青年與老年手指甲表面形貌、成分與力學性能的實驗分析

梁 婷 王 茜 甘超亮 朱旻昊 張蒙祺, 4*

(1.西南交通大學材料科學與工程學院，成都 610031；2.美國西北大學機械工程系，埃文斯頓 60208；3.西南交通大學機械工程學院，成都 610031；4.西南交通大學摩擦學研究所，成都 610031)

1 引言

人指甲是指頭末端軟墊的硬襯背，屬于皮膚的附屬結構，由角化組織構成，是一種扁平的、凸形的、半透明的、稍有彈性的角化結構[1]，起保護、裝飾、幫助抓緊等作用。靈長類動物學家和臨床醫生對人指甲的結構進行了深入研究，證實了指甲具有典型的三明治式結構[2-4]，即約占整個指甲厚度一半的中間層被背側層與腹側層緊緊夾在中間。指甲主要由角蛋白、脂質和水組成，其中水分含量為7%～25%[5]。含水量的多少會影響指甲的力學性能，當含水量高于20%時，指甲會變軟，當含水量低于10%，指甲會開裂[6]。魏鵬等人[7]利用空氣的蒸發作用，基于維氏硬度測量證明了指甲含水量與指甲硬度密切相關，完全水合的指甲的硬度隨著水分的蒸發而增加。指甲的含水量是動態的，它會隨環境條件如溫度和相對濕度的變化而變化，故環境條件也會影響指甲的力學性能[8]。

年齡和性別因素會對指甲的結構與成分產生影響。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]。取自不同性別個體的指甲的形態、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]。疾病也會使指甲結構與成分發生變化，指甲銀屑病使指甲板失去光澤，變得不均勻，甚至導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]。疾病還會影響指甲中蛋白質的二級結構，糖尿病患者指甲中的蛋白質結構主要是α-螺旋結構，慢性疲勞綜合征患者指甲中 α -螺旋結構與 β -片層結構蛋白質都存在，但相比健康者指甲，其 α -螺旋結構含量下降，β -片層結構含量增加[21，22]。有文獻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的區別[23-26]。此外，人們的飲食與生活環境也會影響指甲的成分[27]。

目前研究對指甲結構、成分的影響因素的分析多集中于性別、疾病等，但關于年齡對指甲形態及性能影響的系統性研究尚不充分。本研究就年齡對指甲表面結構、形貌、指甲的水含量及存在形式、壓痕力學性能的影響進行了一定的實驗探索，應用紅外光譜儀、差示掃描熱量儀、原位納米力學測試系統對青年(20～25歲)與老年(70～75歲)指甲表面形貌、力學性能及指甲的含水量進行測試分析與對比。

2 實驗部分

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、生活環境等因素的干擾，本次試驗樣品取自生活在同一地區、生活習性相近的健康女志愿者，并在取樣時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，然后對指甲樣進行清洗，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 實驗分析方法

(1)表面形貌分析：應用日本電子株式會社JSM7800F PRIME場發射掃描電子顯微鏡對青年組與老年組成員的指甲表面原始形貌及劃痕試驗后的形貌進行觀察。所用場發射掃描電子顯微鏡利用二次電子成像，工作電壓為10 kV。由于指甲的導電性較差，所以指甲樣品在放入掃描電鏡真空室之前應用德國徠卡EM ACE 200離子濺射儀給樣品進行噴金處理，增加其導電性。對所有志愿者的指甲(共10片)的原始表面形貌進行分析后發現青年組成員與老年組成員的指甲表面有區別，但是在青年組內或老年組內的區別不大。

(2)表面基團分析：應用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，分析所含基團位置與含量的區別。紅外光譜分析儀的分辨率為0.09 cm-1，測量范圍為500～4000 cm-1。測量結果表明，兩組指甲的紅外光譜有所區別，但是在青年組內或老年組內的區別不大，光譜曲線的峰位基本重合，所以在各組內選擇一個樣品進行指甲含水量的測量與表面力學性能的測試。

(3)指甲水含量分析：采用沃特世DSC 2500 差示掃描熱量儀測量指甲中自由水與結合水的含量。測試過程中設定兩種加熱程序，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，繼續以同樣的加熱速度加熱到180℃，再保溫1小時，該種加熱方法便于計算自由水與結合水的含量。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[28]，旨在得到自由水與結合水的各自含量。

(4)表面力學性能測試：采用Hysitron TI750原位納米力學測試系統獲取指甲樣表面的彈性模量、硬度。壓痕試驗和劃痕試驗之前，需進行鑲樣，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，待樹脂自凝后取出樣塊。然后用1000#、1200#的砂紙在水冷條件下研磨，待快露出指甲樣時，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上進行水冷拋光。壓痕測量與劃痕實驗在原位納米力學測試系統上進行，實驗時需更換壓頭，其中壓痕實驗采用三棱錐的Berkovich金剛石壓頭，其針尖曲率半徑為150 nm。壓痕峰值載荷設定為100μN，壓痕點數為5個，從而得到樣品在每個測量點的彈性模量值和硬度值的數據，再取五點數據的平均值作為壓痕試樣的彈性模量值與硬度值。劃痕試驗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方向，載荷分別選取2、4、6、8、10mN的定載，劃痕長度為15μm，劃痕間歇40 μm。

