压力驱动动脉夹层和冠状动脉自发性夹层等高风险临床事件。相场法使用连续相场变量描述材料状态，在模拟裂纹分叉、裂纹合并等复杂断裂模式方面优势显著，已成功用于模拟动脉断裂、主动脉夹层和小肠壁断裂（图7）。

图7. 软组织断裂的数值建模。(A)原纤维的断裂模式由两个关键分子长度尺度控制：断裂尺度x_R和滑移尺度x_S。(B)内聚区模型用于模拟软组织的缝线保持性能。(C)扩展有限元法用于探索自发性冠状动脉夹层与动脉粥样硬化的关系。(D)相场法用于模拟小肠壁的断裂。

【软组织疲劳行为与微观机制】

  软组织抗疲劳性能的实验表征方法分为两大类：第一类是对完整样品施加循环载荷评估疲劳损伤；第二类是量化预切口样品的疲劳裂纹扩展。疲劳损伤方面，研究发现疲劳会在组织中引起渐进性损伤，在胶原纤维束间形成空化。宏观疲劳损伤与胶原纤维微结构相关。胶原纤维的卷曲结构对组织承受反复压缩弯曲至关重要。同时，胶原组织的疲劳损伤伴随多尺度的微观结构变化。在纤维和原纤维尺度，循环加载可诱导胶原纤维解卷曲、重定向、原纤维间滑动和原纤维组织局部破坏。疲劳裂纹扩展方面，不同软组织的疲劳阈值差异巨大，反映其不同生物功能。以牛心包为例，其表现出非凡的抗疲劳裂纹扩展能力，疲劳阈值高达4.3 kJ/m2。这一结果源于牛心包组织精妙的微结构：拉伸时软基质允许张力沿胶原纤维长距离传递，裂尖应力被分散，从而增加抵抗疲劳裂纹扩展的能力（图8）。疲劳损伤建模方面，研究人员发展了疲劳损伤模型；提出了引入应力软化参数和永久变形参数的唯象模型；以及将微观结构演化（纤维分散度、纤维刚度、残余变形）纳入疲劳损伤模型。

图8.软组织的疲劳裂纹扩展。(A)裂纹扩展到纤维蛋白凝块的软区。(B)在高能量释放率下，疲劳裂纹在牛心包中扩展，偏振光显微照片可观察到被拔出的胶原束。(C)牛心包具有高疲劳耐久极限。

【软组织疲劳损伤模型】

  疲劳损伤具有累积性，通常在数百万次循环中逐步演化，导致刚度、强度和断裂能等力学性能持续下降，这种非线性的演化过程对损伤模型构建造成较大困难。早期的各向异性损伤模型将软组织视为纤维增强复合材料，将总应变能分解为纤维贡献和基质贡献，疲劳损伤也分解为纤维损伤和基质损伤。研究人员引入应力软化参数和永久变形参数，将应变能分解为未疲劳部分的弹性能和与永久变形相关的耗散能，提出了能模拟长期疲劳的唯象模型。该模型最初假设损伤在总疲劳寿命中呈线性分布，即每个循环造成相等的微小损伤，从而预测数百万次循环后的应力软化程度和残余应变。此外，提出了基于微观结构演化的疲劳损伤唯象模型，利用原位表征技术，量化纤维分散参数随循环次数N的演化规律，将微观结构演化（纤维分散度、纤维刚度、残余变形）纳入疲劳损伤模型，不仅准确预测了20万次循环内的应力-应变响应，还表现出良好的外推能力（用40万次循环数据标定后可预测100万次循环）。通过分子探针技术，在循环加载中实时标记损伤位点，证实宏观损伤由微观胶原分子的累积解折叠驱动，且分子层面的损伤从疲劳早期即开始累积，与蠕变应变呈强相关性（图9）。

图9. 软材料疲劳损伤的多尺度建模。(A)牛心包在单轴循环加载下疲劳响应的唯象模型。(B)基于微观结构演化的疲劳损伤模型。(C)宏观损伤由微观胶原分子的累积解卷曲造成。

【软组织病理性退化】

  软组织失效不仅由被动机械载荷引起疲劳损伤，而且也包含一种主动病理性退化过程。软组织病理性退化是涉及钙化、基质降解、粘弹性改变、纤维化和疲劳损伤的广泛力化学过程。钙化是钙化矿物发生沉积，进而对软组织产生损伤的过程，例如，动脉钙化使动脉僵硬，破坏其弹性缓冲功能，增加心脏后负荷，长期可导致心室肥厚并进展为充血性心力衰竭。关节软骨钙化使软骨僵硬变脆，应力集中于矿物位置形成微裂纹，破坏软骨表面。钙化在生物瓣膜中往往更加严重，通常会发生结构性瓣膜退化。由于生物瓣膜需经戊二醛化学固定来降低免疫原性，防止严重免疫排斥和瓣膜降解。而组织残留细胞成分中富含磷脂，可作为磷酸钙晶体成核位点，同时未反应的游离醛基可通过结合钙离子或吸引带负电的磷酸复合物促进矿物沉积。此外，疲劳损伤是钙化关键驱动力，钙化优先在高压应力区域起始和发展（图10）。除钙化外，软组织还可通过基质耗竭、脱水和纤维化等方式退化，影响其断裂和抗疲劳性能。另外，辐射诱导损伤也可致组织发生慢性溃疡、纤维化、弹性丧失、细胞外基质重塑和基质刚度增加，损害皮肤变形、耗散能量和抵抗循环载荷下断裂的能力。

图10. 软组织的病理性退化。(A)胶原纤维钙化示意图。(B)健康猪主动脉样品的光学照片和多光子显微镜图像。(C)中动脉钙化的三维计算机断层扫描(CT)重建图像，以及Movat五色染色的冠状动脉切片组织学图像。(D)对照培养基(COM)和钙化培养基(CAM)处理后的典型应力-拉伸比曲线。(E)未钙化软骨细胞与钙化软骨细胞的数字接触放射显影图像和茜素红染色图像。(F)肋软骨钙化前后的应力-应变曲线。(G)正常主动脉瓣与重度钙化性主动脉瓣狭窄的主动脉瓣照片。(H)牛心包矿化前后的扫描电子显微镜图像。(I)不同矿化时间下牛心包的应力-拉伸比曲线。

  总而言之，生物软组织卓越的断裂韧性和疲劳性能来源于其从分子到宏观尺度的多层级结构，引发一系列能量耗散，从而实现软组织的增韧与抗疲劳。另外，软组织失效不仅由疲劳加载引起，还涉及复杂的病理生理过程。其中组织钙化是导致力学性能退化的重要因素，力学损伤与病理性钙化相互加速，仍是导致组织失效的关键诱因。该综述系统整理了软组织的结构与功能、变形行为与本构模型、断裂行为和增韧机制、疲劳机理、损伤模型和数值模拟，以及软组织病理性退化等方面的研究，并指出现有研究的不足与未来发展方向；有助于深化软组织断裂与疲劳失效机理的理解，也为仿生材料、人工组织设计提供重要支撑。

  原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431626000714