2026年7月20日，相关成果以“Compliance for Resistance: The Intrinsic Extraordinary Isotropic Anti-Fatigue Performance of Fish Bladder”为题发表于《Advanced Materials》。浙江大学邵子钰为论文第一作者，柏浩教授为通讯作者。

软材料在生物医用植入物和软体机器人等领域具有重要应用，但在长期循环载荷下容易出现损伤累积、裂纹扩展甚至突然失效。现有抗疲劳设计多依赖刚性增强或定向结构，虽然能够抑制裂纹生长，却往往难以同时兼顾柔软性、各向同性和高疲劳阈值，且循环抗裂能力与断裂韧性之间仍存在明显差距。相比主要承受单向载荷的肌腱和肌肉，天然鱼鳔在生命活动中持续经历充放气，并长期承受多方向静水压力，为探索软组织如何实现各向同性抗疲劳提供了独特的天然模型。

近日，浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队将研究目光投向白鲢鱼鳔。作为调节浮力的天然软组织，鱼鳔在鱼类生命活动中会反复充气和收缩，并持续承受来自不同方向的静水压力。体外循环实验显示，鱼鳔在完成10000次充气和放气后仍能保持完整形貌，没有出现明显损伤。相比之下，乳胶气球在约800次循环后便出现表面裂纹，并在约850次时发生大范围开裂和功能失效。进一步的显微结构观察发现，厚度约200 μm的鱼鳔壁由多个微米尺度的纤维层组成。每层分布着大量直径约40 nm的弯曲胶原纤维，不同层中的纤维具有不同取向。相邻纤维层逐层转向并形成近似旋转对称的多层结构，使载荷能够在多个方向上传递和分散，为鱼鳔优异的各向同性循环耐久性提供了结构基础。

图1 鱼鳔的循环充放气耐久性及多尺度纤维结构

为评价鱼鳔在多方向循环载荷下的长期稳定性，研究团队开展了各向同性循环加载测试。鱼鳔在约480万次循环内保持稳定，峰值载荷没有出现明显衰减。随后材料进入缓慢的性能下降阶段，直至约980万次循环后完全失效。值得注意的是，鱼鳔并未在损伤出现后迅速断裂，而是在性能开始下降后仍持续承载约500万次循环，表现出较长的失效缓冲过程。

图2 鱼鳔在各向同性循环加载下的力学响应及微观结构演变

随后，研究团队沿鱼鳔长轴的平行和垂直方向分别取样，进一步评价其在不同受力方向下的抗裂性能。即使预先引入约1 cm的裂口，鱼鳔在两个方向上的断裂应变仍能保持完整样品的95%以上。拉伸过程中，裂纹尖端逐渐钝化，周围胶原纤维通过变形和重新排列分散应力，使鱼鳔表现出显著的缺陷不敏感性。

在循环加载实验中，当能量释放率低于6000 J·m^-2时，两个方向的预制裂纹经过30000次循环后均未发生明显扩展。鱼鳔在垂直和平行方向上的疲劳阈值分别达到约6490和6160 J·m^-2，且均接近其断裂韧性。这表明鱼鳔不仅具有较高的循环抗裂能力，而且能够在不同受力方向下保持相近的力学表现，从而实现优异的各向同性抗疲劳性能。

图3 鱼鳔在不同方向加载下的抗裂与抗疲劳性能

鱼鳔的优异抗疲劳性能来自从分子、纤维到纤维层的多尺度协同作用。循环加载时，弯曲的胶原纤维能够逐渐伸直并发生转动，纤维间的可逆作用发生解离与重建，不同纤维层也会随载荷方向重新取向并产生界面滑移。这些动态变化使能量能够在更大范围和多个结构层级中持续耗散，避免应力长期集中在裂纹尖端，从而形成“以柔克刚”的抗疲劳机制。

为了验证这些动态结构变化的作用，研究团队分别采用体外矿化、盐酸处理和戊二醛固定限制不同层级的运动。处理后，鱼鳔的疲劳阈值分别下降至约1240、380和660 J·m^-2，均显著低于天然鱼鳔。原位小角X射线散射结果进一步显示，天然鱼鳔中的胶原纤维能够在加载过程中重新取向，并在卸载后发生一定程度的恢复。戊二醛固定后的纤维结构则几乎不再随载荷变化，导致应力难以通过结构重排得到分散。上述结果表明，多尺度结构的动态响应是鱼鳔实现高抗疲劳性能的关键。

图4 鱼鳔多尺度结构的动态耗能机制及其对抗疲劳性能的作用

在揭示鱼鳔的多尺度抗疲劳机制后，研究团队进一步将其应用于复合水凝胶设计。通过对鱼鳔进行适度脱水，在保留其多层纤维结构的基础上引入聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（PSBMA）网络，制备出PSBMA-鱼鳔复合水凝胶。拉伸过程中，复合材料能够通过裂纹尖端钝化、纤维拔出和纤维桥联等方式分散应力，说明天然鱼鳔的纤维结构及其耗能机制在复合体系中得到了保留。该复合水凝胶的疲劳阈值达到3020 J·m^-2。在约3000 J·m^-2的能量释放率下，预制裂纹经过30000次循环加载后仍未发生明显扩展。同时，PSBMA网络赋予材料良好的抗矿化能力。经过14天体外矿化后，天然鱼鳔表面出现大量矿物沉积，而复合水凝胶表面几乎没有明显沉积，并且仍能保持稳定的力学性能。这种设计将鱼鳔的抗疲劳结构与合成水凝胶的功能性结合起来，为构建长期稳定的软体植入材料提供了新的思路。

图5 PSBMA-鱼鳔复合水凝胶的制备、抗疲劳性能与抗矿化能力

该研究从天然鱼鳔中揭示了一种“以柔克刚”的抗疲劳策略。鱼鳔通过多层纤维结构的动态变形、取向调整和界面滑移，在保持柔软性的同时实现高效能量耗散，并兼顾各向同性、缺陷不敏感性和长期循环稳定性。基于这一机制构建的PSBMA-鱼鳔复合水凝胶进一步实现了优异抗疲劳性能与抗矿化功能的结合。这项工作表明，提升软材料的耐久性并不一定依赖刚性增强。赋予材料在受力过程中分散载荷、调整结构并持续耗散能量的能力，同样可以有效抵抗疲劳损伤。鱼鳔所展现的“以柔克刚”为天然结构与合成功能网络的结合提供了新的思路，也为兼具柔软性、可靠性和功能性的软材料设计带来了启发。

柏浩教授团队围绕天然材料的多尺度结构与力学性能开展了系统研究，通过解析天然材料和生物组织中的多尺度结构、界面协同与动态响应机制，提炼可用于人工材料设计的结构原理。在此基础上，团队进一步探索天然结构与合成材料的结合，构建兼具优异力学性能和多种功能的仿生材料体系。本工作将这一研究思路拓展至软材料的循环疲劳问题，形成了从天然组织结构解析、抗疲劳机制揭示到复合水凝胶构筑的完整研究路径。浙江大学董智慧，徐子舰，王泽烨，吴明瑞，赵妮芳，李萌，高微微副教授为共同作者。