心脏瓣膜在人的一生中跳动约30亿次，是人体内最抗疲劳的生物组织之一。当其发生病变或受损时，需要人造假体进行替换。然而，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，寿命仅为百万次，难以媲美生物瓣上亿次的疲劳寿命。因此，亟需探究心脏瓣膜组织的抗疲劳机理，指导抗疲劳软材料的开发。
近日，西安交通大学唐敬达副教授联合美国哈佛大学锁志刚院士、西京医院心外科杨剑教授以及上海纽脉医疗科技公司的虞奇峰博士等人聚焦于经导管瓣膜通用的生物瓣叶材料-牛的心脏包膜。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机制，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 Advances》上。
经导管假体心脏瓣膜使心脏瓣膜的微创置换手术成为可能（图 1），这种人造心脏瓣膜的瓣叶通常采用一种从牛心脏表面提取的胶原性生物软组织—牛心包膜（BP）制成（图 1，A 和 B）。在这种心脏瓣膜假体的制作中，会将BP膜裁切成瓣叶的形状，通过手术缝线缝合到可膨胀的金属支架上（图 1C 和 D）。植入过程中，假体心脏瓣膜会被压握进纤细的导管，经导丝引导，通过股动脉或心尖输送到受损瓣膜的部位（图 1E），之后假体瓣膜展开，并在血流冲刷下被动开合。当瓣叶开合时，很多聚合物瓣叶会因缝合孔处的疲劳裂纹扩展而快速失效。然而尽管存在缝孔，BP瓣叶可以维持至少 4 亿次（约 10 年寿命）的循环而无疲劳裂纹扩展，这种对缺陷不敏感的抗疲劳性能是合成瓣叶无法比拟的。
首先，研究人员使用SEM和TEM对心脏瓣膜组织的微观结构进行观测表征。TEM观测表明胶原原纤维的直径约为 100 nm（图 2B），SEM观测表明单根胶原纤维由很多原纤维平行排列成束构成（图 2C），直径约为 30 μm。在微观水平上（~10 μm）, 卷曲的胶原纤维（图 2D）形成网络，其中嵌入软基质（图 2E）。
揭示了心脏瓣膜组织的抗疲劳机理，建立了理论模型预测了裂纹敏感尺寸（图3）：不同于人造软材料的均质结构，生物软材料具有胶原纤维与纤维间基质构成的微观复合结构。纤维间基质通过剪切变形横向传递载荷，基质模量远低于胶原纤维的模量，使胶原纤维内部的应力分散到较大的尺度；应力的长程传递降低了裂纹尖端的应力集中程度，增加了裂纹扩展时纤维断裂释放的能量，从而提升生物软材料的抗疲劳性能。
随后，研究人员通过预置裂纹的试样来观察心脏瓣膜组织的断裂行为。通过偏振光显微镜可以观测到桥联区内部有胶原纤维被拔出, 这些胶原纤维的拔出能够耗散大量的能量（图4A-C）。随着裂纹扩展，裂尖桥联区的尺寸不断增大，导致断裂韧性不断增加，反映为一条上升的R-曲线（图 4D）。使用数字图像相关（DIC）技术对BP裂纹前端的应变场进行了可视化（图 4E），并将热塑性聚氨酯橡胶（TPU）作为对照。可以看到，TPU薄膜裂纹前端的应变场在裂纹尖端剧烈地集中，而心脏瓣膜组织裂纹前端的应变场基本上保持均匀（图 4F）。
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5）。其中，纵坐标为材料的疲劳门槛值Gth，经测定，心脏瓣膜组织的疲劳门槛值约为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，心脏瓣膜组织的耐受功约为0.17M J/m3。两种材料属性的比值具有长度的量纲，视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。
通过将心脏瓣膜组织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，心脏瓣膜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，相差上百倍。
研究人员进一步展示了心脏瓣膜组织的疲劳裂纹不敏感性在经导管假体心脏瓣膜中的重要性。按照标准制作流程，使用牛心包膜（BP）和聚氨酯橡胶（TPU）作为瓣叶，制作了多个经导管假体瓣膜，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 6A 和B），生物组织瓣叶在2亿次反复开合后依然保持完整（图 6C），而聚合物瓣叶在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 6D）。两种瓣叶疲劳寿命的巨大差异可以由疲劳裂纹敏感尺寸进行解释：在制备和植入的过程中，假体瓣膜的瓣叶上会引入大的缺陷，例如直径约150 μm的缝孔。缝孔的大小与 TPU 的疲劳裂纹敏感尺寸 (~100μm) 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 的疲劳裂纹敏感尺寸为~1 cm，因此 BP 瓣叶保持完整。
总结：揭示了心脏瓣膜组织的疲劳断裂机理，系统研究了其疲劳断裂行为，发现心脏瓣膜组织疲劳阈值与疲劳裂纹敏感尺寸均比人造软材料高出百倍，建立了其疲劳性能与微观结构的内在联系。生物软材料瓣膜的疲劳寿命高达两亿次，而人造软材料瓣膜仅为百万次，印证了微观复合结构对于生物软材料抗疲劳性能的决定作用。
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。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade7375
