青年与老年手指甲表面形貌、成分与力学性能的实验分析

梁 婷 王 茜 甘超亮 朱旻昊 张蒙祺, 4*

(1.西南交通大学材料科学与工程学院，成都 610031；2.美国西北大学机械工程系，埃文斯顿 60208；3.西南交通大学机械工程学院，成都 610031；4.西南交通大学摩擦学研究所，成都 610031)

1 引言

人指甲是指头末端软垫的硬衬背，属于皮肤的附属结构，由角化组织构成，是一种扁平的、凸形的、半透明的、稍有弹性的角化结构[1]，起保护、装饰、帮助抓紧等作用。灵长类动物学家和临床医生对人指甲的结构进行了深入研究，证实了指甲具有典型的三明治式结构[2-4]，即约占整个指甲厚度一半的中间层被背侧层与腹侧层紧紧夹在中间。指甲主要由角蛋白、脂质和水组成，其中水分含量为7%～25%[5]。含水量的多少会影响指甲的力学性能，当含水量高于20%时，指甲会变软，当含水量低于10%，指甲会开裂[6]。魏鹏等人[7]利用空气的蒸发作用，基于维氏硬度测量证明了指甲含水量与指甲硬度密切相关，完全水合的指甲的硬度随着水分的蒸发而增加。指甲的含水量是动态的，它会随环境条件如温度和相对湿度的变化而变化，故环境条件也会影响指甲的力学性能[8]。

年龄和性别因素会对指甲的结构与成分产生影响。指甲随年龄增加而变厚[9]，指甲中钙浓度随年龄的增加而增加[10，11]，而铁元素浓度随年龄增加而下降[12]。取自不同性别个体的指甲的形态、微量元素及氨基酸含量存在差异，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，而男生指甲中异亮氨酸含量却低于女生指甲[15，16]。疾病也会使指甲结构与成分发生变化，指甲银屑病使指甲板失去光泽，变得不均匀，甚至导致游离边缘和甲床分离。糖尿病患者指甲中铬含量、锌含量与健康者指甲不相同[17-20]。疾病还会影响指甲中蛋白质的二级结构，糖尿病患者指甲中的蛋白质结构主要是α-螺旋结构，慢性疲劳综合征患者指甲中 α -螺旋结构与 β -片层结构蛋白质都存在，但相比健康者指甲，其 α -螺旋结构含量下降，β -片层结构含量增加[21，22]。有文献探索了糖尿病患者指甲、灰指甲、癌症患者指甲与正常者指甲表面基团的区别[23-26]。此外，人们的饮食与生活环境也会影响指甲的成分[27]。

目前研究对指甲结构、成分的影响因素的分析多集中于性别、疾病等，但关于年龄对指甲形态及性能影响的系统性研究尚不充分。本研究就年龄对指甲表面结构、形貌、指甲的水含量及存在形式、压痕力学性能的影响进行了一定的实验探索，应用红外光谱仪、差示扫描热量仪、原位纳米力学测试系统对青年(20～25岁)与老年(70～75岁)指甲表面形貌、力学性能及指甲的含水量进行测试分析与对比。

2 实验部分

2.1 样品采集与处理

本研究材料是人体手指甲，为了避免性别、疾病、生活环境等因素的干扰，本次试验样品取自生活在同一地区、生活习性相近的健康女志愿者，并在取样时避开志愿者的生理期。分为青年组(20～25岁)和老年组(70～75岁)，每组各5人，样品年龄分布见表1。取样时用指甲刀剪取指甲自由缘，并将其裁剪成3*3 mm的小方块，然后对指甲样进行清洗，清洗过程如下：将样品置于装有5 mL丙酮溶液的小瓶中，超声清洗20 min，再换用去离子水超声清洗2次，每次20 min。清洗过后在每组中选取1人的指甲样进行热重分析，剩余的样品置于干燥箱中60℃干燥2 h。将干燥后的样品装入样品袋中于4℃冰冻保存。

