Анализ повреждения волос под воздействием солнечного света с помощью атомно-силового микроскопа

ДЕК072018

Предметы для защиты от солнца, такие как шляпы, солнцезащитные средства, а также одежда, широко используются для предотвращения раздражения и повреждения кожи, но также существуют некоторые предметы для защиты волос. При исследовании влияния излучения солнечного света на волосы, необходимо выяснить является ли это предметом для беспокойства, особенно для менее фотостабильных, осветленных волос. С помощью атомно-силового микроскопа  NX20 компании Park Systems и простого в использовании и эргономичного программного обеспечения SmartScan могут быть получены изображения волос для сравнения топографии поверхности на наноуровне до и после длительного воздействия солнечным светом. Анализ образца после воздействия будет сосредоточен на топографических изменениях, указывающих на структурные повреждения, а также будет проведен анализ поперечного сечения для оценки возможных внутренних изменений. Несколько областей на волосах, размером 5×5 мкм, исследованы для количественного измерения повреждений по показателю изменения величины шероховатости поверхности (R_q). Наблюдалось, что оба типа волос теряют шероховатость поверхности после длительного воздействия солнечного света: для темных волос снижение шероховатости на 77.3% ниже, чем для светлых волос. Это демонстрирует, что солнечное воздействие сглаживает волосы, одинаково истощая их поверхностные слои, а также, что темные волосы являются более стойкими к данному воздействию, чем светлые. В дальнейшем эти данные подтверждаются нашими статистическими данными, так как толщина слоя кутикулы темных волос уменьшается на 0.1 мкм, а слой кутикулы светлых волос уменьшается на 1.5 мкм.

Введение

Объектом исследования данной статьи является изучение результатов влияния длительного воздействия солнечного света на стержень волоса. Многие опасаются вредного воздействия длительного солнечного воздействия на кожу, но мало кто задумывается о последствиях такого повреждения для волос. Известно, что темные волосы являются более стойкими к солнечному воздействию, чем светлые [1], так как темные волосы содержат в слоях в пять раз меньше фотонестабильного пигмента феомеланина, чем светлые волосы [2]. Это основное различие показывает, что пути решения для снижения повреждения волос от длительного воздействия солнечного света будут варьироваться в зависимости от цвета волос целевой группы людей. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) NX20 компании Park Systems, повреждения от солнечного воздействия темных и светлых волос будут сравниваться по величинам шероховатости поверхности (заданным как среднеквадратическая шероховатость, R_q) до и после получения стандартной дозы длительного солнечного воздействия.

Поскольку светлые волосы содержат в пять раз больше феомеланина (вещество, известное благодаря своей низкой фотостабильности), чем темные волосы, предполагается, что большее количество свободных радикалов будет образовываться в светлых волосах. Данные свободные радикалы являются реакционно-способными частицами, которые возникают при наличии радиации. Они эффективно разрушают кутикулу волоса, реагируя с соседними стабильными молекулами, разрушая естественную структуру волоса [3]. Установлено, что волосы после длительного воздействия солнечного света становятся более неровными из-за предполагаемого неравномерного образования ямок и впадин, вызванных свободно-радикальным разрушением. Следовательно, изменения от данного излучения должны быть видны на поперечном сечении, поскольку предполагается, что слои кутикулы истончаются.

Эксперимент

Используя АСМ NX20, были получены наноразмерные изображения с помощью исследования топографии сканируемого участка с помощью зонда. Зонд АСМ перемещается вверх или вниз в зависимости от структуры поверхности образца, а данные о перепадах высот вдоль оси Z, полученные при движении зонда в каждой точке на образце, далее можно преобразовать в изображение. АСМ подходит под задачи исследования по нескольким важным причинам. Самым широко используемым прибором для изучения волос на наноуровне является электронный сканирующий микроскоп (СЭМ). Проблема с использованием СЭМ связана с необходимостью наличия проводящей поверхности. Данная подготовка образца является не только трудоемкой и дорогостоящей, но также изменяет образец и его состав. Кроме того, АСМ может отслеживать многие механические свойства образца, такие как шероховатость – одну из ключевых величин, которая будет использоваться в анализе.

