浙江大学柏浩教授课题组从银鲤的鱼鳔中找到了破局的钥匙。他们发现，这种天然软组织展现出惊人的各向同性抗疲劳性能，其疲劳阈值高达约6000 J·m⁻²，几乎与其断裂韧性持平，彻底弥合了合成材料中长期存在的性能差距。这一非凡特性源于一种被称为“以顺从换抵抗”（compliance for resistance）的机制，它并非依靠刚性抵抗，而是通过多级纤维结构在循环载荷下的动态重构来耗散能量，实现了通过结构顺从性而非刚度来达成抗疲劳。更令人瞩目的是，鱼鳔在循环压痕测试中能承受近1000万次循环，且其失效过程是渐进的而非突然的。基于此原理设计的生物杂化水凝胶，不仅继承了卓越的抗疲劳性，还兼具强大的防污能力，为工程化耐用软材料提供了全新思路。相关论文以“Compliance for Resistance: The Intrinsic Extraordinary Isotropic Anti-Fatigue Performance of Fish Bladder”为题，发表在Advanced Materials上。

研究首先通过直观的实验展示了鱼鳔的耐久性。在模拟其自然生理状态的体外循环充放气测试中，鱼鳔在经历10,000次多轴拉伸循环后，形态几乎没有退化（图1a, b）。相比之下，普通乳胶气球在约850次循环后便出现广泛裂纹并彻底失效（图1c），凸显了鱼鳔结构的优越性。这种卓越性能根植于其高度有序的多级微观结构。扫描电镜（SEM）图像揭示，约200微米厚的鱼鳔由多个微米级纤维层构成（图1e），每层都含有大量直径约40纳米的弯曲胶原纤维，并展现出约65纳米的轴向周期性（图1f）。尤为关键的是，相邻层间的纤维取向各异，形成了旋转对称的排列（图1g-i），这种跨尺度的层状纤维架构被认为是其各向同性抗疲劳性能的结构基础。

图1鱼鳔的各向同性抗疲劳性能与多尺度纤维微观结构。（a）首次充放气循环中鱼鳔在放气和充气状态下的光学图像。（b）第10,000次充放气循环后鱼鳔在放气和充气状态下的光学图像，显示极小的形态退化。（c）乳胶气球在循环充放气测试中充气状态下的光学图像。气球在850次循环后因广泛开裂而失效。（d）鱼鳔片的光学图像。（e）鱼鳔撕裂截面的SEM图像，显示层状结构。（f）更高放大倍数下鱼鳔的SEM图像，显示每层中的纤维微观结构。（g-i）鱼鳔不同层中的胶原纤维显示出不同的取向，每层中的纤维呈现弯曲形态。箭头指示不同层中的纤维取向。（j-l）更高放大倍数的SEM图像，显示单层内胶原纤维的取向和弯曲形态。

为探究其在更严苛的循环压痕测试下的表现，研究人员记录了力-循环曲线的演化过程（图2a-b）。鱼鳔可承受约980万次循环才完全失效，其曲线呈现两个明显阶段：持续约480万次的稳定期与长达500万次的渐进衰退期（图2b）。这种渐进式衰退（以衰退阶段循环数与总循环数之比λ表征，鱼鳔λ值约为0.5）与PDMS等合成材料一旦损伤就迅速崩溃的模式（图2c）截然相反，意味着其失效过程可预测，为工程应用提供了宝贵的预警窗口。通过原位小角X射线散射（SAXS）技术（图2d-f），研究揭示了这一过程背后的微观机制：循环加载后，原本呈现方位角均匀性（各向同性）的胶原散射图案变得各向异性，且特征散射峰消失。扫描电镜图像（图2g-h）证实，这是由于胶原纤维从高度有序的层状结构转变为无序状态，这种应力诱导的纤维重排与动态重组，是鱼鳔实现卓越抗疲劳性能的物理根源。

图2鱼鳔的循环压痕性能与结构演化。（a）循环压痕实验装置示意图。（b）鱼鳔的峰值压痕力随循环次数的变化曲线。鱼鳔在完全失效前承受了约9.8×10⁶次循环。数据代表N≥3个独立样品。（c）鱼鳔与典型合成软材料的总失效循环次数和衰退阶段循环次数对比。插图为PDMS的力-循环曲线。数据代表N≥3个独立样品。（d-f）循环压痕前（d）、稳定阶段（e）和之后（f）鱼鳔的二维SAXS图谱。图像代表N≥5个独立样品。（g）(i) 循环压痕前鱼鳔层状微观结构示意图。(ii,iii) 代表性纤维层在不同放大倍数下的SEM图像，胶原纤维主要沿一个方向排列。（h）(i) 循环压痕后鱼鳔微观结构示意图。(ii,iii) 循环压痕后胶原纤维取向的SEM图像。

研究进一步系统量化了鱼鳔的各向同性抗裂纹能力。沿两个正交方向进行的拉伸测试表明，即便存在约1厘米的预切口，鱼鳔仍能保持完好样品95%以上的断裂应变（图3b-c），并展现出裂纹钝化过程，其断裂韧性（由韧性T₀和断裂功Wf计算得出的断裂韧性长度）高达约9 mm，比合成软材料高出1-2个数量级，赋予了其对缺陷不敏感的特性。在疲劳阈值表征中，鱼鳔在两个方向上的阈值分别达到6490和6160 J·m⁻²，且即使在能量释放率高于阈值时，裂纹扩展速率也极其缓慢（图3d-f）。将疲劳阈值与断裂韧性绘制在Ashby图上（图3g），鱼鳔的数据点紧贴“理想边界”（二者相等），而大多数合成材料则严重偏离，这明确揭示了鱼鳔在循环载荷下依然能保持高效的能量耗散能力，从根本上缩小了疲劳与断裂之间的性能鸿沟。

