利用冷冻扫描电子显微镜(Cryo-SEM)新方法研究皮革中水分吸收机制与结构特征

《Materials Today Advances》：Water absorption mechanisms and structural features in leather by a novel cryo-scanning electron microscopy approach

　　

摘 要：水对皮革的力学性能与耐久性有深远影响，可导致开裂、涂饰层剥离及外观劣化，然而水渗入并与皮革内部结构相互作用的机制——尤其是鞣制前后——仍知之甚少。传统光学显微镜分辨率低且无法探测皮革内部结构；常规电子显微镜(SEM)仅限于干燥样品，仅提供表面信息并引入结构假象。本研究首次采用冷冻扫描电子显微镜(Cryo-SEM，Cryo-Scanning Electron Microscopy)作为研究皮革吸水机制与结构特征的新颖通用方法，在近真实水合条件下考察水分吸收机制与显微结构特征。该技术保留了天然微结构，使胶原网络中水的相互作用得以前所未有的高分辨率可视化。此外，通过将Cryo-SEM观察与宏观表征方法联用，可深入理解水诱导的吸收过程。对替代皮革材料的对比分析进一步证明该方法适用于生物源材料。结果显示，水主要与胶原纤维的多孔网络相互作用，填充空隙空间而不引起纤维本身的显著溶胀或变形；此行为归因于鞣制处理的交联效应——其稳定了胶原基质并限制了水致结构改变。皮革微结构特征（如胶原纤维D-间距(D-spacing)）可从Cryo-SEM图像定量提取，与文献结果吻合良好。上述发现为水合状态下皮革的物理化学行为提供了有价值见解，确立了Cryo-SEM作为阐明皮革水合相关现象的有力工具，为改进鞣制工艺及开发更耐久、特定用途的皮革材料奠定了基础。

论文解读：利用冷冻扫描电子显微镜(Cryo-SEM)新方法研究皮革中水分吸收机制与结构特征

该研究由Valentina Preziosi、Angela Capuano、Claudia Florio、Domenico Caputo、Fraser Laidlaw、Vasileios Koutsos及Stefano Guido合作完成，发表于《Materials Today Advances》。

一、研究背景与目的

皮革系由动物皮经鞣制等处理所得天然复合材料，其主要成分为胶原(collagen)蛋白，形成三维多孔纤维网络。水以自由水(free water)、结合水(bound water)和结构水(structural water)三种形式存在于胶原体系中，显著影响皮革的力学性质、柔软度及耐久性——过量吸水可致涂层剥落、纤维粘连或脆化。然而，水如何进入皮革内部、与胶原纤维网络的具体相互作用方式，特别是鞣制前后微观层面的变化机制尚不清楚。常规扫描电子显微镜(SEM，Scanning Electron Microscopy)观察需将样品彻底干燥并镀导电膜，导致胶原多孔网络塌陷、纤维皱缩及水分敏感组分重分布，不能反映真实水合态的原位结构；光学显微镜分辨率不足，原子力显微镜(AFM，Atomic Force Microscopy)仅限表面且易扰动软基质，X射线显微断层成像空间分辨率不足以分辨单根胶原原纤维(fibril)。因此，研究人员首次将冷冻扫描电子显微镜(Cryo-SEM，Cryo-Scanning Electron Microscopy)技术系统性应用于皮革及仿皮革替代材料的水吸收动态与微结构研究，旨在揭示近生理水合条件下水分与胶原网络的相互作用及鞣制交联对结构的稳定作用。

二、主要关键技术方法

研究人员以意大利皮革研究所提供的铬鞣牛坯革（厚度2.5 mm，经染色及涂饰）为皮革样本，以聚氨酯(PU，Polyurethane)涂覆聚酯无纺布仿皮合成材料为对照。主要技术手段包括：(1) Cryo-SEM（Zeiss Crossbeam 550配Quorum PP3010冷冻制备系统）——干样及水浸1 h后样品经液氮浆快速冷冻、－90 ℃升华5 min去除表面霜冻以暴露结合/结构水保留区、溅射5 nm铂后观测，并借助能谱仪(EDS，Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy，加速电压5 kV)分析元素分布；(2) 体视显微镜(Stereomicroscope，Leica S9i)观测干/湿态尺寸变化；(3) 重量法测定吸水率（浸水每30 min称重5 h至饱和）与解吸率（23±2 ℃空气中定时称重至恒重）；(4) 接触角测量追踪液滴吸收动力学（粒面与肉面纤维侧分别测试）。样本来源已注明。