Для натуральных прямых волос от автора и натуральных прямых светлых волос 24-летней женщины-добровольца были получены изображения с помощью Park NX20 для исследования их естественной топографии. Образцы были закреплены на углеродной пленке для точного позиционирования бесконтактного зонда (например, PPP_NCHR или OMCL-AC160TS) на поверхность волоса, а так же для увеличения стабильности стационарного состояния образца по мере его сканирования. Для поддержания точного места сканирования зонда по образцу параллельно наблюдались выбранные характерные области около волоса, а области на углеродной пленке рядом с волосами были вдавлены пинцетом. Все операции на Park NX20 проводились с использованием ПО SmartScan – программное обеспечение для управления АСМ и сбора данных. Бесконтактный режим измерения применялся во всех экспериментах.

Чтобы выполнить обработку длительным воздействием солнечного света, образцы волос, далее именуемые по их цвету («темные» и «светлые»), были оставлены под прямыми солнечными лучами в чаше Петри на 42 часа, начиная от 6 до 8 часов воздействия за один раз. Во время часов воздействия записывался УФ-индекс для количественного определения интенсивности света. Через 42-часовой цикл средний УФ-индекс составил 7.6

Для исследования возможного внутреннего повреждения, темные и светлые образцы до и после обработки солнечным воздействием были разрезаны поперек. Волосы были выложены горизонтально вдоль прямой линии, сориентированы по поперечному сечению среза и погружены в эпоксидный клей до затвердевания. Затем затвердевший клей поворачивался вертикально так, чтобы кончики волос были направлены вверх (см. Рис. 4a-d). После этого верхняя часть этой конструкции была измельчена и отполирована с помощью кремниевой пленки, уменьшая шероховатость до 0.04 мкм.

Результаты

Анализ шероховатости поверхности

Чтобы сравнить шероховатость, выраженную в R_q, изображения размером 5 × 5 мкм были один раз математически сглажены по осям Х и Y , используя линейную регрессию. Это необходимо для того, чтобы избавится от макроскопического контура естественной кривизны волоса. Данные области были выбраны путем анализа изображения всего среза волоса таким образом, чтобы исключить видимые переходы и/или чешуйки на волосе (см. Рис. 1а). Для волос, обработанных солнечным светом, были измерены три области 5 × 5 мкм.  Для определения шероховатости была использована нижняя часть отсканированной области размером  5 × 2 мкм (например, см. Рис. 1а). После 42 часов солнечного излучения, шероховатость поверхности снижается как для темных, так и для светлых волос. Представленные изображения являются не математически обработанными и отображены с помощью цветного фильтра высокой контрастности.

Рис. 1а. Пример выбора области 5 × 5 мкм на образце волоса для анализа шероховатости поверхности. Данное топографическое изображение получено для области размером 40 × 100 мкм, для темных волос после 42 часового облучения солнечными лучами. Для измерения шероховатости была выбрана небольшая область без каких-либо переходов или краев чешуек.

Рис. 1b. Топографическое 3D-изображение образца, полученное с помощью АСМ, показанного на Рис. 1а. Поскольку с помощью АСМ можно обрабатывать вертикальные данные при перемещении кантилевера вверх и вниз, а также горизонтальные при движении предметного столика из стороны в сторону, то можно получить трехмерное изображение. 3D-изображения топографии являются незаменимыми для подтверждения того, что выбранный участок для измерения шероховатости не имеет переходов или краев чешуек.

Рис. 2. Топографические изображения образцов темных волос: (а) до продолжительного воздействия солнечного света; R_q = 4.5 нм; (b) первый образец после 42 часов солнечного воздействия, R_q = 4.1 нм; (с) второй образец после 42 часов солнечного воздействия, R_q = 4.9 нм; (d) третий образец после 42 часов солнечного воздействия, R_q = 3.1 нм. Зеленая область на изображении каждого из образцов была выбрана как та, для которой была рассчитана величина R_q; для воспроизводимости полученных данных использовались области одинакового размера и положения.

