（机械电子工程专业论文）指甲的微观力学和摩擦学性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第t 页 摘要 指甲具有保护指尖、搜索和抓紧等功能，这些功能的实现依赖于指甲的结构和性能。 然而，在实现这些功能的同时，指甲也承受到大量不同程度的变形和损伤。此外，水对 指甲的性能有重要影响，同时也是其变形恢复的重要因素。因此，研究指甲的微观力学 和摩擦学性能并考察水对上述性能的影响规律，不仅可以丰富生物摩擦学的理论知识， 研究结果也对指甲的护理和仿生复合材料的研制具有重要的参考价值。 本文首先利用扫描电子显微镜( s e m ) 和能谱仪( e d x ) 分析了指甲的微观结构和成分， 进而利用显微硬度仪、纳米压痕 划痕仪( n h t n s t ) 和光学显微镜( o m ) ，深入研究了指甲 的微观力学和摩擦学性能以及变形恢复特性，并通过与鸡爪角蛋白进行对比，初步探讨 了微观结构和水对于指甲性能的影响。通过研究，本文获得主要结论如下： 1 水对指甲的力学性能有很大影响。水合条件下指甲的硬度较低，伴随着水合指甲中 水分的蒸发，指甲的显微硬度在最初1 0 0m i n 内迅速增大，2 0 0m i n 后达到稳定值。 最后，处于完全干燥状态的指甲的显微硬度达到水合状态下的2 3 倍。另外，指甲 的硬度在不同的方向上也表现出明显的各向异性，在完全干燥状态下，表面和横截 面样品的显微硬度分别为1 5 6m p a 和2 0 5m p a 。 2 由于指甲中间层中纤维的特殊排布取向，指甲横截面的摩擦系数表现出各向异性。 无论是干燥样品还是水合样品，平行于纤维方向的摩擦系数都比垂直于纤维方向的 低，但是前者的真实损伤比后者更严重。指甲中的水分由于降低了指甲的硬度，使 划痕宽度增大，但是能够减小指甲表面摩擦力的波动，同时保护指甲表面免受划痕 损伤。指甲油和护甲油在一定程度上能够保护指甲，但表现出较高的划痕摩擦系数。 3 水对于保护指甲具有重要的作用。由于指甲的基质溶胀和纤维回弹，浸泡在水中1 0 m i n 以内，指甲的压痕和划痕变形均可恢复。相对于法向力，切向力更容易使指甲 发生破坏。指甲不同截面上的变形恢复表现出明显的各向异性。表面上压痕和划痕 的恢复速度最快，而纵截面上的最慢。 4 鸡爪的外层为片状结构，内层为无定形组织，从外层到内层，s 含量逐渐降低，纳 米硬度和弹性模量也逐渐降低。结构和成分的不同导致指甲和鸡爪的力学性能和恢 复特性都有较大差别，这是适应自然的结果。 关键词：指甲；鸡爪；压痕；划痕；恢复 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ef i n g e r n a i l sa r eg e n e r a l l yu s e df o rav a r i e t yo ff u n c t i o n si n c l u d i n gp r o t e c t i n g ，f o r a g i n g , a n dg r i p p i n g t h ea c h i e v e m e n to ft h e s ef u n c t i o n sd e p e n d so nt h es t r u c t u r ea n dp h y s i c a l p r o p e r t i e so ff i n g e r n a i l s h o w e v e r , t h en a i l sa r es u b j e c t e dt ol a r g en u m b e r so fd i f f e r e n te x t e n t s o fd e f o r m a t i o n sa n dt r a u m a sd u r i n gt h ep r o c e s s e s w a t e rp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fn a i l s t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no ft h em i c r om e c h a n i c a la n d f r i c t i o n a lp r o p e r t i e so ff i n g e r n a i l sc a r ln o to n l ye n r i c ht h ek n o w l e d g eo f b i o t r i b o l o g y , b u ta l s o p r o v i d es u g g e s t i o n sf o rt h ec a r ea n dm a i n t e n a n c eo ff i n g e r n a i la sw e l la sd e s i g no fb i o n i c c o m p o s i t e s w i t has c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n de n e r g y - d i