表1 样品年龄分布

2.2 实验分析方法

(1)表面形貌分析：应用日本电子株式会社JSM7800F PRIME场发射扫描电子显微镜对青年组与老年组成员的指甲表面原始形貌及划痕试验后的形貌进行观察。所用场发射扫描电子显微镜利用二次电子成像，工作电压为10 kV。由于指甲的导电性较差，所以指甲样品在放入扫描电镜真空室之前应用德国徕卡EM ACE 200离子溅射仪给样品进行喷金处理，增加其导电性。对所有志愿者的指甲(共10片)的原始表面形貌进行分析后发现青年组成员与老年组成员的指甲表面有区别，但是在青年组内或老年组内的区别不大。

(2)表面基团分析：应用BRUKER Tensor Ⅱ 红外光谱分析仪获取青年组与老年组指甲成员试样(共10片)的红外光谱曲线，分析所含基团位置与含量的区别。红外光谱分析仪的分辨率为0.09 cm-1，测量范围为500～4000 cm-1。测量结果表明，两组指甲的红外光谱有所区别，但是在青年组内或老年组内的区别不大，光谱曲线的峰位基本重合，所以在各组内选择一个样品进行指甲含水量的测量与表面力学性能的测试。

(3)指甲水含量分析：采用沃特世DSC 2500 差示扫描热量仪测量指甲中自由水与结合水的含量。测试过程中设定两种加热程序，加热方法1：以10℃/min的加热速度由25℃加热到300℃，目的是直接计算指甲中总的含水量；加热方法2：以20℃/min的加热速度由25℃加热到65℃，保温1小时，继续以同样的加热速度加热到180℃，再保温1小时，该种加热方法便于计算自由水与结合水的含量。用上述两种加热法分析的样品来自于同一片指甲，加热方法2参考于文献[28]，旨在得到自由水与结合水的各自含量。

(4)表面力学性能测试：采用Hysitron TI750原位纳米力学测试系统获取指甲样表面的弹性模量、硬度。压痕试验和划痕试验之前，需进行镶样，即将大小为3*3 mm的指甲样包埋于硅胶模具中的自凝树脂内，待树脂自凝后取出样块。然后用1000#、1200#的砂纸在水冷条件下研磨，待快露出指甲样时，改用1500#的砂纸轻轻研磨，再用1 μm的金刚石抛光膏于抛光机上进行水冷抛光。压痕测量与划痕实验在原位纳米力学测试系统上进行，实验时需更换压头，其中压痕实验采用三棱锥的Berkovich金刚石压头，其针尖曲率半径为150 nm。压痕峰值载荷设定为100μN，压痕点数为5个，从而得到样品在每个测量点的弹性模量值和硬度值的数据，再取五点数据的平均值作为压痕试样的弹性模量值与硬度值。划痕试验采用球锥形的金刚石划针，其针尖曲率半径2 μm。针尖划痕方向垂直于指甲的生长方向，载荷分别选取2、4、6、8、10mN的定载，划痕长度为15μm，划痕间歇40 μm。

3 结果与讨论

3.1 表面基团

青年组与老年组成员手指甲的红外光谱结果如图1所示，谱图上吸收峰的归属和各峰的指认见表2。尽管两组数据的波形大致相似，但其中PO2、C-O、CH2与CONH基团的峰位有所区别。

图1 指甲样表面的红外光谱图A.青年；B.老年

青年组成员指甲光谱中1072.5±3.2 cm-1为PO2的对称伸缩振动，老年组成员指甲中相应的吸收峰位于1078.7±1.1 cm-1，研究表明PO2的对称伸缩振动谱带强度与细胞核中的DNA的含量有关[29]。角蛋白的C-O基团的振动在青年指甲中位于1113.3 cm-1附近，而在老年指甲中却位于1122.9 cm-1附近。相比青年组成员指甲，老年组成员指甲角蛋白膜脂分子中的CH2基团对称伸缩振动向高峰位移动约为7 cm-1，这可能与角脂质中亚甲基结构链与氢键的改变有关。此外，相比青年组成员指甲，CONH多肽的特征吸收峰在老年组成员指甲中向高波数移动约为10cm-1。CONH多肽吸收峰位置的移动可能与结合水含量有关。与蛋白质成键的结合水含量的差异很可能导致蛋白质构型的微小差异，比如致使角蛋白氢键化形式和氢键化程度发生改变，从而使得吸收峰频率改变。对于蛋白质构型的微小改变的具体情况，可在今后结合其他分析手段进一步探讨。