Все топографические изображения на Рис. 2 имеют зоны, окрашенные в желто-оранжевый цвет, которые определяют пики и возвышения (данное отображение получена из-за использования фильтра высокой контрастности). Как видно выше, значения R_q фактически уменьшились после воздействия солнечного света, вопреки сформированное ранее гипотезе. Разница среднего значения R_q для необработанных волос и среднее значение R_q для волос, прошедших обработку, составляет 0.5 нм. Изображение необработанного образца (Рис. 2а) содержит видимые бугорки, которые, скорее всего, были разрушены из-за повреждения свободными радикалами и сглажены до тех пор, пока образец не  стал похож на поверхности, показанные на Рис. 2b-d.

Рис. 3. Топографические изображения образцов светлых волос: (а) до продолжительного воздействия солнечного света, R_q = 8.2 нм; (b) первый образец после 42 часов солнечного воздействия, R_q = 7.4 нм; (с) второй образец после 42 часов солнечного воздействия, R_q: 7.0 нм; (d) третий образец после 42 часов солнечного воздействия, R_q = 4.0 нм. Зеленая область на изображении каждого из образцов была выбрана как та, для которой была рассчитана величина R_q; для воспроизводимости полученных данных использовались области одинакового размера и положения.

ΔR_q для необработанных и обработанных светлых волос в среднем составляет 2.1 нм. Это почти в четыре раза больше, чем величина ΔR_q для темных волос. Основываясь только на визуальном качестве топографии, наблюдаемой на каждом изображении (см. рис. 3), очевидно, что шероховатость действительно уменьшается. Тогда как светлые волосы имеют много бугорков на поверхности после 42 часов облучения, образец до обработки (Рис. 3а) имеет большие пики и впадины на поверхности, которые не наблюдаются на аналогичных образцах после обработки.

Анализ поперечного сечения

Изучив ширину кутикулы, можно примерно определить, сколько волос истощено после продолжительного воздействия солнечного света. Теоретически, из-за свободных радикалов, вызванных излучением, мы должны увидеть доказательство повреждения, такое как уменьшение размера кутикулы образцов. Топографические и динамические данные амплитуды сигнала записывались во время сканирования поперечного сечения с помощью АСМ. Динамические изображения использовались, в основном, для получения изображений высокой контрастности, чтобы сделать область кутикулы более видимой и распознаваемой для анализа.

Рис. 4. Топографические изображения АСМ (слева) и динамические изображения (справа) поперечного сечения образцов волос: (а) темные волосы до продолжительного воздействия солнечного света; ширина кутикулы: 2.1 мкм; (b) темные волосы после 42 часов солнечного воздействия, ширина кутикулы: 2.0 мкм; (с) светлые волосы до воздействия солнечного света, ширина кутикулы: 2.6 мкм; (d) светлые волосы после 42 часов солнечного света, ширина кутикулы: 1.1 мкм. Ширина кутикулы оценивалась путем измерения расстояния между двумя треугольными маркерами голубоватого цвета, показанными на каждом изображении.

Согласно результатам анализа поперечного сечения, оказалось, что кутикулы и светлых и темных волос уменьшаются после облучения солнечным светом: темные уменьшаются на 0.1 мкм, а светлые на 1.5 мкм. Зная, что светлые волосы менее фотостабильны, чем темные и, поэтому, более восприимчивы к повреждению от солнечного света, эти данные подтверждают предположение о том, что повышенный уровень феомеланина в светлых волосах сопоставляется с повышенным фотоповреждением по сравнению с темными волосами.