s p e r s i v ex - r a ys p e c t r o s c o p y ( e d x ) ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n to ff i n g e r n a i lw a sc h a r a c t e r i z e d t h em i c r o m e c h a n i c a la n df r i c t i o n a lb e h a v i o r so ff i n g e r n a i l sw e r ei n v e s t i g a t e db ya no p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，am i c r o h a r d n e s si n d e n t e ra n dan a n o - i n d e n t a t i o n s c r a t c ht e s t e r ( n h t n s t ) f i n a l l y , t h e e f f e c t so fm i c r o s t r u c t u r ea n dw a t e ro nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i n g e r n a i l sw e r ed i s c u s s e db a s e d o nt h ec o m p a r i s o nw i mt h ec h i c k e nc l a wk e r a t i n t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h er e s e a r c hc a nb e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 w a t e ri nt h ef i n g e r n a i l sp l a y sa i le x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei ni t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t ht h ew a t e ri nh y d r a t e df i n g e r n a i l se v a p o r a t i n gi na i r , t h em i c r o h a r d n e s so ff i n g e r n a i l s s h o w saq u i c ki n c r e a s ei nt h ef i r s t10 0m i na n dl e v e l so f fa f t e r2 0 0m i n f i n a l l y , t h e m i c r o h a r d n e s so ff i n g e r n a i l si nt h ef u l l yd e h y d r a t e ds t a t ei s2 3t i m e sl a r g e rt h a nt h a ti n t h eh y d r a t e ds t a t e h o w e v e r , t h eh a r d n e s so ff i n g e r n a i lp r e s e n t so b v i o u sa n i s o t r o p yo nt h e d i f f e r e n ts e c t i o n s i nt h ed e h y d r a t e ds t a t e t h em i c r o h a r d n e s so fs u r f a c ea n dc r o s ss e c t i o n s a m p l e sa r e15 6m p a a n d2 0 5m p a 2 o w i n g t ot h es p e c i a lo r i e n t a t i o no ff i l a m e n ti nt h ei n t e r m e d i a t el a y e ro ff i n g e r n a i l s ，t h e f r i c t i o no nt h ec r o s ss e c t i o no ff i n g e r n a i ls h o w sa na n i s o t r o p i cb e h a v i o r e i t h e ro nt h e d e h y d r a t e do rh y d r a t e df i n g e r n a i l s ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta l o n gt h ep a r a l l e ld i r e c t i o no f f i l a m e n ti