表2 指甲红外光谱图的吸收峰位置与官能团归属

3.2表面形貌

指甲表面的扫描电镜结果如图2所示，A1与A2是青年组成员指甲上的同一区域，放大倍数分别为300X与1000X，B1与B2是老年组成员指甲上的同一区域，放大倍数分别为300X与1000X。由图可看出青年组成员指甲表面较为平整光滑，老年组成员指甲表面更为粗糙。

图2 指甲表面的扫描电镜图A.青年；B.老年；A1、B1：300X；A2、B2：1000X

指甲表面的白光干涉如图3所示，A1～A4和B1～B4分别为青年组和老年组成员指甲表面的三维形貌图。B组图中多数表现出明显的形貌纹理取向。青年组成员指甲表面粗糙度为8.4～10.0 μm，老年组成员指甲表面粗糙度为11.0～13.2 μm，青年组成员指甲的粗糙度比老年组成员指甲的小，这与扫描电镜观察的结果一致，表明青年组成员指甲表面比老年组成员指甲更为光滑。研究表明人类皮肤随年龄的增大会变得粗糙，指甲的变化与之类似[30, 31]。指甲表面的倾斜度(Rsk)和峰度(Rku)见表3。该结果表明，青年组成员指甲与老年组成员指甲表面的倾斜度基本为正，说明表面对应的形貌高度分布属于左倾高度分布，微凸体形貌总体在基准线下方；青年组成员指甲与老年组成员指甲的峰度值都小于3，说明指甲表面的微凸体形貌高度分布属于平坦型。

表3 指甲表面其他参数

图3 指甲表面的白光干涉图A.青年组；B.老年组

3.2 指甲的水含量及存在形式

指甲中的水分有自由水和结合水两种。自由水是指位于指甲中蛋白质组织之外的水，大部分以游离的形式存在，可自由流动；而结合水是指吸附和结合在有机固体物质内的水，主要依靠氢键与蛋白质的极性基相结合形成的水胶体。在缓慢加热过程中，指甲中的自由水先于结合水失去，进一步加热还会引起角蛋白的分解。

如前文所述，本节采用了两种加热方法。加热方法1的结果曲线如图4 A所示。图中两曲线在200℃左右出现拐点，之后指甲质量开始迅速下降。因此在加热过程中，指甲质量的损失可以分为两个阶段：一个是在25～200℃温度范围，属于指甲中水的蒸发阶段；另一个阶段温度超过200℃，属于角蛋白的热分解阶段。前一阶段青年与老年组成员指甲的质量损失相近，大约都为11.00%；而青年与老年组成员指甲在到达300℃时的质量损失量有所不同，前者的损失量为27.72%，后者的损失量为22.26%。由指甲角蛋白热分解造成青年指甲的质量损失大于老年指甲的质量损失，可以推断老年指甲的蛋白质含量少于青年指甲的蛋白质含量。图4 B是用加热方法2所得的结果曲线图，其形态也出现两个阶段，分别对应自由水和结合水的蒸发过程。两曲线所对应的实验均在65℃和180℃分别保温1小时，以保证指甲中自由水和结合水完全蒸发。

图4 指甲中水含量的测定A.加热方法1；B.加热方法2

图4 A中结果表明，青年组成员与老年组成员指甲的总含水量区别较小，均为11.00%左右，与Barba[28]所测结果11.78%相近。综合两图可计算出老年组、青年组指甲样品的自由水含量分别约为7.21%与5.81%，结合水的含量分别约为3.79%与5.19%。老年组成员指甲的自由水含量比青年组成员的高约24.1%，而结合水含量比青年组成员指甲的低。结合水主要是指依靠氢键与蛋白质的极性基相结合形成的水胶体，根据老年组成员指甲样品的结合水含量低于青年组成员指甲可判断，老年组成员指甲中蛋白质含量低于青年组成员指甲，此结论与图4A所示的结果吻合。

