Micromechanics of the equine hoof wall: optimizing crack control and material stiffness through modulation of the properties of keratin

材料科学 微尺度化学 复合材料 角蛋白 刚度 体积分数 极限抗拉强度 微观力学 模数 材料性能 解剖 复合数 地质学 古生物学 数学教育 数学 医学
作者
Mario A. Kasapi,John M. Gosline
出处
期刊:The Journal of Experimental Biology [The Company of Biologists]
卷期号:202 (4): 377-391 被引量:74
标识
DOI:10.1242/jeb.202.4.377
摘要

ABSTRACT Small-scale components of the equine hoof wall were tested to determine their mechanical roles in the morphological hierarchy. Macroscale tensile tests conducted on samples of the inner wall tubules and intertubular material showed a sixfold difference in mean initial stiffnesses (0.47 and 0.08 GPa, respectively), indicating that the inner wall tubules stiffen the wall along its longitudinal axis. The similarity in material properties of tubule and intertubular samples from the mid-wall suggests that tubules in this region offer only minor reinforcement along the longitudinal axis. Microscale tests conducted on rows of keratin strands from the inner wall tubules and intertubular material, and on intertubular keratin strands of the mid-wall, produced estimates of the stiffnesses of the hydrated matrix (0.03 GPa) and intermediate filament (IF; 3–4 GPa) components of the nanoscale (α-keratin) composite. The results from these tests also suggest that the properties of the keratin composite vary through the wall thickness. Birefringence measurements on inner wall and mid-wall regions agree with these observations and suggest that, although the keratin IF volume fraction is locally constant, the volume fraction changes through the thickness of the wall. These findings imply that modulation of the hoof wall properties has been achieved by varying the IF volume fraction, countering the effects of specific IF alignments which serve another function and would otherwise adversely affect the modulus of a particular region.
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