sl o w e rt h a nt h a ta l o n gt h ev e r t i c a ld i r e c t i o no ff i l a m e n t t h ew a t e ri n f i n g e r n a i l sr e d u c e st h ef l u c t u a t i o no ff r i c t i o nf o r c eo ns u r f a c ea n dp r o t e c t st h es u r f a c eo f f i n g e r n a i l sf r o ms c r a t c hd a m a g e t h en a i le n a m e la n dv a r n i s hc o u l dp r o t e c tt h en a i lf r o m s c r a t c hd a m a g et os o m ee x t e n t 3 w a t e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ep r o t e c t i o no fn a i l s o w i n gt ot h es w e l l i n go ff i n g e r n a i l m a t r i xa n dr e c o v e r yo ff i b e r s ，t h ei n d e n t sa n ds c r a t c h e so nt h ef i n g e r n a i ls a m p l e sc o u l db e 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 r e c o v e r e db yd i p p e di nw a t e rw i t h i n10m i n c o m p a r e dt on o r m a lf o r c e ，t h ef i n g e r n a i li s m o r ee a s i l yd a m a g e db ys h e a rf o r c e t h er e c o v e r yo ft h ed e f o r m a t i o n si nw a t e rr e v e a l s o b v i o u sa n i s o t r o p yo nt h ed i f f e r e n ts e c t i o n so ff i n g e r n a i l s t h er e c o v e r ys p e e do ft h e i n d e n t sa n ds c r a t c h e so nt h es u r f a c eo ff i n g e r n a i l si st h ef a s t e s t ，a n dt h es l o w e s tr e c o v e r y h a p p e n sf o rt h e s ed e f o r m a t i o n so nt h el o n g i t u d i n a ls e c t i o n 4 t h eo u t e rl a y e ro fc h i c k e nc l a wi ss h e e ts t r u c t u r e ，a n dt h ei n n e rl a y e ri sa m o r p h o u s f r o m o u t s i d et oi n s i d e ，t h ec o n t e n to fs u l f u rg r a d u a l l yd e c r e a s e s a sar e s u l t ，t h en a n o h a r d n e s s a n de l a s t i cm o d u l u sa l s od e c r e a s e t h ei n d e n t a t i o n so i lt h ec l a w sc o u l db ef u l l yr e c o v e r e d a f t e rt h es a m p l e sw e r ed i p p e di nw a t e rf o r3 0m i n , w h i c hi sm u c hs l o w e rt h a nt h a to f n a i l s t h er e a s o nm a yb ea t t r i b u t e dt ot h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no fn a i l sa n dc l a w s s u c hb e h a v i o ri st h er e s u l to f a d a p t a b i l i t yt on a t u r e k e yw o r d s ：f i n g e r n a i l ；c h i c k e nc l a w ；i n d e n t a t i o n ；s c r a t c h ；r e c o v e r y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：黼 指导老师签名： 日期：扩o 、f 、i 识磁 日期：如p f 歹7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 使用扫描电子显微镜( s e m ) 和能谱仪( e d x ) 分析了指甲的微观结构和成分，进而 利用纳米压痕仪研究了指甲横截面样品沿厚度方向硬度的变化，并使用维氏硬度仪测试 了指甲硬度随水分含量的变化，着重讨论了水对指甲力学性能的影响。 