Заключение

По-видимому, из-за того, что у обоих типов волос значения шероховатости поверхности уменьшались в зависимости от времени облучения солнечным светом, продолжительное воздействие  солнца влияет и на темные, и на светлые волосы. Однако форма этого повреждения не появилась в виде предполагаемой повышенной шероховатости, а, наоборот, проведенный анализ шероховатости поверхности и поперечного сечения показывает, что на самом деле солнечное излучение сглаживает поверхность волос, уменьшая ширину кутикулы более равномерным образом, чем ожидалось. Также оказалось, что величина ΔR_q для светлых волос больше, чем для темных, несмотря на одинаковое количество и интенсивность солнечного света. Это говорит о том, что состояние темных волос ухудшается с меньшей скоростью, чем светлых. Этот результат  подтверждается предыдущим исследованием уровня феомеланина в этих типах волос.

Так как кутикула является слоем, предназначенным  для получения большего негативного воздействия, имеет значение, что систематически волосы станут слабее, так как кутикула будет истончаться. Исследования показывают, что прочность на разрыв (сопротивление разрыву при растяжении) уменьшается после того, как волосы были подвергнуты определенной УФ-обработке [4]. Другими механическими свойствами, которые вероятно поменяются из-за длительного воздействия солнечного света, являются пластичность и трение. Вероятно, сила трения увеличится из-за увеличения шероховатости волоса после солнечного воздействия. Казалось бы, твердость не сильно изменится из-за кутикулы, оставшейся после воздействия, но она может поменяться из-за реакционно способных частиц (свободных радикалов), образующих новый побочный продукт, который отличается по твердости от белков, из которых состоят волосы.

 Основываясь на результатах, повреждение волос не является главной проблемой для темных волос, поскольку ширина кутикулы уменьшается всего на 0.1 мкм, расстояние является практически незначительным, так как составляет меньше 4% от исходной ширины. Светлые волосы, напротив, могут нуждаться в гораздо большем уходе при большом количестве солнечного воздействия. После 42 часового цикла облучения ширина кутикулы светлых волос уменьшается больше чем наполовину от своей первоначальной ширины (1.5 мкм по сравнению с 2.6 мкм), то есть менее чем за 84 часа не осталось бы кутикулы, защищающей поверхность волос. Для подтверждения, исходная толщина кутикулы наших образцов до обработки согласовывается с отчетами, где используются образцы больших размеров [5]. Связь феомеланина с данным явлением, если она имеется, не может быть точно установлена в рамках данного исследования. Известно, что феомеланин скорее располагается в оболочке стержня волос, чем во внешней кутикуле, любые свободные радикалы, вызывающие повреждения, должны будут передвигаться наружу через стержень волоса, чтобы воздействовать на слой кутикулы. Влияние этого предполагаемого перемещения свободных радикалов не было визуально обнаружено ни на топографических, ни на динамических изображениях поперечного сечения образцов после обработки. Вполне возможно, что высокий уровень износа кутикулы светлых волос может быть обусловлен другим неопознанным структурным фактором.

Учитывая только наблюдаемое повреждение кутикулы, на механические свойства светлых волос было оказано отрицательно воздействие. Например,  поврежденные солнцем светлые волосы также могли повлиять на пучки кератина в оболочке стержня, сделав волосы более ломкими из-за снижения прочности на разрыв. Однако на рынке существуют такие продукты как шампуни на основе кератина, которые способствуют восстановлению повреждений от солнечного света. Достоверность данных утверждений по существующим продуктам выходит за рамки предмета данного исследования, но может быть плодотворной темой для изучения в будущем.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park NX20

Ссылки

1. Lee, W.S. "Photoaggravation of Hair Aging." International Journal of Trichology. Medknow Publications, Dec. 2009. Web. 09 Aug. 2016.
2. RM, Tyrell. "Result Filters." National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine, n.d. Web. 10 Aug. 2016.
3. Monteiro, V.F. "UV Radiation: Aggressive Agent to the Hair--AFM, a New Methodology of Evaluation." Journal of Cosmetic Science (2003): 1-11. Web.
4. Noguiera, A.C.S. and Joekes, I. "Hair Melanin Content and Photodamage." Journal of Cosmetic Science (2007): 1-7. Web.
5. Takahashi, T., Hayashi, R., Okamoto, M., and Inoue, S. “Morphology and properties of Asian and Caucasian hair.” Journal of Cosmetic Science (2006): 57, 327-338. Web.