梁 婷 王 茜 甘超亮 朱旻昊 張蒙祺, 4*

(1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2.美國(guó)西北大學(xué)機(jī)械工程系，埃文斯頓 60208；3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；4.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

1 引言

人指甲是指頭末端軟墊的硬襯背，屬于皮膚的附屬結(jié)構(gòu)，由角化組織構(gòu)成，是一種扁平的、凸形的、半透明的、稍有彈性的角化結(jié)構(gòu)[1]，起保護(hù)、裝飾、幫助抓緊等作用。靈長(zhǎng)類動(dòng)物學(xué)家和臨床醫(yī)生對(duì)人指甲的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，證實(shí)了指甲具有典型的三明治式結(jié)構(gòu)[2-4]，即約占整個(gè)指甲厚度一半的中間層被背側(cè)層與腹側(cè)層緊緊夾在中間。指甲主要由角蛋白、脂質(zhì)和水組成，其中水分含量為7%～25%[5]。含水量的多少會(huì)影響指甲的力學(xué)性能，當(dāng)含水量高于20%時(shí)，指甲會(huì)變軟，當(dāng)含水量低于10%，指甲會(huì)開裂[6]。魏鵬等人[7]利用空氣的蒸發(fā)作用，基于維氏硬度測(cè)量證明了指甲含水量與指甲硬度密切相關(guān)，完全水合的指甲的硬度隨著水分的蒸發(fā)而增加。指甲的含水量是動(dòng)態(tài)的，它會(huì)隨環(huán)境條件如溫度和相對(duì)濕度的變化而變化，故環(huán)境條件也會(huì)影響指甲的力學(xué)性能[8]。

年齡和性別因素會(huì)對(duì)指甲的結(jié)構(gòu)與成分產(chǎn)生影響。指甲隨年齡增加而變厚[9]，指甲中鈣濃度隨年齡的增加而增加[10，11]，而鐵元素濃度隨年齡增加而下降[12]。取自不同性別個(gè)體的指甲的形態(tài)、微量元素及氨基酸含量存在差異，男生指甲中硫元素含量高于女生指甲[13，14]，男生指甲中的丙氨酸含量高于女生指甲，而男生指甲中異亮氨酸含量卻低于女生指甲[15，16]。疾病也會(huì)使指甲結(jié)構(gòu)與成分發(fā)生變化，指甲銀屑病使指甲板失去光澤，變得不均勻，甚至導(dǎo)致游離邊緣和甲床分離。糖尿病患者指甲中鉻含量、鋅含量與健康者指甲不相同[17-20]。疾病還會(huì)影響指甲中蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，糖尿病患者指甲中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)主要是α-螺旋結(jié)構(gòu)，慢性疲勞綜合征患者指甲中 α -螺旋結(jié)構(gòu)與 β -片層結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)都存在，但相比健康者指甲，其 α -螺旋結(jié)構(gòu)含量下降，β -片層結(jié)構(gòu)含量增加[21，22]。有文獻(xiàn)探索了糖尿病患者指甲、灰指甲、癌癥患者指甲與正常者指甲表面基團(tuán)的區(qū)別[23-26]。此外，人們的飲食與生活環(huán)境也會(huì)影響指甲的成分[27]。

目前研究對(duì)指甲結(jié)構(gòu)、成分的影響因素的分析多集中于性別、疾病等，但關(guān)于年齡對(duì)指甲形態(tài)及性能影響的系統(tǒng)性研究尚不充分。本研究就年齡對(duì)指甲表面結(jié)構(gòu)、形貌、指甲的水含量及存在形式、壓痕力學(xué)性能的影響進(jìn)行了一定的實(shí)驗(yàn)探索，應(yīng)用紅外光譜儀、差示掃描熱量?jī)x、原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)青年(20～25歲)與老年(70～75歲)指甲表面形貌、力學(xué)性能及指甲的含水量進(jìn)行測(cè)試分析與對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品采集與處理