2 使用纳米划痕仪测试了指甲表面和横截面样品的摩擦学性能，探讨了水分、化 妆品和纤维排布对指甲摩擦学性能的影响，并提出了指甲护理的几点建议。 3 使用光学显微镜( o m ) 和表面轮廓仪研究了指甲上的压痕和划痕变形在水中的 恢复过程，探讨了变形恢复的机理。 4 通过对比两种不同的角蛋白材料指甲和鸡爪的微结构、纳米压痕性能和变形 恢复特性，进一步探讨了水分、结构对性能的影响。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：翘屯粥 日期：砷1 3 譬1 1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 生物摩擦学 摩擦学是研究作相对运动的接触表面及其有关理论与实践的一门学科【l 。3 】。摩擦学的 研究领域中融合了机械工程学、材料科学、力学、表面化学和表面物理等学科，包含表 面表征、摩擦、磨损、润滑、润滑系统的选择和设计等方面的课题。随着人类社会进步， 摩擦学研究也从传统的机械领域逐渐向微纳米摩擦学、极端工况下( 高速、高低温、高 载荷、特殊环境或介质条件下) 的摩擦学以及生物摩擦学发展。 生物摩擦学是d o w s o n 在19 7 3 年提出的，其研究内容主要包括所有关于生物系统的 摩擦学问题【4 】。生物摩擦学作为摩擦学领域内一个正在迅速发展的重要分支，它涉及机 械学、材料学、力学、物理学、化学、生物学、生物医学工程等重要领域，具有很强的 学科交叉性。根据研究对象可分为两类【5 】：一是涉及人体的摩擦学问题，如角膜、心脏 瓣膜、皮肤、牙齿、人工关节等在生物体环境及人体体内介质介入的摩擦磨损行为，目 的是研究其摩擦学机理，改良人工摩擦副；二是涉及动植物体的摩擦学问题，如竹材的 结构与磨损，叶子表面纤维生物组织、结构与表面粘附关系以及鸟类羽毛结构、组织与 飞行阻力等。而研究对象的特征尺寸已从宏观发展到微观，甚至是纳米尺度。 生物摩擦学与一般摩擦学问题相比，除了具有鲜明的学科交叉性外，还有以下几个 特点睁叼：1 ) 存在的普遍性。生物摩擦学问题在动、植物领域非常普遍，而人体摩擦学问 题就涉及到心脏瓣膜、关节、牙齿、人体皮肤、骨骼系统、眼睛和毛发等诸多人体器官； 2 ) 生物活性和生物学反应，如体内的关节液在各种微循环和交换中保持优异的润滑特 性，人牙在再矿化和唾液的协同作用下具有优良的摩擦磨损特性，鱼类和土壤类动物的 皮肤表面可以分泌特殊的体液起到降附减阻的作用；3 ) 独特的材料显微组织结构。如牙 齿由较硬的牙釉质和较软的牙本质和牙髓组成，这种外硬内软的结构使牙不仅具有良好 的耐磨性，而且具有减缓冲击的作用；贝壳的表面分布着粒状或球状的增强相，可以在 沙石中移动时抵抗磨损，保护肌体；4 ) 奇异的表面形貌，所有动、植物及微生物在经过 上万年进化，造就了适应周边环境的能力，许多动物的表面为几何非光滑结构或具有协 同柔性变形的能力，以减少粘着、降低阻力，如沙漠甲虫依靠背部的亲水和斥水表面的 交互作用来收集空气中的水分【9 】；加上生物活性、独特的显微组织、结构和表面形貌等 特性，使生物体内摩擦副或肌体表面表现出优良的表面摩擦学特性，如苍蝇和壁虎能够 控制足上微绒毛( 图1 1 a ，b ) 的接触角度来调节粘着力，在行动过程中自由实现附着和脱 附着 o 】；荷叶表面的微凸体( 图1 一i c ) 并d 蜡结晶层使荷叶具有强疏水性和自清洁功能 1 2 】。 苴里銮鎏銮：竺圭竺耋兰喾竺耋三星：至 a 】苍蝇足的接触单元b ) 壁虎足的接触单元【1 4 lc ) 莲属植物表面微结构 图1 - 1 生物表面特异的微结构 离开了摩擦，人类的生存活动也就无从谈起。人需要依靠脚与地面摩擦才能行走、 运动，拿捏物体需要手部皮肤与物体之间的摩擦作用，等等。人体内摩擦学现象也无处 不在，比如活动过程中各活动关节间存在摩擦，血液对血管壁产生冲刷吃饭时上f 牙 发生咬合。园此，著名摩擦学家j o s t 认为，摩擦是人类生存的基本前提 j 。这些摩擦学 现象发展到定程度就会引发严重的摩擦学问题，如摩擦严重情况下，手、脚部皮肤会 红肿甚至破损关节发生严重磨损导致骨头坏死，牙齿严重磨损导致牙髓感染。同样， 人工器官也不例外，如种植义齿上下部联接部位可能由于摩擦艘生松动断裂，血液流动 对人工心脏瓣膜产生冲蚀磨损，骨折患者的内固定中夹板和固定螺丝、骨之间发生微动 摩擦磨损。随着生活水平的提高，人们对生话舒适度和生活质量更加关注。同时，人造 器件的需求也越来越高，它们的使用寿命和可靠性与其摩擦学性能及生物相容性紧密相 关。