三、研究结果

3.1. Cryo-SEM observations（Cryo-SEM观察）

干态鞣制皮革Cryo-SEM图像显示胶原纤维束致密互连形成多孔架构，纤维间可见明显孔隙(void space)；沿胶原原纤维周期横纹测得D-间距(D-spacing)平均64.6 ± 10.1 nm，与文献相符。水合（浸水1 h）样品D-间距为65.9 ± 8.5 nm，仅增大约1.3 nm，差异不显著；原纤维直径干态124.93 ± 13.26 nm、湿态125.33 ± 15.75 nm，亦无统计学差异，表明鞣制胶原网络在水合下结构稳定。EDS显示干样C、O富集于纤维间区域；湿样纤维间隙O信号明显增强而纤维内部无变化，证实水填充于纤维间孔隙(interfibrillar voids)而非进入纤维本体内，且未见纤维溶胀——归因于鞣制产生的分子间交联(cross-linking)限制了胶原的吸水膨胀。替代材料Cryo-SEM呈扁平较密实纤维（直径约10 μm）、孔隙率低，干湿态均无显著形貌改变。

3.2. Water absorption（吸水实验）

皮革质量吸水曲线呈快初段吸收：前30 min增重约53%，约3 h达平衡饱和吸收率~56%。替代材料初始30 min增重~24%，约4 h达饱和~37%；其较低吸收量主要因厚疏水涂层占近半厚度阻碍渗透，而皮革多孔纤维层占比大。体视显微镜下干/湿态样品均未观测到宏观尺寸溶胀，印证微观结果。解吸行为与吸收趋势对应，皮革持水量高于替代材料。

3.3. Droplet contact angle measurements and water absorption（液滴接触角与吸水）

肉面纤维侧初始接触角：皮革θ≈47°，替代材料θ≈52°；动态监测液滴铺展吸收，替代材料液滴消失时间约为皮革的1/3——因其表层虽疏水但内部微纤维结构允许较快芯吸(wicking)，而皮革因表面涂饰及毛细管阻力表现不同吸收动力学，说明内部形貌（孔隙率与微结构）主导液体吸收动力学。

四、讨论与结论翻译

研究人员指出，本研究首次将Cryo-SEM用于皮革及仿皮材料水合态微结构原位观测，定量揭示了胶原原纤维D-间距及直径的微小变化。结果表明，成品铬鞣牛皮革中纤维形态与纤维间孔隙空间主导水分摄取——为流体输运提供优先通道；而原纤维直径与D-间距在水合前后得以保留，证实水合主要影响孔隙(void network)而非胶原骨架本身。理论上，皮革中水分传输可解释为交联胶原支架内的孔隙介导扩散(pore-mediated diffusion)过程：润湿性控制初始表面相互作用与毛细驱动渗透，多孔架构调控持留与饱和行为。该框架将纤维堆积密度、孔隙连通性、表面亲水性与交联度同观测到的吸收/解吸动力学关联，为预测水合依赖性能及指导开发更耐久、特定用途皮革材料提供机理依据。不同鞣制阶段吸水曲线差异进一步强调化学处理对皮革微结构及通透性、柔韧性的调控作用。

结论翻译（摘自原文浓缩）： 本研究利用冷冻扫描电子显微镜(Cryo-SEM)首次探究了水对皮革及替代材料微结构的影响，给出胶原纤维D-间距等水致结构变化的定量信息。结果发现，成品皮革中纤维形态与纤维间孔隙空间主导水分摄取并提供流体输运优先通道，而原纤维直径与D-间距在水合前后保持不变，证实水合主要作用于空隙网络而非胶原骨架本身。水传输可理解为交联胶原支架内孔隙介导扩散过程——润湿性决定初始表面作用与毛细渗透，多孔架构调控持留与饱和。不同鞣制阶段吸水曲线变化强调化学处理对微结构及性能的调控。本研究强化了微结构水平水—胶原相互作用认知，为优化鞣制工艺、定制应用性能及提升皮革耐久性提供依据；未来可拓展至冷冻聚焦离子束扫描电镜(Cryo-FIB-SEM，Cryo Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy)三维观测及探索兼顾防水与力学/美学的新处理法。