本研究材料是人體手指甲，為了避免性別、疾病、生活環(huán)境等因素的干擾，本次試驗(yàn)樣品取自生活在同一地區(qū)、生活習(xí)性相近的健康女志愿者，并在取樣時(shí)避開志愿者的生理期。分為青年組(20～25歲)和老年組(70～75歲)，每組各5人，樣品年齡分布見表1。取樣時(shí)用指甲刀剪取指甲自由緣，并將其裁剪成3*3 mm的小方塊，然后對(duì)指甲樣進(jìn)行清洗，清洗過程如下：將樣品置于裝有5 mL丙酮溶液的小瓶中，超聲清洗20 min，再換用去離子水超聲清洗2次，每次20 min。清洗過后在每組中選取1人的指甲樣進(jìn)行熱重分析，剩余的樣品置于干燥箱中60℃干燥2 h。將干燥后的樣品裝入樣品袋中于4℃冰凍保存。

表1 樣品年齡分布

2.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

(1)表面形貌分析：應(yīng)用日本電子株式會(huì)社JSM7800F PRIME場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)青年組與老年組成員的指甲表面原始形貌及劃痕試驗(yàn)后的形貌進(jìn)行觀察。所用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡利用二次電子成像，工作電壓為10 kV。由于指甲的導(dǎo)電性較差，所以指甲樣品在放入掃描電鏡真空室之前應(yīng)用德國(guó)徠卡EM ACE 200離子濺射儀給樣品進(jìn)行噴金處理，增加其導(dǎo)電性。對(duì)所有志愿者的指甲(共10片)的原始表面形貌進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)青年組成員與老年組成員的指甲表面有區(qū)別，但是在青年組內(nèi)或老年組內(nèi)的區(qū)別不大。

(2)表面基團(tuán)分析：應(yīng)用BRUKER Tensor Ⅱ 紅外光譜分析儀獲取青年組與老年組指甲成員試樣(共10片)的紅外光譜曲線，分析所含基團(tuán)位置與含量的區(qū)別。紅外光譜分析儀的分辨率為0.09 cm-1，測(cè)量范圍為500～4000 cm-1。測(cè)量結(jié)果表明，兩組指甲的紅外光譜有所區(qū)別，但是在青年組內(nèi)或老年組內(nèi)的區(qū)別不大，光譜曲線的峰位基本重合，所以在各組內(nèi)選擇一個(gè)樣品進(jìn)行指甲含水量的測(cè)量與表面力學(xué)性能的測(cè)試。

(3)指甲水含量分析：采用沃特世DSC 2500 差示掃描熱量?jī)x測(cè)量指甲中自由水與結(jié)合水的含量。測(cè)試過程中設(shè)定兩種加熱程序，加熱方法1：以10℃/min的加熱速度由25℃加熱到300℃，目的是直接計(jì)算指甲中總的含水量；加熱方法2：以20℃/min的加熱速度由25℃加熱到65℃，保溫1小時(shí)，繼續(xù)以同樣的加熱速度加熱到180℃，再保溫1小時(shí)，該種加熱方法便于計(jì)算自由水與結(jié)合水的含量。用上述兩種加熱法分析的樣品來自于同一片指甲，加熱方法2參考于文獻(xiàn)[28]，旨在得到自由水與結(jié)合水的各自含量。

