纤维蛋白凝块分子蠕变诱导的疲劳断裂机制及其在血栓栓塞中的临床意义

这篇研究揭示了纤维蛋白(Fibrin)网络在脉动血流循环载荷下发生疲劳断裂的分子机制。通过多尺度实验和模型分析，发现尽管纤维蛋白具有高断裂能(184±23 J m?2)，却表现出极低的疲劳阈值(5.79 J m?2)。关键机制在于α-螺旋(α-helix)向β-折叠(β-sheet)的不可逆转变导致分子蠕变(molecular creep)，这种纳米尺度力学行为通过应力局部化纤维断裂驱动裂纹扩展。研究建立了连接分子构象损伤与宏观疲劳的连续介质模型，为血栓栓塞(embolization)风险预测提供了新视角。

　　

纤维蛋白凝块分子蠕变诱导的疲劳断裂机制

Abstract

纤维蛋白网络作为血栓的结构框架，在脉动血流作用下会发生疲劳失效，导致中风、肺栓塞等栓塞事件。虽然单次加载下的纤维蛋白断裂行为已有深入研究，但控制血栓栓塞的疲劳机制尚未阐明。多尺度实验和模型揭示了纤维蛋白网络存在高断裂能与低疲劳阈值的矛盾现象。机制研究表明，循环载荷诱导纤维蛋白分子链发生不可逆的α-β转变，通过分子蠕变耗散应变能，促使应力局部化纤维断裂和裂纹扩展。建立的多尺度连续模型定量关联了这种纳米力学与宏观疲劳行为，提出了由累积构象损伤驱动的血栓破裂新机制。

1 Introduction

血栓是由纤维蛋白网络和血细胞组成的复合材料，依赖纤维蛋白的多级结构在生理应力下维持机械稳定性。在血管内，血栓承受脉动血流产生的循环机械载荷，这一过程通过疲劳损伤逐渐削弱纤维蛋白网络，最终导致血栓破裂和栓塞。尽管这些病理状况导致全球主要死亡率，纤维蛋白在循环载荷下的疲劳失效机制仍不完全清楚。

纤维蛋白网络具有多尺度层级结构：由排列纤维组成的网络、由原纤维组成的纤维、以及包含机械响应α-螺旋结构域的分子链。这些结构域在力作用下可展开为β-折叠构象，使纤维具有超常的延伸性(332%±71%)，显著影响网络力学。分子动力学(MD)模拟揭示了这种结构转变的三相力-延伸行为：初始α-螺旋主导的线性弹性、α-β转变期间的力无关分子蠕变、以及β-折叠介导的非线性弹性。虽然这种构象转变解释了纤维蛋白的宏观延展性，但其在疲劳中的作用尚不明确。

2 Results

2.1 纤维蛋白凝胶对疲劳损伤敏感

单次拉伸载荷下，纤维蛋白纤维能有效阻止裂纹扩展，断裂面光滑宽阔，表明大区域纤维同时断裂，断裂伸长比λ_f=2.17±0.15接近极限拉伸比λ_u=2.48±0.22。但在循环疲劳载荷下，"纤维效应"减弱，裂纹尖端仅单层纤维断裂，裂纹在低至1.46的伸长比下即可扩展。纤维形态观察显示，单次加载时纤维协同承载，而疲劳加载时纤维呈卷曲构象，多数纤维不参与承载，导致局部损伤和裂纹扩展。

2.2 纤维蛋白凝胶的低疲劳阈值

纯剪切测试测得10 wt.%纤维蛋白水凝胶的断裂韧性为184±23 J m^?2，但疲劳阈值仅5.79 J m^?2。循环加载出现"安定"现象：与首次循环相比，第30,000次循环呈现双线性行为——蠕变阶段(应力不变下的伸长)和线性弹性阶段。

2.3 宏观机制

应力-应变曲线显示，30,000次循环中75%-85%能量被耗散。残余线性弹性通过增加裂纹尖端应力集中显著降低疲劳阈值。Paris定律描述裂纹扩展速率与应力强度因子关系，证实耗散后网络的线性弹性特征。

2.4 细观机制

有限元分析(FEA)比较显示，未耗散样本裂纹尖端应力集中因子σ_m/σ=2.16，而耗散样本达8.5，最大应力从39 kPa增至85 kPa，与实验观察的应力分布区域高度吻合。

2.5 纳米机制

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析显示，疲劳载荷导致不可逆α-β转变：完整水凝胶含约70%α-螺旋，疲劳后α-螺旋几乎消失，β-折叠增至约40%。转变比在λ=1.3-1.6范围内急剧下降，且对应变率不敏感，证实转变的不可逆性。

2.6 分子蠕变诱导低疲劳阈值

建立统计力学模型描述单链行为：α-螺旋区的线性弹性(k_α)、转变区的力无关蠕变(临界力f*)、β-折叠区的非线性弹性(持久长度l_β)。通过微球模型整合为连续介质模型，成功预测首次循环的塑性变形(图6C)和第30,000次循环的蠕变行为(图6D)，证实α-β转变是能量耗散的主因。

3 Discussion

100 mg mL^?1(10 wt.%)纤维蛋白凝胶具有临床相关性，相当于血栓中5-20 wt.%的纤维蛋白含量。测得断裂韧性比既往研究(7.6±0.45 J m^?2)高24倍，与浓度提升倍数一致；疲劳阈值(5.79 J m^?2)比低浓度研究(1.66 J m^?2)高3.5倍，表明浓度对疲劳阈值影响有限。理论估算(Ψ>0.4时Γ₀>59.22 J m^?2)与实测值的差异提示疲劳载荷使纤维更脆弱。

临床意义在于：颈动脉血流动力学计算显示，每次心搏周期单位面积做功(5.3-10.64 J m^?2)接近疲劳阈值，解释了临床观察到的渐进性损伤。除分子机制外，纤维聚集导致的脱水(体积减少5-10倍)和粘弹性耗散也可能促进裂纹扩展。

4 Experimental Section

高浓度纤维蛋白凝胶制备：100 mg mL^?1纤维蛋白原与20 mM CaCl₂、0.002 U mL^?1凝血酶混合，37°C凝固30分钟。纯剪切测试采用25×5×0.8 mm试样，应变率0.5-2 s^?1。共聚焦显微镜观察Alexa Fluor 488标记的纤维形态。ATR-FTIR分析酰胺I带(1720-1580 cm^?1)的二级结构。FEA采用FEBio软件，未开槽样本用横观各向同性Mooney-Rivlin模型，开槽样本用neo-Hookean模型。