Search近日，浙江大学基础交叉研究院生物制造交叉研究中心/交叉原创板块、化学工程与生物工程学院柏浩教授团队在Advanced Materials发表题为“Compliance for Resistance: The Intrinsic Extraordinary Isotropic Anti-Fatigue Performance of Fish Bladder”的研究论文。
软材料在生物医用植入物、软体机器人等领域具有重要应用，但在长期循环载荷下容易出现损伤累积、裂纹扩展甚至突然失效。现有抗疲劳设计多依赖刚性增强或定向结构，虽能抑制裂纹生长，却难以兼顾柔软性和各向同性，且循环抗裂能力与断裂韧性之间存在明显差距。天然鱼鳔在反复充放气过程中长期承受多轴循环应力，为探索各向同性抗疲劳提供了天然模型。
研究团队以白鲢鱼鳔为对象开展体外循环对比实验，鱼鳔经10000次充放气后形貌仍完整，乳胶气球约850次即失效。厚约200 μm的鳔壁由微米级纤维层堆叠，每层密布直径约40 nm的弯曲胶原纤维，相邻层逐层转向、近似旋转对称，使载荷分散。在各向同性循环加载中，鱼鳔约480万次内保持稳定，至980万次才失效；预制1 cm裂口后，两方向断裂应变仍达完整样品的95%以上。当能量释放率低于6000 J·m⁻²时，两方向裂纹经30000次循环均未明显扩展，疲劳阈值分别约6490和6160 J·m⁻²，接近断裂韧性。鱼鳔具有优异的各向同性抗疲劳性能，通过弯曲的胶原纤维伸直转动、纤维及层间牺牲键可逆解离与重建及纤维层重新取向与界面滑移，使能量在更大范围和多个结构层级中持续耗散，减少裂纹尖端的应力集中，形成“以柔克刚”的抗疲劳机制。研究团队将其进一步应用于复合水凝胶设计，制备出聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（PSBMA）-鱼鳔复合水凝胶，其疲劳阈值可达3020 J·m⁻²，且具有良好的抗矿化能力。该项研究揭示了天然鱼鳔“以柔克刚”的各向同性抗疲劳机制，为构建兼具柔软性、可靠性和功能性的软材料设计提供了新的思路。
鱼鳔的各向同性抗疲劳性能与多尺度纤维微观结构
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74196
