医用生物材料抗疲劳测试：前沿进展与力学性能评估策略

医用生物材料抗疲劳测试：前沿进展与力学性能评估策略

循环拉伸疲劳测试：这是最常见的一种疲劳测试。通过万能材料试验机或动态机械分析仪，对样品进行数万次甚至数百万次的反复拉伸与回零。它广泛应用于评估软组织修复支架、可拉伸导电纤维、水凝胶粘合剂等材料的耐久性。例如，在有机水凝胶复合纤维的研究中，科学家会在200%的应变下对其进行上万次循环加载，以验证其在可穿戴设备中的应用潜力。

循环压缩疲劳测试：该方法对样品施加反复的压缩载荷，常用于模拟体内骨骼或软骨所处的力学环境。它对于骨水泥、骨填充材料、椎间融合器以及管状组织工程支架至关重要。例如，在木质素基水凝胶管状支架的研究中，会进行数百次的循环压缩，以检验其在体液压力下是否能够保持结构的完整性而不发生坍塌。

动态弯曲/保持力疲劳测试：这种方法模拟的是材料在反复弯曲或卡扣状态下的力学行为。它专门用于测试牙科卡环、可拆卸植入体连接件等部件。例如，针对PEEK牙科卡环的研究，会在疲劳试验机上模拟长达7200次的摘戴循环，精确测量其保持力的衰减和形变量，以判断其长期使用效果。

超高周疲劳测试：对于某些要求的植入物（如人工心脏瓣膜），其设计寿命需要承受数亿次的心跳搏动。这就需要使用专门的加速疲劳测试系统，在实验室环境下完成数百万至数千万次的循环测试。仿生心脏瓣膜水凝胶的研究便通过了超过2500万次的脉冲测试，以证明其超长的疲劳寿命。

180°剥离测试：这是测量粘附强度的经典方法。将粘附在组织或模拟基底上的材料以180度的角度剥离，通过测得的力计算其剥离强度和粘附能。这个指标反映了粘合剂在静态条件下的最大粘附能力。例如，纳米晶须胶通过此测试展现了高达1185 J m⁻²的超高粘附能。

界面疲劳阈值测量：这是量化抗疲劳性能最关键的测试之一。它通过90°或180°的循环剥离来实现。测试的不是一次性拉脱的力，而是找到在循环加载下，界面裂纹不再扩展时的临界能量释放率。这个阈值越高，说明粘合剂在动态、潮湿的生理环境中抵抗开裂和脱落的能力越强。前述的纳米晶须胶就拥有了382 J m⁻²的高界面疲劳阈值。

基础与微观力学性能测试

这些测试为理解材料的疲劳性能提供基础数据和微观机理。

基础力学性能测试：

单轴拉伸/压缩测试：用于获取材料的基本参数，如杨氏模量（刚度）、拉伸/压缩强度和断裂伸长率。这是理解任何材料力学行为的起点。

蠕变与应力松弛测试：用于研究材料的粘弹性。蠕变测试在恒定应力下观察应变随时间如何增加；应力松弛测试则在恒定应变下观察应力如何衰减。这对于预测材料在长期载荷下的尺寸稳定性至关重要。

微观力学测试：

原子力显微镜纳米压痕：使用微小的探针在纳米尺度上测量材料的局部硬度和模量。这有助于科学家理解水凝胶等材料的网络结构不均匀性，并将其与宏观的抗疲劳性能联系起来，从而指导材料的微观设计。

总而言之，这些测试方法构成了一个从静态到动态、从宏观到微观、从本体到界面的完整评估体系，共同确保了医用生物材料在真实生理环境中的安全性与有效性。