《Polymer》：Effect of Different Cyclic Loading Strains on the Mechanical Behavior of Strong Poly (L-lactic acid) Monofilaments for Ligament Repair
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可降解人工韧带材料研究显示，通过固态拉伸制备的取向PLLA单丝具有550 MPa高强度和9 GPa高模量，其循环载荷下的疲劳损伤机制与能量耗散、微结构演变（如结晶片层滑移和链段松弛）密切相关。通过梯度应变幅值测试发现，弹性区循环稳定性优异，应力硬化区非线性塑性变形区随应变幅值增大而消失，为韧带材料寿命预测和可靠性设计提供理论依据。
作者：Jie Cheng、Peifeng Jiao、Bin Wang、Jinbo Liu、Gensheng Wu、Yuan Tian、Zhonghua Ni、Gutian Zhao
单位：东南大学机械工程学院，江苏省精密医疗设备设计与制造重点实验室，南京 211189，中国
摘要
开发高性能可降解纤维以辅助韧带再生是运动医学修复领域的一个重要研究方向。然而，现有材料在实际应用中经常面临循环载荷条件下机械性能下降的挑战，这严重限制了它们的临床应用。本文通过取向成型工艺制备了定向聚(L-乳酸)（PLLA）单丝，以解决韧带修复过程中可靠性不足的问题。PLLA单丝表现出较高的断裂强度（约550 MPa）和较高的模量（约9 GPA），并通过模拟服役条件的循环载荷实验对其机械性能进行了系统评估。通过结合单轴拉伸、能量耗散分析和形态表征，揭示了不同应变水平下的疲劳损伤机制。研究结果表明，高应变循环载荷可能导致非晶区域的分子链伸长和晶体层片的滑移。此外，在应力硬化区的循环作用会消除非线性塑性变形区。观察表明，不同区域的机械行为和结构转变涉及链松弛和层片滑移的过程。本研究从能量和微观结构演变的角度定量阐述了循环应变与机械响应之间的耦合机制。这些发现为可降解人工韧带的服役寿命预测和可靠性设计提供了实验参考和依据。
引言
随着运动参与度的增加、职业身体需求的提高以及人口老龄化，韧带和肌腱损伤已成为运动医学中最常见的软组织损伤之一[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些组织在人体运动过程中承受着高幅度的循环拉伸载荷，因此需要满足严格机械和生物学要求的修复材料。这类材料必须在术后早期提供足够的静态强度和抗疲劳性，以维持关节稳定性，并在组织再生后进行可控降解，从而避免二次手术的需要。
前交叉韧带（ACL）损伤是这一领域中最常见的临床问题之一（图1a）。目前的重建方法主要包括自体移植、异体移植和人工韧带[7]、[8]、[9]。尽管自体移植被视为金标准，但其使用常常伴随供体部位并发症，如持续疼痛和肌肉无力。异体移植虽然避免了供体部位的并发症，但存在疾病传播、免疫排斥和感染的风险。相比之下，合成韧带具有来源可控、手术时间短和无需供体部位损伤等优点，近年来引起了广泛的研究兴趣[2]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，现有的可降解合成韧带材料在循环载荷条件下往往表现出机械可靠性不足，性能下降是一个限制其临床应用的重大挑战。
理想的合成韧带材料必须在生物功能性和机械完整性之间取得平衡。为了提高生物活性，研究人员通常加入生物活性添加剂，如生物玻璃、羟基磷灰石（HAP）和β-三钙磷酸盐（TCP），这些成分有助于骨骼整合并促进细胞黏附[14]、[15]、[16]、[17]。表面改性技术也被广泛用于增强功能。例如，通过溶胶-凝胶法制备的TiO2涂层可以促进骨骼结合，电化学沉积（ELD）可以制备磷酸钙/胶原蛋白复合涂层，静电纺丝技术可以制造负载生长因子或药物的纳米纤维膜，以调节生物反应[18]、[19]。从机械性能来看，具有高杨氏模量和适度延展性的材料有助于提高移植体与宿主骨骼之间的机械兼容性[20]、[21]。此外，构建三维互连多孔结构对于促进细胞迁移和组织生长至关重要。常见的制造方法包括二维和三维纺织技术[15]、[22]、[23]、[24]。由于技术成熟度和高效性，二维纺织制造已成为人工韧带的主要制造技术，例如LARS人工韧带等商业产品。通过调整编织角度、纤维层数和单丝直径等参数，可以精确调节韧带的机械性能[25]、[26]、[27]、[28]。尽管通过这些功能化策略取得了显著进展，但材料基体的固有属性仍然是整体性能的关键。近年来，由于可降解材料（如丝素、聚（乳酸-羟基乙酸）（PLGA）、聚(L-乳酸）（PLLA）和聚己内酯（PCL））在体内逐渐降解的能力，它们受到了广泛关注，从而减少了二次手术的需求[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。尽管可降解聚合物具有潜力，但许多材料仍存在初始机械强度不足和循环载荷条件下性能不佳的问题，这使得它们不适合用于要求严格的韧带修复应用。因此，开发具有高强度、韧性、抗疲劳性和良好生物相容性的可降解纤维材料仍是运动医学和组织工程领域的重要挑战。