伴随着摩擦学、医学、生物技术、材料科学的快速发展，人们对生物摩擦学的研究 同益重视m 因此研究生物摩擦学问题对于政善人类生活的质量有着实际的意义。 12 仿生摩擦学 仿生摩擦学或称为摩擦学仿生，其研究涉及生物学和摩擦学乃至其他相关学科的交 叉渗透。仿生的基本理念是从自然体系获得灵感用于技术创新。随着仿生技术的兴起， 生物摩擦学的研究领域得到极大的扩展，研究目标也跨越了医学、生命科学，人们试图 将生物体的结构、村料和作用机理通过仿生学方法引入到其它领域，由此引出了仿生摩 擦学的研究思想。摩擦学仿生通过模拟天然生物体材料结构及优异的摩擦学行为，揭示 表面形态、材料系统的功能，进而发展新的摩擦学技术系统或研制摩擦学新材料口“。 摩擦学仿生研究不同生物的表面质构、材料特性及其与环境的相互关系，并用所获 得的知识指导摩擦学设计。因此，研究生物表面摩擦学行为时，既要考虑生物表面形态 及其动态变化也要考虑生物材料的结构特征。摩擦学仿生从系统构成上可分为摩擦学 材料仿生和摩擦学表面彤态仿生，前者如仿生复台摩擦学材料、仿生涂层和仿生润滑材 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 料，后者如非光滑几何表面形态仿生、柔性非光滑仿生及仿生耐磨形态等。从摩擦学功 能而言，还可咀将摩擦学仿生划分为减摩仿生、耐磨仿生及防粘仿生等。 目前，基于生物材料奇异的结构特征、表面形态和摩擦学性能，许多优异的摩擦学 仿生材料已经被设计并得到应用，如基于“荷叶效应”的仿生自清洁技术在纺织品、油 漆、玻璃、瓷砖、塑料等多个领域开发产品【l ”，主要应用于室外受到雨淋或能够喷洒清 洗的表面：基于土壤动物体表柔性非光滑特征设计的仿生装置用于铲斗、轮斗、挖斗、 白卸车车厢等触土部件上具有显著的脱附效果i ” 在一些厨具的设计中也得到应用：基 于海豚、鲨鱼表面形态的表面减阻结构( 图1 之) 用于船舶和航行器能够明显降低前进阻 力，同时还被用于泳装表面的减阻设计m j ：基于竹材表面层的梯度材料结构设计的部件 可实现表面层耐磨的同时保证心部有足够韧性，这对许多部件具有重要意义。 图1 0 基于鞴鱼皮表面形态( a j 的飞机表面仿生减阻结构模型0 r ” 仿生摩擦学和生物摩擦学既紧密联系又存在明显的区别，这两个研究领域从不同的 研究目的出发关注相同的载体生物体。生物摩擦学的关注点在生物体上具体要解决 的问题也是生物系统内存在的问题，如人造器官置换、疾病成因、牙齿和关节磨损、运 动行为及结构特征等：仿生摩擦学是将生物结构所具有的优异的摩擦学性能转化到工程 应用实践中，去解决一些工程问题，主要注重于仿生结果。 l3 角蛋白材料及其研究现状 13 1 角蛋白材料介绍 角蛋白是我们虽熟悉的纤维蛋白质，由上皮细胞产生，它构成了所有陆生脊桎动物 的保护性覆盖，包括毛发、皮肤、爪、指( 趾) 甲、蹄、角、鳞、喙和羽毛 2 i 2 3 1 。角蛋白 是一类具有从纳米到厘米尺度上分级结构的蛋白质纤维增强的天然生物复合材料，高模 量的纤维嵌入低模量的黏弹性基质中脚】。基质起到传递外加负载到纤维的媒介作用，从 而防止裂缝从局部不完整或损坏的区域扩展。 角蛋白按成分和结构可分为d 角蛋白和b 角蛋自。d 角蛋白富舍半胱氢酸残基，二 级结构几乎都呈m 螺旋结构，二级结构之间形成大量的二硫键，b 角蛋白宫舍小侧链甘 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 氨酸、丝氧酸和丙氨酸残基，二级结构几乎都呈b 一片层结构( 如图1 - 3 ) 。而按物种可分为 哺乳动物角蛋白、乌角蛋白和爬虫类角蛋白。大部分角蛋白是慢- 螺旋，但是鸟类的羽毛 和非哺乳动物的较硬部分则是复杂的b 片层。羽毛的角蛋白构造相当复杂，是由1 3 - 片层 结构和一种未完全明了的结构所构成。爬虫类( r e v t i l e ) 和鸟类的皮、鳞、爪和喙都是b 角蛋白，但两栖类则是q 角蛋白。爬虫类演化到鸟类过程中，n 角蛋白逐渐发展成形的 时候，b 角蛋白也发展成了q 角蛋白的分支p j 。 讪a 螺旋结构”阻片层结构 幽1 - 3 角蛋向分子的一级结柑8 ” 角蛋白极稳定，不溶于一般溶剂，但溶于无机硫化物溶液，制革工业中用无机硫化 物脱毛就是利用这性质。角蛋白的稳定性是由于肽链问有为数众多的二硫键，氧化、 还原和水解都可使二硫键破坏，角蛋白亦可被蛋白水解酶分解，而部分角蛋白的钙化和 其他盐类的矿化会增大硬度2 ”，角蛋白材料具有刚性、韧性和耐磨性等优异的力学性 能。a 角蛋白具有极强的伸张力，羊毛纤维可以拉长到原来的两倍。当被拉长时，“螺 旋内部的氢键断裂，形成伸展的b 一片层结构。当张力过大，纤维被拉长两倍以上，去除 张力以后残存的氢键已无法使纤维恢复原态。而螺旋之间的二硫键一方面可增大纤维 的抗拉能力，另一方面当拉力去除之后可产生恢复力m 】。概况地说，角蛋白的物理性质 是源自肽链结构、链间的氢键、链间交叉相连的二硫键以及纤维嵌入无定形网络时的排 列方式。 角蛋白材料的性能与其结构密切相关，在近几十年，研究人员从各个角度对角蛋白 材料进行了广泛研究，进一步加深了对角蛋白材料的认识。 1 蹄角角蛋白材料 蹄壁f 图1 - 4 a ) e ： 釉层、冠状层和小叶层构成mj 。