(4)表面力學(xué)性能測(cè)試：采用Hysitron TI750原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)獲取指甲樣表面的彈性模量、硬度。壓痕試驗(yàn)和劃痕試驗(yàn)之前，需進(jìn)行鑲樣，即將大小為3*3 mm的指甲樣包埋于硅膠模具中的自凝樹脂內(nèi)，待樹脂自凝后取出樣塊。然后用1000#、1200#的砂紙?jiān)谒錀l件下研磨，待快露出指甲樣時(shí)，改用1500#的砂紙輕輕研磨，再用1 μm的金剛石拋光膏于拋光機(jī)上進(jìn)行水冷拋光。壓痕測(cè)量與劃痕實(shí)驗(yàn)在原位納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)需更換壓頭，其中壓痕實(shí)驗(yàn)采用三棱錐的Berkovich金剛石壓頭，其針尖曲率半徑為150 nm。壓痕峰值載荷設(shè)定為100μN(yùn)，壓痕點(diǎn)數(shù)為5個(gè)，從而得到樣品在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的彈性模量值和硬度值的數(shù)據(jù)，再取五點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值作為壓痕試樣的彈性模量值與硬度值。劃痕試驗(yàn)采用球錐形的金剛石劃針，其針尖曲率半徑2 μm。針尖劃痕方向垂直于指甲的生長(zhǎng)方向，載荷分別選取2、4、6、8、10mN的定載，劃痕長(zhǎng)度為15μm，劃痕間歇40 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面基團(tuán)

青年組與老年組成員手指甲的紅外光譜結(jié)果如圖1所示，譜圖上吸收峰的歸屬和各峰的指認(rèn)見表2。盡管兩組數(shù)據(jù)的波形大致相似，但其中PO2、C-O、CH2與CONH基團(tuán)的峰位有所區(qū)別。

圖1 指甲樣表面的紅外光譜圖A.青年；B.老年

青年組成員指甲光譜中1072.5±3.2 cm-1為PO2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，老年組成員指甲中相應(yīng)的吸收峰位于1078.7±1.1 cm-1，研究表明PO2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)譜帶強(qiáng)度與細(xì)胞核中的DNA的含量有關(guān)[29]。角蛋白的C-O基團(tuán)的振動(dòng)在青年指甲中位于1113.3 cm-1附近，而在老年指甲中卻位于1122.9 cm-1附近。相比青年組成員指甲，老年組成員指甲角蛋白膜脂分子中的CH2基團(tuán)對(duì)稱伸縮振動(dòng)向高峰位移動(dòng)約為7 cm-1，這可能與角脂質(zhì)中亞甲基結(jié)構(gòu)鏈與氫鍵的改變有關(guān)。此外，相比青年組成員指甲，CONH多肽的特征吸收峰在老年組成員指甲中向高波數(shù)移動(dòng)約為10cm-1。CONH多肽吸收峰位置的移動(dòng)可能與結(jié)合水含量有關(guān)。與蛋白質(zhì)成鍵的結(jié)合水含量的差異很可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)型的微小差異，比如致使角蛋白氫鍵化形式和氫鍵化程度發(fā)生改變，從而使得吸收峰頻率改變。對(duì)于蛋白質(zhì)構(gòu)型的微小改變的具體情況，可在今后結(jié)合其他分析手段進(jìn)一步探討。

表2 指甲紅外光譜圖的吸收峰位置與官能團(tuán)歸屬

3.2表面形貌

指甲表面的掃描電鏡結(jié)果如圖2所示，A1與A2是青年組成員指甲上的同一區(qū)域，放大倍數(shù)分別為300X與1000X，B1與B2是老年組成員指甲上的同一區(qū)域，放大倍數(shù)分別為300X與1000X。由圖可看出青年組成員指甲表面較為平整光滑，老年組成員指甲表面更為粗糙。

圖2 指甲表面的掃描電鏡圖A.青年；B.老年；A1、B1：300X；A2、B2：1000X

指甲表面的白光干涉如圖3所示，A1～A4和B1～B4分別為青年組和老年組成員指甲表面的三維形貌圖。B組圖中多數(shù)表現(xiàn)出明顯的形貌紋理取向。青年組成員指甲表面粗糙度為8.4～10.0 μm，老年組成員指甲表面粗糙度為11.0～13.2 μm，青年組成員指甲的粗糙度比老年組成員指甲的小，這與掃描電鏡觀察的結(jié)果一致，表明青年組成員指甲表面比老年組成員指甲更為光滑。研究表明人類皮膚隨年齡的增大會(huì)變得粗糙，指甲的變化與之類似[30, 31]。指甲表面的傾斜度(Rsk)和峰度(Rku)見表3。該結(jié)果表明，青年組成員指甲與老年組成員指甲表面的傾斜度基本為正，說明表面對(duì)應(yīng)的形貌高度分布屬于左傾高度分布，微凸體形貌總體在基準(zhǔn)線下方；青年組成員指甲與老年組成員指甲的峰度值都小于3，說明指甲表面的微凸體形貌高度分布屬于平坦型。