PLLA因其优异的生物相容性和可调的机械性能，在植入式医疗设备中展现出巨大潜力[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。最近加工技术的进步，如熔融挤出结合固态拉伸，使得高性能PLLA单丝的制备成为可能。例如，赵等人报道了拉伸强度超过500 MPa、模量达到9 GPa的定向PLLA单丝[39]。其多层同轴结构中微/纳米纤维的逐步形成显著提高了弹性模量和韧性，为承重生物医学应用奠定了基础。这些高强度、高韧性的PLLA纤维有望作为ACL修复中的临时固定装置，在术后早期分担机械负荷。
然而，生理环境中的韧带会长期承受动态循环应力，应变幅度随运动强度而变化，这对材料的疲劳性能和损伤演变机制提出了严格要求。先前的研究将聚合物的拉伸变形行为分为四个特征阶段：弹性阶段、屈服阶段、平台阶段和硬化阶段，并将这些阶段与层片滑移、纤维化和再结晶等微观结构演变过程联系起来，从而建立了理解材料损伤的理论框架[40]、[41]、[42]、[43]。然而，高强度、高韧性PLLA纤维在循环载荷下的微观结构演变与宏观机械降解之间的定量关系仍不甚明确。这一知识空白阻碍了这些材料从实验室开发到临床应用的转化。
为了满足运动医学修复的临床需求，本研究探讨了高性能PLLA单丝在循环载荷下的应变响应行为，评估其适用于韧带修复的应用。根据应变-应力曲线的观察（图1(b)），变形被分为弹性区和塑性区。第一阶段是线性弹性区；屈服后的应变-应力曲线表现出非线性特征，而应力硬化阶段的机械响应接近线性。因此，我们将第二阶段称为非线性塑性区，第三阶段称为线性塑性区，以便更好地描述机械响应行为。这种分类框架有助于系统研究不同应变水平对PLLA单丝循环机械性能的影响。通过采用梯度应变幅度的循环载荷测试，分析了关键机械参数，包括弹性模量（E）、硬化模量（Eh）和韧性（T），以模拟实际服役环境中人工韧带所遇到的应力条件。此外，还应用了多尺度表征技术来阐明不同应变阶段的疲劳响应、分子链取向演变和微观损伤机制。如图1(c)所示，直径为0.17 mm的定向PLLA单丝在弹性区内经历了1000次载荷循环（应变=2%），循环后的应变-应力曲线变化很小，表明其在低应变循环载荷下的机械稳定性优异。如图1(d)所示，四根PLLA单丝能够举起一个5升的水桶，显示出其卓越的强度和韧性，为后续的循环可靠性研究提供了材料基础。通过将多尺度机械表征与精心设计的应变路径相结合，本研究旨在将PLLA单丝的微观结构演变与宏观性能退化联系起来，从而为优化性能和预测可降解韧带材料的服役寿命提供理论基础。
PLLA颗粒（RESOMER? L210S）由Evonik Industries（德国埃森）提供。收到的PLLA使用单螺杆挤出机（HIGHRICHJA EXTRUSION，HRJSJ-Φ20）进行熔化，熔区温度保持在180 °C至240 °C之间，制备出初始直径约为0.6 mm的挤出单丝。为了提高其机械性能，随后将挤出单丝加热至100-150 °C（高于玻璃化转变温度）进行固态拉伸。
图2(a)定义了从应变-应力响应中得到的关键能量指标。总变形能量（Wex）计算为载荷曲线下的面积。弹性能量（Wel）对应于卸载曲线下的面积。滞后能量（Uhys）定义为Wex与Wel之间的差值，即滞后环所包围的面积[45]。为了研究能量耗散和微观损伤的演变，进行了循环测试。
本研究表明，在弹性区内循环对定向PLLA单丝的机械损伤可以忽略不计。随着εmax的增加，非线性塑性区的面积逐渐减小；而在应力硬化区内循环时，非线性塑性区的面积几乎消失，表明从非线性塑性变形行为转变为线性弹性变形行为。
Gensheng Wu：撰写、审稿与编辑。
Jinbo Liu：方法学研究。
Bin Wang：方法学研究、数据管理。
Peifeng Jiao：撰写、初稿撰写、验证、方法学研究、实验设计。
Jie Cheng：撰写、初稿撰写、可视化处理、方法学研究、实验设计、数据分析。
Gutian Zhao：撰写、审稿与编辑、验证、资源协调、概念构思。
Zhonghua Ni：验证、资源管理。
Yuan Tian：方法学研究。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究得到了江苏省前沿技术研发计划（BF2024037）以及苏州纳米技术与生物医学研究所与江苏省医院的联合开放研究基金（E4551503）的支持。