3.4 表面力学性能

两个年龄指甲样品表面的约化弹性模量和硬度平均值如图5示，青年组成员指甲的约化弹性模量值和硬度值分别为3.99 GPa和201 MPa，与之前文献报道的结果3.89 GPa[32]和0.23 GPa[33]接近。老年组成员指甲表面的约化弹性模量和硬度值分别为4.65 GPa和252 MPa。相比青年组成员指甲，老年组成员指甲的约化弹性模量与硬度要分别高出16.5%与25.4%。老年组成员指甲的约化弹性模量值比青年组成员指甲的大，说明在应力100 μN的作用下，它发生的弹性变形比青年指甲的小，其韧性比青年指甲差。指甲的硬度受指甲含水量的影响[8, 34]，由于指甲的硬度与指甲的含水量成反比，与青年组成员指甲相比，老年组成员指甲中与蛋白质成健的结合水较少，而自由水较多，造成其较高的硬度。

图5 指甲外表面的约化弹性模量与硬度

纳米划痕实验后指甲样的表面形貌如图6所示，测量划痕的宽度统计见表4。在同一试样上，划痕的宽度随载荷的增加而增大。当载荷由2 mN变为10 mN时，青年组成员指甲试样上的划痕宽度由2.2μm变到6.4μm，老年组成员指甲试样上的划痕宽度从2.0μm变成6.0μm。由于老年组成员指甲硬度相对较高，所以在相同载荷作用下，其上的划痕宽度较小，这说明其耐磨性比青年组成员指甲试样高。

图6 指甲表面纳米划痕A.青年；B.老年；1～5施加载荷为2、4、6、8、10 mN(10000X)

指甲是皮肤的附属结构，主要由蛋白质、脂质组成，是具有纤维-基质结构的复合材料[35]。针尖在垂直于纤维方向的划动受到纤维和基质的共同作用力，而纤维受到针尖的推动从而向两边分开，形成明显的边缘，划痕尾部暂时未断裂的纤维形成材料堆积。划痕表明试样角蛋白质分子物质出现了严重磨损；而青年组成员指甲试样表面划痕尾部周围出现较多的材料堆积，同样说明其耐磨性不如老年指甲试样。在小载荷作用下，划痕较小，划针只对指甲表面造成轻微划伤。而在大载荷作用下(6、8、10 mN)，划痕底部则出现明显的长裂纹。

表4 指甲表面划痕宽度(μm)

4 结论

本研究对青年组与老年组指甲试样的表面形貌、力学性能、指甲的水含量及存在形式进行了实验分析。结果表明，青年指甲与老年指甲在某些方面表现出较大的差异性，主要结论是：

(1)相比青年组成员指甲的红外光谱，老年组成员指甲中PO2的对称伸缩振动、C-O基团振动、CH2基团对称伸缩振动及CONH多肽的特征吸收峰向高波数移动。

(2)老年组成员指甲的总含水量与青年组成员组指甲相近，都大约为11%，但自由水与结合水的含量有差别，前者的结合水含量比后者低，前者的自由水含量比后者高。

(3)老年组成员指甲表面比青年组成员指甲表面粗糙，两组成员指甲表面对应的形貌高度分布皆属于左倾高度分布，但老年指甲表面的形貌纹理取向更明显。

(4)老年组成员指甲的硬度比青年组成员指甲的高(252 MPa>201 MPa)，其约化弹性模量也比青年组成员指甲高(4.65 GPa>3.99 GPa)。两组成员指甲试样表面在低载荷下产生较小的划痕，但划痕随载荷的增大变宽，划痕底部出现长裂纹。相同载荷下，青年组指甲表面的划痕宽度小于老年组指甲，划痕尾部的材料堆积比老年指甲的多，青年指甲的耐磨性弱于老年指甲。