表3 指甲表面其他參數(shù)

圖3 指甲表面的白光干涉圖A.青年組；B.老年組

3.2 指甲的水含量及存在形式

指甲中的水分有自由水和結(jié)合水兩種。自由水是指位于指甲中蛋白質(zhì)組織之外的水，大部分以游離的形式存在，可自由流動(dòng)；而結(jié)合水是指吸附和結(jié)合在有機(jī)固體物質(zhì)內(nèi)的水，主要依靠氫鍵與蛋白質(zhì)的極性基相結(jié)合形成的水膠體。在緩慢加熱過程中，指甲中的自由水先于結(jié)合水失去，進(jìn)一步加熱還會(huì)引起角蛋白的分解。

如前文所述，本節(jié)采用了兩種加熱方法。加熱方法1的結(jié)果曲線如圖4 A所示。圖中兩曲線在200℃左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后指甲質(zhì)量開始迅速下降。因此在加熱過程中，指甲質(zhì)量的損失可以分為兩個(gè)階段：一個(gè)是在25～200℃溫度范圍，屬于指甲中水的蒸發(fā)階段；另一個(gè)階段溫度超過200℃，屬于角蛋白的熱分解階段。前一階段青年與老年組成員指甲的質(zhì)量損失相近，大約都為11.00%；而青年與老年組成員指甲在到達(dá)300℃時(shí)的質(zhì)量損失量有所不同，前者的損失量為27.72%，后者的損失量為22.26%。由指甲角蛋白熱分解造成青年指甲的質(zhì)量損失大于老年指甲的質(zhì)量損失，可以推斷老年指甲的蛋白質(zhì)含量少于青年指甲的蛋白質(zhì)含量。圖4 B是用加熱方法2所得的結(jié)果曲線圖，其形態(tài)也出現(xiàn)兩個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)自由水和結(jié)合水的蒸發(fā)過程。兩曲線所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)均在65℃和180℃分別保溫1小時(shí)，以保證指甲中自由水和結(jié)合水完全蒸發(fā)。

圖4 指甲中水含量的測(cè)定A.加熱方法1；B.加熱方法2

圖4 A中結(jié)果表明，青年組成員與老年組成員指甲的總含水量區(qū)別較小，均為11.00%左右，與Barba[28]所測(cè)結(jié)果11.78%相近。綜合兩圖可計(jì)算出老年組、青年組指甲樣品的自由水含量分別約為7.21%與5.81%，結(jié)合水的含量分別約為3.79%與5.19%。老年組成員指甲的自由水含量比青年組成員的高約24.1%，而結(jié)合水含量比青年組成員指甲的低。結(jié)合水主要是指依靠氫鍵與蛋白質(zhì)的極性基相結(jié)合形成的水膠體，根據(jù)老年組成員指甲樣品的結(jié)合水含量低于青年組成員指甲可判斷，老年組成員指甲中蛋白質(zhì)含量低于青年組成員指甲，此結(jié)論與圖4A所示的結(jié)果吻合。