釉层为蹄壁的最外层由角质化的 扁平细胞构成。冠状层是蹄壁最厚的一层，主要由角蛋白细胞以两种方式于菲列而成。约 有半数角蛋白细胞由真应乳突处产生并形成细管结构，细管结构平行于蹄壁外表面( 圉 l 4 b h 细管周围的细胞宽大、扁平，它们共同形成了周围有纤维螺旋缠绕的中空圆柱管。 其余的角蛋白细胞也是宽大、扁平的，它们从乳突间的基膜处产生，互相交织形成一系 堑至圣塑查兰至圭至塞圭兰堡耋圣茎：墨 列纤维相互平行的平面，纤维取向大致与细管垂直1 2 ”。小叶层位于最内层，由大量纵向 的角质小叶构成。 曲剖面全貌m 冠状层上的细管结构 图1 4 羊蹄壁的扫描电镜照片 和所有的生物组织一样，蹄壁是非均质材料，因而在力学上表现出各向异性”w 。通 过在马蹄壁不同部位进行单轴压缩试验，发现同一蹄壁上的弹性模量值从基部到冠部呈 现递减趋势。而b 脚旧河4 试了马蹄样品从冠部 i 基部共5 个不同部位的断裂韧性， 最末端的断裂韧性明显小于其他部位。由于沿蹄壁厚度方向上细管的分布密度、尺寸和 形状都发生变化，因而蹄壁沿厚度方向的力学性能也不同。马蹄壁的拉伸试验表明沿壁 厚方向上样品的弹性摸量呈下降的趋势，样品的弹性模量从外到内分别为o5 6 、o4 3 、 0 3 0g p a ，内外差异接近一倍m 。而马蹄壁外部和内部的弯曲模量和屈服强度的差异也 分别接近1 倍和2 5 倍，外部样品的弯曲模量和屈服强度明显大于内部样品咿j 。 角蛋白材料的水合状态极大地影响其性能，研究表明硬角蛋白材料的刚度与其水舍 程度成反比 矧。b 盯i r 姐j ”悃拉伸试验考察了水分对马蹄壁角蛋白的刚性和韧性的影响， 随着水分降低，刚度明显提高，而屈服应力也逐渐增大，在低于5 3 r h 时材料破坏已 表现为脆性断裂。马蹄壁角蛋白材料在7 5 r i - 1 时具有适当的刚度以及较高的屈服应力 和延展性，此时马蹄壁中水分古量相当于在体水分，表明生物在进化过程中选择了最有 利的材料组织结构。更多研究表明，随着样品水分的提高，驴蹄和牛蹄样品的刚度随之 降低【”“i ，羚羊角样品的弯曲模量和拉伸强度逐渐下降，同时黏弹性也向非线性发展 m l 。b o i l s 一”1 利用自制的试验台分析了干、湿牛蹄样品与砂纸滑动的摩擦磨损特性。试 验结果表明，在细砂纸上湿样品较干样品更难磨损。而干、湿牛蹄样品与不同地面的摩 擦磨损试验结果表明，湿样品的摩擦力一般比千样品太，能够有效防止滑倒m j 。 2 羽毛角蛋白 羽毛由羽轴和羽片组成，兼有高强度和低重量。羽轴从囊泡中生长出，两侧生长由 许许多多平行细长的羽支组成的羽片而每根羽支的两侧又密生精细的羽小枝( 如图 1 - 5 1 ，而羽小枝上的羽小钩发生互锁，使整个羽毛结构坚固、外形柔韧 。羽轴的皮质 层是由1 3 角蛋白组成，可分为内外层，内层纤维平行于羽轴，而外层纤维沿圆周方向分 塑垦圣堡奎耋竺圭墼塞兰兰堡丝塞矍! 至 布，从羽轴根部到尖端厚度逐渐减小m 圳。 图1 - 5a ) 羽毛的羽轴及羽片：m = 【习片由羽支和羽小技组成，靠羽小钩的互锁稳定”。 在飞行过程中羽轴会受到很大的弯曲应力，而它的弯曲行为主要由羽轴的几何特征 和力学特性挟定的。羽轴的截面形状和纤维排布沿轴向变化，因而轴向上截面惯性矩和 杨氏模量发生变化弯曲刚度也会随之改变。p u r s l o w 和v i n c e n t t ”i 通过定量模拟企鹅 羽轴沿轴向的杨氏模量变化在决定弯曲行为时的作用，指出弯曲刚度的变化主要由羽轴 外部皮质的形状来控制。b o r t s e r 和p u r s l 州4 唧测试了八种羽毛的杨氏模量值，平均模量 值为25 0 g p a ，并发现杨氏模量的种问变化是很小的。而杨氏模量值从羽根到羽尖约增 加2 倍这是轴向排列的角蛋白纤维所占比例增大导致的。 黑色素沉积在角蛋白材料中，对材料的性能有很大的影响。b o r i s 一4 74 8 悃显微硬度 仪测试丁雷乌羽毛和欧洲八哥喙的硬度值，结果表明，相对于腹部非黑素羽毛角蛋白， 雷鸟背部的黑素羽毛角蛋白的维氏硬度提高大约3 9 ，而欧洲八哥的黑素喙的维氏硬度 也比非黑素的大。由于材料的压痕硬度与磨损率是成反比的e 4 ”，因此以上结果表明黑素 角蛋自比非黑素角蛋白更抗磨损。大量研究证实了黑素角蛋白具有更好的耐磨性，但并 没有从两种角蛋白材料的性能差异方面给出解释。 3 毛发角蛋白 人们已经对人发和革毛角蛋白进行了详细的研究，最早用来研究角蛋白的是羊毛。 头发由毛干和毛囊组成，具有分级结构( 如图1 6 ) ，毛干从外到内可分为毛小皮、皮质和 髓质三层。毛小皮的扁平细胞组成鳞片状结构包裹内部的皮质层。皮质层细胞由许多粗 纤维、细纤维和原纤维组成。髓质位于毛千的中心，由 3 层多角形角化细胞组成删。除 髓质细胞的角蛋白结构为8 折叠以外，毛小皮和皮质细胞的角蛋白结构均为螺旋口”。 羊毛的基本结构与头发类似，也可分为鳞片层、皮质层和髓质层。 毛发角蛋白极具伸张性，在湿热条件下毛发可以拉长到原来的两倍而不断裂i = 2 】。一 般情况下，头发的延伸率为4 0 ， 4 6 ，极限拉伸强度为1 9 3m p a - 2 2 6m p a 。