3 結果與討論

3.1 表面基團

青年組與老年組成員手指甲的紅外光譜結果如圖1所示，譜圖上吸收峰的歸屬和各峰的指認見表2。盡管兩組數據的波形大致相似，但其中PO2、C-O、CH2與CONH基團的峰位有所區別。

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的對稱伸縮振動，老年組成員指甲中相應的吸收峰位于1078.7±1.1 cm-1，研究表明PO2的對稱伸縮振動譜帶強度與細胞核中的DNA的含量有關[29]。角蛋白的C-O基團的振動在青年指甲中位于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基團對稱伸縮振動向高峰位移動約為7 cm-1，這可能與角脂質中亞甲基結構鏈與氫鍵的改變有關。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移動約為10cm-1。CONH多肽吸收峰位置的移動可能與結合水含量有關。與蛋白質成鍵的結合水含量的差異很可能導致蛋白質構型的微小差異，比如致使角蛋白氫鍵化形式和氫鍵化程度發生改變，從而使得吸收峰頻率改變。對于蛋白質構型的微小改變的具體情況，可在今后結合其他分析手段進一步探討。

表2 指甲紅外光譜圖的吸收峰位置與官能團歸屬

3.2表面形貌

指甲表面的掃描電鏡結果如圖2所示，A1與A2是青年組成員指甲上的同一區域，放大倍數分別為300X與1000X，B1與B2是老年組成員指甲上的同一區域，放大倍數分別為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組圖中多數表現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，說明表面對應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

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合水兩種。自由水是指位于指甲中蛋白質組織之外的水，大部分以游離的形式存在，可自由流動；而結合水是指吸附和結合在有機固體物質內的水，主要依靠氫鍵與蛋白質的極性基相結合形成的水膠體。在緩慢加熱過程中，指甲中的自由水先于結合水失去，進一步加熱還會引起角蛋白的分解。

如前文所述，本節采用了兩種加熱方法。加熱方法1的結果曲線如圖4 A所示。圖中兩曲線在200℃左右出現拐點，之后指甲質量開始迅速下降。因此在加熱過程中，指甲質量的損失可以分為兩個階段：一個是在25～200℃溫度范圍，屬于指甲中水的蒸發階段；另一個階段溫度超過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300℃時的質量損失量有所不同，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量損失大于老年指甲的質量損失，可以推斷老年指甲的蛋白質含量少于青年指甲的蛋白質含量。圖4 B是用加熱方法2所得的結果曲線圖，其形態也出現兩個階段，分別對應自由水和結合水的蒸發過程。兩曲線所對應的實驗均在65℃和180℃分別保溫1小時，以保證指甲中自由水和結合水完全蒸發。

圖4 指甲中水含量的測定A.加熱方法1；B.加熱方法2

圖4 A中結果表明，青年組成員與老年組成員指甲的總含水量區別較小，均為11.00%左右，與Barba[28]所測結果11.78%相近。綜合兩圖可計算出老年組、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%，而結合水含量比青年組成員指甲的低。結合水主要是指依靠氫鍵與蛋白質的極性基相結合形成的水膠體，根據老年組成員指甲樣品的結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含量低于青年組成員指甲，此結論與圖4A所示的結果吻合。

3.4 表面力學性能

兩個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，與之前文獻報道的結果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，說明在應力100 μN的作用下，它發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成健的結合水較少，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

納米劃痕實驗后指甲樣的表面形貌如圖6所示，測量劃痕的寬度統計見表4。在同一試樣上，劃痕的寬度隨載荷的增加而增大。當載荷由2 mN變為10 mN時，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構，主要由蛋白質、脂質組成，是具有纖維-基質結構的復合材料[35]。針尖在垂直于纖維方向的劃動受到纖維和基質的共同作用力，而纖維受到針尖的推動從而向兩邊分開，形成明顯的邊緣，劃痕尾部暫時未斷裂的纖維形成材料堆積。劃痕表明試樣角蛋白質分子物質出現了嚴重磨損；而青年組成員指甲試樣表面劃痕尾部周圍出現較多的材料堆積，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)，劃痕底部則出現明顯的長裂紋。

表4 指甲表面劃痕寬度(μm)

4 結論

本研究對青年組與老年組指甲試樣的表面形貌、力學性能、指甲的水含量及存在形式進行了實驗分析。結果表明，青年指甲與老年指甲在某些方面表現出較大的差異性，主要結論是：

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

(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%，但自由水與結合水的含量有差別，前者的結合水含量比后者低，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應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生較小的劃痕，但劃痕隨載荷的增大變寬，劃痕底部出現長裂紋。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。