图3鱼鳔的各向同性抗疲劳与抗断裂性能。（a）沿垂直于和平行于鱼鳔轴方向切割的样品示意图。（b-c）完整和预切口鱼鳔样品在垂直（b）和平行（c）方向的典型拉伸应力-应变曲线。（d-f）鱼鳔在垂直方向（d）和平行方向（e）的裂纹扩展速率（dc/dN）与能量释放率（G）的关系。（f）比较鱼鳔、GA固定鱼鳔及典型合成材料的疲劳阈值。（g）鱼鳔与代表性抗疲劳合成软材料的疲劳阈值（Tₜₕ）与断裂韧性（T₀）的Ashby图。数据以平均值±标准差表示（N≥3个独立样品）。

通过化学干预手段，研究团队解耦了多级能量耗散机制（图4）。分别通过钙化限制纤维移动性、盐酸处理破坏氢键网络、戊二醛（GA）交联锁定界面相互作用后，鱼鳔的抗疲劳性能均遭受毁灭性打击（图4b-c）。其中，GA处理后的样品疲劳阈值急剧下降至约660 J·m⁻²，且钙化处理虽保留了单轴载荷下的抗裂纹能力（断裂韧性长度约9.50 mm），却导致疲劳阈值下降80%至约1240 J·m⁻²。原位SAXS分析直接证实（图4d-f），天然鱼鳔在循环载荷下展现出明显的胶原纤维可逆重排与恢复，而GA固定后的样品则几乎没有取向变化，直接限制了其耗能能力。SEM和数字图像相关（DIC）分析进一步揭示，天然鱼鳔在裂纹尖端形成了大面积变形区，伴随纤维拔出与裂纹偏转，而GA处理样品和PDMS仅表现出局部变形，从而全面揭示了从纤维伸直旋转、牺牲键断裂重组到层间滑动这一跨尺度的动态耗能网络。

图4鱼鳔的多尺度抗疲劳机制。（a）鱼鳔多尺度微观结构示意图。（b）经钙化液、盐酸和戊二醛处理并带有预切口的鱼鳔代表性图像，在能量释放率下循环拉伸30,000次后未见裂纹扩展。（c）经钙化液、盐酸和戊二醛处理的鱼鳔在不同能量释放率下的每循环裂纹扩展量（dc/dN）。数据以平均值±标准差表示（N≥3个独立样品）。（d）带切口鱼鳔在循环测试中未拉伸（i）和拉伸（ii）状态的二维SAXS图谱。图像代表N≥5个独立样品。（e）循环测试及鱼鳔与GA固定鱼鳔在测试中的结构演化示意图。（f）带切口的GA固定鱼鳔在循环测试中未拉伸（i）和拉伸（ii）状态的二维SAXS图谱。图像代表N≥5个独立样品。

最后，为展示该策略的工程化潜力，团队将聚磺基甜菜碱（PSBMA）网络渗透入鱼鳔骨架，制备了生物杂化水凝胶（图5a）。该复合材料不仅继承了天然鱼鳔的抗疲劳机制，表现出优异的抗裂纹性能（图5b），其疲劳阈值也高达3020 J·m⁻²（图5c），并且在3000次循环加载后未见裂纹扩展。更重要的是，PSBMA组分赋予了材料卓越的抗钙化性能（图5d-f），在体外钙化测试14天后有效抑制了羟基磷灰石颗粒的沉积，解决了天然组织在生理环境中易钙化失效的难题，使其在保持机械稳定性的同时，具备了长期植入所必需的功能稳定性。

图5PSBMA-鱼鳔复合水凝胶的制备、力学性能与抗钙化性能。（a）PSBMA-鱼鳔复合水凝胶的制备示意图。（b）有预切口和无预切口的PSBMA-鱼鳔复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线，以及带切口样品在单轴拉伸过程中的光学图像。数据代表N≥3个独立样品。（c）PSBMA-鱼鳔复合水凝胶在不同能量释放率（G）下的裂纹扩展速率（dc/dN）。插图为带切口样品在能量释放率约3000 J·m⁻²下循环测试第1次和第30,000次的光学图像。数据以平均值±标准差表示（N≥3个独立样品）。（d）新鲜鱼鳔在钙化14天后的表面SEM图像。（e）PSBMA-鱼鳔复合水凝胶在钙化14天后的表面SEM图像。（f）钙化后PSBMA-鱼鳔复合水凝胶的拉伸应力-应变曲线。数据代表N≥3个独立样品。

这项研究从根本上揭示了“顺从”作为一种有效的抗疲劳策略在生物软组织中的设计原理。它表明，通过动态、可逆的微观结构重组来耗散能量，而非单纯依靠刚性抵抗或各向异性设计，是达成材料在复杂、多向载荷下长期耐久性的可行路径。该机制不仅保留了软组织的力学相容性，还为设计用于软体植入物、柔性器件等领域的下一代耐用软材料，开辟了崭新的方向。