毛发角蛋白 的机械性能受水的影响很大干态下头发的断裂强度和断裂伸长率均高于湿态，这是由 于水破坏了头发纤维中的氢键，减弱了头发纤维的拉伸性能，同时，头发的断裂强度和 断裂伸长率均与纤维取向度和结晶度成证比。 麟 堑霎耋塑銮耋至圭墼塞兰茎堡尘圣堇：至 图1 - 6 毛发的结构” 1 32 指甲的结构及其研究现状 指甲是灵长类动物特有的结构，是由位于指骨或趾骨之上的角质板组成的，用来保 护手指和脚趾的末端1 5 “。甲板厚度约为0 5m m ，由于生长过程中形成新的细胞形态， 所以指甲生长速度比较缓慢，每周生长约1m m 。指甲覆盖在一层充满血管的组织上， 因此看上去是粉红色的旧。 和头发一样，指甲是一种复杂的角蛋白材料。人类指甲的结构已经被灵长类动物学 家i ”5 9 啪临床医生舯删进行了深入的研究。作为一种典型的复合材料，指甲板可以分为 三层角蛋白组织背层，中间层和腹层3 。6 6 l 。背层较窄，处于指甲的最外层，约占指甲 厚度的四分之，由扁平的相互重叠的石板状的片层细胞构成，细胞的平面与指甲面平 行：较厚的中间层约占指甲厚度的三分之二，其中含有更多的纤维，角蛋白细胞也相对 较硬，纤维的取向与指甲的生长方向垂直，且平行于指甲表面，这可以使指甲上产生的 裂纹沿横向发展防止裂纹向指甲内部发展，从而保护甲床、甲基：腹层位于最内层， 由软角蛋白构成，厚度最小。b a d 舶认为背层和腹层中角蛋白纤维没有明确的取向， 而g a r s o 一6 7 1 使用x 射线微衍射研究发现这两层上的纤维取向为平行和垂直于生长方向。 背层和腹层在中间层的侧边交汇，将中间层包裹起来，防止裂纹从中间层的侧边产生。 指甲的宏观结构及与周边组织的关系如图i 7 ，背层从贴近指甲的褶皱中起源畔】， 而中间层和腹层分b 起源于甲基和甲床【6 9 】。指甲中台两种角蛋白：晶体的和非晶体的。 指甲细胞内部的角蛋白纤维是晶态的，由根多独立的蛋白质链构成，这些蛋自质链是卷 曲的并且呈螺旋形。它们平行排列并被紧紧地包裹起来形成角蛋白纤维，每个指甲细胞 里包古几百个角蛋白纤维。这些纤维被镶嵌在非晶态的角蛋白内，这种非晶态的角蛋白 也称为无定形角蛋白。这类蛋白质中的氢基酸链是随机定位的，它占指甲细胞内角蛋白 的一小半。非晶态的角蛋白包裹并保护着纤维，它能帮助调节水分在细胞中的运行。指 甲中还含有一定量的油脂，这些油脂只在背层和腹层中存在 6 ”。这些油脂双层体平行于 指甲表面，填充了背层和膜层的细胞间隙。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼鼍i i 一 。h iii ii i i = 曼曼曼曼! 曼曼璺曼 l a y e t p e r i o s t e u mo fp h a l a n x 图1 7 人指甲的纵向剖视图f 7 l 】 指甲作为手指末端软垫的硬衬背，除了有很重要的装饰作用以外，指甲一般还能够 保护手指和脚趾末端的皮肤，以及帮助抓紧，提高灵敏度以及操作小物件。另外，指甲 的作用还体现在机械方面：消灭开口的裂缝，抬起目标，搜索和抓取畔硎。基于这些行 为，可知指甲受到自下的载荷以及向上的弯曲力。这些功能的完成与指甲的物理特性有 很大的关系，而指甲的物理特性与指甲独特的结构和组成成分有直接的联系。首先，指 甲表面是凸起的，这与昆虫的纹理【7 2 1 、羽毛的羽轴以及许多植物的叶柄【7 37 4 】类似；第 二，与毛发、角和蹄一样，指甲是由角蛋白这种复合材料组成的，细长的仅角蛋白纤维 嵌入无定形的蛋白质基质【_ 7 0 1 ，这种排列方式会使它坚硬而强韧。从机械的观点来看，指 甲中间层的纤维排布方向有优点也有缺点。指甲要抵抗向上的弯曲，细胞和纤维的最佳 取向是沿纵向排布，但是裂纹就很容易沿着纵向发展，从而破坏脆弱的甲床。而要保护 甲床不受损害，最佳的设计是使细胞和纤维横向排布，正如b a d e n 惮】推论的平行于半月 板的边缘，这样一些裂缝将会沿着指甲的自由边发展。这种平行于生成组织的边缘的纤 维方向出现在马蹄上 3 23 3 1 ，可以防止裂缝沿马蹄上升。这种排列在那些主要受到压缩力 的厚结构中配合得很好。然而，在狭窄的指甲上均匀地承受弯曲力，裂缝很容易在指甲 的表面和边缘产生，而且裂缝一旦产生就会贯穿指甲，所以指甲很容易破裂。然而背层 和腹层在一定程度上降低了指甲破裂的可能性，这种三明治的结构给指甲的曲率方向和 生长方向上都带来了很高的机械刚度和强度。 在日常生活中，指甲总是在与外界的环境发生接触，因此也遭受到大量不同程度的 变形和损伤【| 7 5 】。指甲角蛋白的结构决定了它的力学行为。指甲的撕裂试验表明，沿纵向 撕裂指甲所需的力要比横向大些，裂纹的走向曲折并倾斜，不沿纵向扩展。指甲的剪切 试验证实指甲的断裂特性是各向异性的( 如图1 8 a ) ，纵向的断裂韧性( 6k j m 2 ) 是横向断裂 韧性( 3k j m 2 ) 的两倍。由于指甲各层的纤维排布方向不同，它们的力学特性也不同( 如图 1 - 8 b ) ，中间层表现出明显的各向异性特征，纵向的断裂韧性是横向的四倍，而背层和腹 层是各向同性的，断裂韧性比中间层低惭】。b a d e n 删通过弯曲试验发现指甲的弯曲模量 约为3 - 5g p a ，横向和纵向的弯曲模量差异不大，这是因为指甲的背层和腹层是各向同 性的，以甲根作为支点，它们能够抵抗大部分的弯曲力。