La pelle è un materiale complesso con proprietà meccaniche uniche che la rendono adatta a un’ampia gamma di applicazioni. Ciò è il risultato della particolare strutturazione e disposizione delle fibre di collagene (Kelly et al. 2019). In particolare, la pelle, oltre ad essere anisotropa (ovvero la sua risposta meccanica è funzione della direzione del carico) è eterogenea. Un esempio lampante di eterogeneità riguarda le differenze morfologiche e meccaniche del lato fiore, liscio e compatto, e del lato carne, poroso e fibroso. Date queste peculiarità, la caratterizzazione meccanica della pelle è complessa e ad oggi non esiste un’unica tecnica, o un unico parametro, in grado di sintetizzare le sue proprietà meccaniche. Mentre taluni parametri quali la resistenza alla trazione o allo strappo sono facilmente individuabili con approcci macromeccanici, altre caratteristiche quali la flessibilità o la morbidezza, sono il risultato dell’interazione di varie componenti microstrutturali, di difficile quantificazione. Una caratterizzazione completa delle sue proprietà richiede quindi un approccio multiscala che consideri sia la macrostruttura sia la microstruttura del materiale. La macromeccanica e la micromeccanica offrono quindi due distinte prospettive per valutare le proprietà meccaniche della pelle, fornendo informazioni complementari. Difatti, il risultato di una prova macromeccanica che interessa una porzione finita di un campione (es. la sezione retta trasversale), non è in grado di discriminare il contributo delle varie parti della pelle (es. lato fiore e lato carne) nel determinare la risposta meccanica complessiva. La micromeccanica, invece, investiga il comportamento delle singole fibre di collagene. Conoscere la rigidezza e flessibilità delle fibre, misurata in termini di modulo di Young, è un parametro cruciale per definire dei criteri per valutare caratteristiche quali la morbidezza e la drappeggiabilità della pelle, difficilmente ottenibili da prove macromeccaniche. Inoltre, un approccio micromeccanico consente di individuare l’effetto di trattamenti concianti sulle caratteristiche meccaniche a livello molecolare e fibrillare e quindi di ottimizzare i processi per ottenere risposte micromeccaniche specifiche. A tal proposito, in questo lavoro ci siamo concentrati sullo studio dei parametri meccanici di campioni di pelli prodotte con diversi processi di concia, mettendo in relazione caratteristiche micromeccaniche, macromeccaniche e morfologiche. Più in dettaglio, sono stati analizzati cinque campioni di pelle bovina conciata con diversi tipi di agenti: al cromo (1) e prive di cromo (2,3,4,5) descritti in Figura 1a. Le caratteristiche micromeccaniche sono state misurate tramite microscopia a forza atomica (AFM). Questa è una tecnica ampiamente diffusa per studiare le proprietà elastiche dei tessuti su scala micrometrica (Bouchonville e Nicolas 2019). Misurando la deflessione di un cantilever elastico, è possibile stimare il modulo di Young delle fibre di collagene utilizzando modelli meccanici e opportune approssimazioni. Le proprietà micromeccaniche dei campioni di pelle sono state misurate su entrambi i lati del campione (fiore “_F” e carne “_C”) mediante un microscopio a forza atomica JPK NanoWizard II, utilizzando un cantilever in nitruro di silicio (SAA-SPH-5UM, Bruker) dotato di una punta sferica di raggio 5 μm. Le curve di forza sono state misurate in diversi punti del campione su regioni di interesse di area 10 × 10 μm, a una frequenza di scansione di 1 Hz e una velocità di 2 μm/s. Sono state misurate 64 curve di forza su ciascuna area. Le proprietà meccaniche, in termini di modulo di Young, sono state stimate adattando la curva di forza-indentazione al modello hertziano per materiali linearmente elastici. Come si osserva dal grafico (Figura 1a), i valor medi del modulo di Young per il lato fiore di ciascun campione sono maggiori di quelli del lato carne. Con la sola eccezione del campione 4, in cui i moduli sono simili, negli altri casi le differenze sono significative. Ciò è dovuto ad un maggiore impacchettamento delle fibre e fibrille di collagene sul lato fiore che determina una struttura più compatta e meno flessibile rispetto al lato carne. Tale comportamento appare evidente osservando la morfologia dei campioni utilizzando microscopia confocale (Figura 1b). Le immagini sono state