醫用生物材料抗疲勞測試：前沿進展與力學性能評估策略

醫用生物材料抗疲勞測試：前沿進展與力學性能評估策略

循環拉伸疲勞測試：這是最常見的一種疲勞測試。通過萬能材料試驗機或動態機械分析儀，對樣品進行數萬次甚至數百萬次的反復拉伸與回零。它廣泛應用于評估軟組織修復支架、可拉伸導電纖維、水凝膠粘合劑等材料的耐久性。例如，在有機水凝膠復合纖維的研究中，科學家會在200%的應變下對其進行上萬次循環加載，以驗證其在可穿戴設備中的應用潛力。

循環壓縮疲勞測試：該方法對樣品施加反復的壓縮載荷，常用于模擬體內骨骼或軟骨所處的力學環境。它對于骨水泥、骨填充材料、椎間融合器以及管狀組織工程支架至關重要。例如，在木質素基水凝膠管狀支架的研究中，會進行數百次的循環壓縮，以檢驗其在體液壓力下是否能夠保持結構的完整性而不發生坍塌。

動態彎曲/保持力疲勞測試：這種方法模擬的是材料在反復彎曲或卡扣狀態下的力學行為。它專門用于測試牙科卡環、可拆卸植入體連接件等部件。例如，針對PEEK牙科卡環的研究，會在疲勞試驗機上模擬長達7200次的摘戴循環，精確測量其保持力的衰減和形變量，以判斷其長期使用效果。

超高周疲勞測試：對于某些要求的植入物（如人工心臟瓣膜），其設計壽命需要承受數億次的心跳搏動。這就需要使用專門的加速疲勞測試系統，在實驗室環境下完成數百萬至數千萬次的循環測試。仿生心臟瓣膜水凝膠的研究便通過了超過2500萬次的脈沖測試，以證明其超長的疲勞壽命。

180°剝離測試：這是測量粘附強度的經典方法。將粘附在組織或模擬基底上的材料以180度的角度剝離，通過測得的力計算其剝離強度和粘附能。這個指標反映了粘合劑在靜態條件下的最大粘附能力。例如，納米晶須膠通過此測試展現了高達1185 J m?2的超高粘附能。

界面疲勞閾值測量：這是量化抗疲勞性能最關鍵的測試之一。它通過90°或180°的循環剝離來實現。測試的不是一次性拉脫的力，而是找到在循環加載下，界面裂紋不再擴展時的臨界能量釋放率。這個閾值越高，說明粘合劑在動態、潮濕的生理環境中抵抗開裂和脫落的能力越強。前述的納米晶須膠就擁有了382 J m?2的高界面疲勞閾值。

基礎與微觀力學性能測試

這些測試為理解材料的疲勞性能提供基礎數據和微觀機理。

基礎力學性能測試：

單軸拉伸/壓縮測試：用于獲取材料的基本參數，如楊氏模量（剛度）、拉伸/壓縮強度和斷裂伸長率。這是理解任何材料力學行為的起點。

蠕變與應力松弛測試：用于研究材料的粘彈性。蠕變測試在恒定應力下觀察應變隨時間如何增加；應力松弛測試則在恒定應變下觀察應力如何衰減。這對于預測材料在長期載荷下的尺寸穩定性至關重要。

微觀力學測試：

原子力顯微鏡納米壓痕：使用微小的探針在納米尺度上測量材料的局部硬度和模量。這有助于科學家理解水凝膠等材料的網絡結構不均勻性，并將其與宏觀的抗疲勞性能聯系起來，從而指導材料的微觀設計。

總而言之，這些測試方法構成了一個從靜態到動態、從宏觀到微觀、從本體到界面的完整評估體系，共同確保了醫用生物材料在真實生理環境中的安全性與有效性。