超声速度测量指甲的刚度表明， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 横向的杨氏模量( 4 3 g p a ) 约为纵向杨氏模量( 2 1 g p a ) 的两倍。这可能是因为指甲的拉伸和 压缩特性是由各向异性的中间层控制所致。 图1 - 8 指甲剪切试验结果：a ) 指甲中心和边缘部分沿横向和纵向剪开的平均韧性；b ) 指甲背层、中 间层和腹层沿横向和纵向剪开的平均韧性。横栅格为横向，竖栅格为纵向【6 5 1 。 指甲中除了0 【角蛋白、油脂，还含有7 2 5 的水，这是随空气湿度而变化的，指甲 板中的平均水含量在冬天明显比夏天低 7 6 1 。指甲的水分含量从腹层到背层逐渐减小，而 随空气湿度的增大，这个差距也会随之减小 7 7 】。指甲中的水分一般都处于结合状态，与 指甲角蛋白的基质以氢键的形式交联【7 8 1 。健康指甲的水合程度是影响指甲物理性能最重 要的因素，很多研究人员已经对水的影响进行了广泛的研究。将指甲浸泡在水中后，指 甲的柔韧性会迅速增大，这可能是水分子破坏了氢键联接使纤维能够自由移动【7 硼。在不 同湿度条件下进行指甲剪切试验，结果表明沿横向和纵向破裂所需功的各向异性在相对 湿度5 5 时达到最大( 如图1 9 ) ，指甲上的裂纹最容易沿着横向发展，此时指甲中的水分 含量与活体指甲的相当，这体现了自然选择的优越性【s o 】。同时，在不同湿度条件下进行 拉伸和扭转试验来测试指甲的杨氏模量和剪切模量，结果表明，随相对湿度的增大，杨 氏模量和剪切模量都逐渐减小。湿度的增大对扭转刚度的影响较拉伸刚度大，表明水分 更容易影响指甲角蛋白的基质，扭转弯曲比在相对湿度为5 5 时最小，此时指甲受到扭 转破坏的可能性最小【8 1 1 。指甲的维氏硬度对湿度的变化非常敏感，随湿度增大，硬度减 小，而当空气湿度大于5 5 时，维氏硬度仪产生的压痕更容易发生恢复【8 到。 图1 - 9 在一系列湿度条件下指甲样品沿纵向和横向破裂所需的功8 0 】 豁嚣协博似侩8 e 4 2 o 芒_m：一售nl基毒苍芒o 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 指甲的磨损和划伤并不会威胁到我们的生命，但是会影响到美观，也有可能影响指 甲的保护作用。由于指甲的体积很小，不适合在常规的摩擦学设备上进行摩擦学研究， 正是由于这种局限性，指甲的摩擦学问题在国内外还没有相关的研究。纳米划痕仪为进 行指甲摩擦学性能的研究提供了很好的平台，研究指甲的摩擦学性能，也能够更清楚地 认识指甲的性能，指甲某些部分的优异摩擦性能也会为仿生研究提供指导意见。身体的 疾病可能导致指甲的形状、结构和外观发生变化【5 7 】，指甲的力学和摩擦性能测试可能会 给疾病的检测带来新的契机。 1 3 3 鸡爪的结构及其研究现状 由于与地面频繁接触，在鸟、爬虫动物和哺乳动物与地面接触的部位都有一层坚韧 的角蛋白覆盖物。近年来研究人员开展了大量研究去测定这类组织的力学性能，然而更 多地是关注蹄壁，对于爪的力学特性研究却很少。 虽然鸟爪、喙和羽毛都是由p 角蛋白组成，但是其性能各有不同。通过测定鸟的羽 毛、爪和喙的角蛋白分子量，发现喙和爪的角蛋白分子量比羽毛的高出3 8 t 8 3 】。b o n s o s 4 】 用维氏硬度仪测试了一种普通欧洲八哥的爪、喙和羽毛的硬度，结果表明，爪的硬度比 喙低1 3 ，但比羽毛高2 7 ，爪和羽毛的硬度差异是由于分子量不同导致的，而爪和喙 的硬度差异可能是由于分子空间排列方式不同所致。 b o n s e r 采用拉伸试验考查了鸵鸟爪角蛋白的杨氏模量，得到鸵鸟爪轴向上的平均杨 氏模量为1 8 4g p a ，而垂直于轴向上为1 3 3g p a ，通过与其他角蛋白材料比较，推断爪 的微结构应该是薄片状或多向性的【8 5 1 。水分对鸵鸟爪杨氏模量和显微硬度有一定影响。 两种不同水合状态的鸵鸟爪被测试，水分含量分别为1 1 5 8 和2 8 7 9 。干、湿爪的显 微硬度分别为2 1 5 3 k g m m 2 和4 3 0 k g m m 2 ，接近5 倍的差异，而杨氏模量分别为1 5 9 g p a 和1 8 2 m p a ，差异甚至接近9 倍【8 6 1 。同时，使用拉压试验测试了鸵鸟爪在不同水分时的 力学特性。试验结果表明，当样品的水分提高时，爪的杨氏模量和失效应力均下降，而 失效应变提高。然而与鸟的羽轴相比较，水分对爪的影响却要大很多【墨丌。 鸡爪用于搜索、抓取和攻击，与人类指甲的功能相似，但是其结构和纤维排布还没 有研究清楚。对于爪角蛋白的微结构和力学性能研究可以了解其结构设计原理，为仿生 研究提供理论指导。 1 4 论文意义及内容 1 4 1 论文研究意义 指甲作为手指末端软垫的硬衬背，除了有很重要的装饰作用以外，指甲一般还能够 保护手指末端的皮肤，以及帮助抓紧，提高灵敏度以及操作小物件。随着生活水平的提 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 高，人们对于生活质量的关注度也逐渐提高。在日常生活中，指甲总是在与外界的环境 发生接触，因此也遭受到大量不同程度的变形和损伤。在对指甲进行美容和护理时，过 度的修磨和劣