纤维材料是一种重要的材料类型，通常由直径在微米级的天然或合成纤维组成。这类材料包括纤维蛋白凝块、纤维素凝胶和胶原蛋白凝胶等。由于其独特的纤维结构，纤维材料与以高分子链为基础的材料不一样，展现出独特的性质和力学行为。以纤维蛋白凝块为例，它主要由纤维蛋白纤维构成。作为血凝块的关键成分，纤维蛋白凝块对于维持血凝块的结构完整性和力学稳定性至关重要。纤维蛋白凝块承受着来自周围组织环境和血流动力学的复杂生理负荷。例如，在人体运动时，血流量会明显地增加，导致受伤部位的血凝块承受动态循环负荷。纤维蛋白凝块的破裂可能会引起多种并发症，包括再次出血、缺血性中风、动脉和静脉血栓形成以及血栓栓塞等。考虑到血凝块在止血和血栓形成中的及其重要的作用，在临床实践中进一步探索纤维蛋白凝块破裂的基本机制至关重要，因为它为咱们提供了关于血凝块失效的重要理解。研究人员长期以来一直在努力深入理解血凝块的力学行为，以指导开发有效的治疗方法和干预措施，以应对与血凝块相关的疾病。
为了深入研究纤维蛋白凝块在复杂载荷下的断裂行为，加拿大麦吉尔大学机械工程系的李剑宇教授团队采用循环载荷试验和变速率载荷试验，对纤维蛋白凝块的断裂特性进行了表征和理论预测，从而推进了对纤维材料疲劳与断裂行为的理解。这项研究能够在一定程度上促进用于伤口愈合、止血和组织再生应用的生物材料开发和建模。相关成果已在Acta Biomaterialia上发表，题为“Fibrin clot fracture under cyclic fatigue and variable rate loading”。麦吉尔大学机械工程系的博士生刘世昱和Aram Bahmani共同为论文的第一作者，而加拿大研究讲席教授李剑宇则是通讯作者。
对于以纤维蛋白凝块为代表的水凝胶，其断裂过程往往涉及到多种物理化学过程。解析整体断裂韧性中每个能量耗散机制对于理解和预测断裂行为至关重要。实现这种解耦需要结合不同的力学测试方法，比如循环疲劳试验和变速率加载试验。循环加载可以竭尽能量耗散过程，最终得到在裂纹尖端破坏所需的最小能量。通过改变加载速率，可以探究整体断裂韧性的速率依赖性，以及黏弹性的贡献。结合多种断裂特性表征，构建纤维材料的疲劳阈值模型和整体断裂韧性模型，以便理论评估材料的黏弹性断裂韧性。
作者的实验根据结果得出，纤维蛋白凝块的断裂行为对循环载荷的幅度和加载速率敏感。循环疲劳试验显示，当施加的载荷超过疲劳阈值1.66J/m2或应变超过65%时，纤维蛋白凝块中的疲劳裂纹开始扩展。变速率加载试验的根据结果得出纤维蛋白凝块的整体断裂韧性随加载速率和裂纹扩展速率显著增加。
作者为了解释实验结果，开发了基于Python的图像分析和数据处理软件包，将纤维蛋白网络的共聚焦显微图像进行了3D重建和形态量化分析，测得所有纤维段的空间数据，以及它们的平均直径、长度和纤维方向。将形态量化参数测量值输入基于Lake-Thomas模型扩展的半经验模型，得到了与循环疲劳试验中获得的疲劳阈值相吻合的结果。此外，我们采用了黏弹性断裂韧性模型来解释速率依赖性断裂韧性，理论预测与实验数据相符。这分别表明纤维蛋白凝块的本征断裂韧性机制大多数来源于于在裂纹扩展路径上断裂一层纤维蛋白纤维所需的能量，以及黏弹性能量耗散是速度相关的断裂韧性的主要机制。
断裂韧度与疲劳阈值的比值（增韧比）反映了软材料的体积耗散能力和增韧机制。在0.4毫米/秒的加载速度下，纤维蛋白凝块的总断裂韧度为15.8J/m²，而相同速率下测得的疲劳阈值为1.66J/m²。与其他生物材料和水凝胶作对比，纤维蛋白凝块较大的增韧比9.13主要归因于纤维蛋白凝块内的粘弹性耗散机制以及多尺度结构特性。本研究中个人会使用了含有相比来说较低生理纤维蛋白水平的血浆。通过增加纤维蛋白原在凝块中的体积分数，能更加进一步提高增韧比，在提高抗断裂性能方面仍有潜在的改进空间。
总结：本研究通过进行循环疲劳和单调变速加载试验，对纤维蛋白凝块的疲劳阈值和速率相关的断裂韧度进行了表征。作者进一步重建了纤维蛋白网络的三维微观结构并进行了形态量化分析，将测量值输入到半经验模型中可以估测纤维蛋白凝块的疲劳阈值。此外，采用粘弹性断裂韧度模型解释了速率相关的断裂韧度，理论预测与实验数据吻合良好。这项工作推进了对复杂加载条件下纤维蛋白凝块断裂特性的理解，并为纤维材料和血凝块的断裂提供了宝贵的见解，并将进一步促进对纤维材料断裂力学的研究，用于伤口愈合、止血和组织再生应用的材料开发。
李剑宇课题组专注于研究和开发各类生物粘合剂。血凝块作为一种天然粘附剂，在止血和血栓等各种应用和疾病中扮演重要角色，但是它的力学行为研究仍处在初期阶段。对此，李剑宇课题组在该领域发表了以下相关论文：
李剑宇教授现为麦吉尔大学机械系和生物医学系教授，加拿大研究讲席教授。他本科毕业于浙江大学高分子系，博士毕业于哈佛大学材料与机械系。他于2015-2017年在哈佛大学Wyss仿生工程研究所从事博士后研究。李剑宇教授团队致力于新型生物材料设计开发和机理研究，目前研究方向包括软物质力学、生物粘合剂、再生医学、止血材料、手术器械和智能设备开发。他的研究成果发表在Science、Nature Reviews Materials、Science Advances、Nature Communications、ACS Nano和Acta Biomaterialia等。他的研究工作得到了新英格兰医学杂志和多家国际媒体的广泛报道，包括英国广播电台（BBC）、超声国家公共电台（NPR）和等。
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