3.4 表面力學(xué)性能

兩個(gè)年齡指甲樣品表面的約化彈性模量和硬度平均值如圖5示，青年組成員指甲的約化彈性模量值和硬度值分別為3.99 GPa和201 MPa，與之前文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果3.89 GPa[32]和0.23 GPa[33]接近。老年組成員指甲表面的約化彈性模量和硬度值分別為4.65 GPa和252 MPa。相比青年組成員指甲，老年組成員指甲的約化彈性模量與硬度要分別高出16.5%與25.4%。老年組成員指甲的約化彈性模量值比青年組成員指甲的大，說明在應(yīng)力100 μN(yùn)的作用下，它發(fā)生的彈性變形比青年指甲的小，其韌性比青年指甲差。指甲的硬度受指甲含水量的影響[8, 34]，由于指甲的硬度與指甲的含水量成反比，與青年組成員指甲相比，老年組成員指甲中與蛋白質(zhì)成健的結(jié)合水較少，而自由水較多，造成其較高的硬度。

圖5 指甲外表面的約化彈性模量與硬度

納米劃痕實(shí)驗(yàn)后指甲樣的表面形貌如圖6所示，測(cè)量劃痕的寬度統(tǒng)計(jì)見表4。在同一試樣上，劃痕的寬度隨載荷的增加而增大。當(dāng)載荷由2 mN變?yōu)?0 mN時(shí)，青年組成員指甲試樣上的劃痕寬度由2.2μm變到6.4μm，老年組成員指甲試樣上的劃痕寬度從2.0μm變成6.0μm。由于老年組成員指甲硬度相對(duì)較高，所以在相同載荷作用下，其上的劃痕寬度較小，這說明其耐磨性比青年組成員指甲試樣高。

圖6 指甲表面納米劃痕A.青年；B.老年；1～5施加載荷為2、4、6、8、10 mN(10000X)

指甲是皮膚的附屬結(jié)構(gòu)，主要由蛋白質(zhì)、脂質(zhì)組成，是具有纖維-基質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料[35]。針尖在垂直于纖維方向的劃動(dòng)受到纖維和基質(zhì)的共同作用力，而纖維受到針尖的推動(dòng)從而向兩邊分開，形成明顯的邊緣，劃痕尾部暫時(shí)未斷裂的纖維形成材料堆積。劃痕表明試樣角蛋白質(zhì)分子物質(zhì)出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損；而青年組成員指甲試樣表面劃痕尾部周圍出現(xiàn)較多的材料堆積，同樣說明其耐磨性不如老年指甲試樣。在小載荷作用下，劃痕較小，劃針只對(duì)指甲表面造成輕微劃傷。而在大載荷作用下(6、8、10 mN)，劃痕底部則出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)裂紋。

表4 指甲表面劃痕寬度(μm)

4 結(jié)論

本研究對(duì)青年組與老年組指甲試樣的表面形貌、力學(xué)性能、指甲的水含量及存在形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，青年指甲與老年指甲在某些方面表現(xiàn)出較大的差異性，主要結(jié)論是：

(1)相比青年組成員指甲的紅外光譜，老年組成員指甲中PO2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)、C-O基團(tuán)振動(dòng)、CH2基團(tuán)對(duì)稱伸縮振動(dòng)及CONH多肽的特征吸收峰向高波數(shù)移動(dòng)。

(2)老年組成員指甲的總含水量與青年組成員組指甲相近，都大約為11%，但自由水與結(jié)合水的含量有差別，前者的結(jié)合水含量比后者低，前者的自由水含量比后者高。

(3)老年組成員指甲表面比青年組成員指甲表面粗糙，兩組成員指甲表面對(duì)應(yīng)的形貌高度分布皆屬于左傾高度分布，但老年指甲表面的形貌紋理取向更明顯。

(4)老年組成員指甲的硬度比青年組成員指甲的高(252 MPa>201 MPa)，其約化彈性模量也比青年組成員指甲高(4.65 GPa>3.99 GPa)。兩組成員指甲試樣表面在低載荷下產(chǎn)生較小的劃痕，但劃痕隨載荷的增大變寬，劃痕底部出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋。相同載荷下，青年組指甲表面的劃痕寬度小于老年組指甲，劃痕尾部的材料堆積比老年指甲的多，青年指甲的耐磨性弱于老年指甲。