acquisite con un obiettivo 10X ad aria montato su microscopio confocale Zeiss LM 510. I campioni sono stati eccitati ad una lunghezza donda di 633 nm e lemissione è stata raccolta nellintervallo 620-675 nm. Confrontando il lato carne (_C) dei cinque differenti campioni, appare evidente che il campione 3_C risulta caratterizzato da moduli significativamente superiori rispetto agli altri. Viceversa, i campioni 2_C e 5_C misurano moduli elastici inferiori e quindi risultano caratterizzati da maggior flessibilità delle fibre, tipica di una struttura microfibrillare caratterizzata da una porosità più aperta. Misurando le proprietà micromeccaniche sul lato fiore (_F) di ciascun campione, si è osservato che i campioni 1_F e 3_F appaiono significativamente più rigidi rispetto agli altri. Anche in questo coso la misura meccanica correla con la microstruttura osservata, caratterizzata da fibrille densamente impacchettate e di conseguenza poco flessibili. Contrariamente i campioni 2_F, 4_F e 5_F evidenziano strutture caratterizzate da zone più povere di fibre e maggiormente flessibili. Per esplorare le proprietà meccaniche delle matrici su scala macroscopica sono stati effettuati test di compressione utilizzando reometro a piastre parallele (Anton Paar MCR 302). I campioni di pelle, ciascuno con diametro 25 mm, sono stati reidratati in PBS 1x e posizionati tra le piastre parallele del reometro. Per ciascun campione, lo strumento ha misurato le proprietà del materiale in termini di sforzo applicato e conseguente deformazione verificata nei 30 minuti di durata della prova. Tali parametri sono stati utilizzati per determinare il modulo elastico macroscopico espresso in kPa. In Figura 1a le misure relative al test di compressione macroscopica sono riportate sull’asse delle ascisse. Come si osserva, il campione 3 risulta caratterizzato da modulo elastico significativamente superiore rispetto
Figura 1 : a La tabella in alto indica la descrizione dei diversi campioni in termini di trattamento di concia (T.L.= TANNED LEATHER). Il grafico mostra la distribuzione dei moduli elastici valutati su scala macroscopica mediante test a compressione (asse x) e su scala microscopica mediante AFM (asse y) dei campioni di pelle bovina misurati da entrambi i lati (F=fiore e C=carne); b Immagini dei campioni di pelle, acquisite al microscopio confocale. Il collagene è acquisito in riflessione, eccitato a λ=633, Scale bar 100µm
agli altri campioni. Viceversa, il campione 5 risulta caratterizzato da modulo elastico significativamente inferiore rispetto agli altri campioni. Ancora una volta il risultato meccanico correla con le proprietà morfologiche evidenti in Figura 1b in cui le strutture caratterizzate da fasci di collagene densamente intrecciati misurano maggior resistenza alla compressione, contrariamente alle strutture di collagene organizzate in fasci con porosità più aperta che misurano rigidezza minore. In conclusione, lo studio dimostra che la valutazione completa delle proprietà meccaniche della pelle richiede un approccio multi-scala che integri analisi micro e macromeccaniche considerando l’anisotropia e la non omogeneità del materiale. La combinazione di tecniche come AFM e test di compressione, insieme all’analisi morfologica, fornisce una comprensione approfondita del comportamento meccanico della pelle. Questa conoscenza è fondamentale per lo sviluppo di prodotti in pelle con prestazioni ottimali per soddisfare le esigenze di diverse
Figure 1 : a Table describing the different samples in terms of tanning treatment (T.L.= TANNED LEATHER). The graph shows the distribution of the elastic moduli evaluated on a macroscopic scale by compression tests (x-axis) and on a microscopic scale by AFM (y-axis) of the bovine leather samples measured from both sides (F=grain and C=corium); b Images of the leather samples, acquired under a confocal microscope. Collagen is acquired in reflection, excited at λ=633, Scale bar 100µm.
Riferimenti Bibliografici
Kelly SJR, Weinkamer R, Bertinetti L, Edmonds RL, Sizeland KH, Wells HC, Fratzl P, Haverkamp RG. Effect of collagen packing and moisture content on leather stiffness. Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials, 90, 2019. Bouchonville N, Nicolas A, Quantification of the Elastic Properties of Soft and Sticky Materials Using AFM. Methods in Molecular Biology, 1886, 2019.