毛髪の構造と物性の研究について

Size: px

Start display at page:

Download "毛髪の構造と物性の研究について"

あおいやまがた
5 years ago
Views:

1 SPring-8 ワークショップヘルスケア 2008/5/8 キャンパスイノベーションセンター毛髪の構造と物性の研究についてホーユー株式会社基盤技術研究室総合研究所北野宏樹

2 内容原子間力顕微鏡 (AFM) と透過型電子顕微鏡 (TEM) を用いた毛髪の微細構造観察について原子間力顕微鏡を用いた毛髪内部組織の物性評価について

3 原子間力顕微鏡先端が数 10 nm の探針で試料をなぞり試料の凹凸や物性を評価することのできる顕微鏡 A C B D カンチレバー

4 TEM と AFM の違いについて透過型電子顕微鏡長所ナノメートルオーダーで非常に明瞭なイメージを得ることができる染色する金属の種類を変えることで組成に関する情報を得ることができる短所観察が真空中に限定される未固定未染色では微細構造がはっきりせず組織固定及び金属染色の必要がある切片作成時にタンパク質の欠落などが起こる可能性がある原子間力顕微鏡大気中液中での測定が可能微細構造と同時に力学的物性を取得可能

5 AFM による微細構造の観察についてサンプル調製細断した毛髪平滑な切断面の作製測定原理レーザーカンチレバー光検出器ピエゾドライブ振動信号ピエゾカンチレバー振動信号位相検出器 Tapping モードによる phase イメージングにて観察カンチレバーを振動させるピエゾドライブ信号に対するカンチレバーの振動信号の位相の遅れを検出試料中の組織間の力学的物性の違い ( 粘弾性凝着力など ) によってコントラストをつける手法

6 毛髪の微細構造について

(amorphous) (amorphous) Macrofibril Cortex 1 2

7 毛髪の階層構造について Microfibril Protfibril α-helix Cuticle 20 μm Matrix Protein Variable Region (amorphous) (amorphous) Macrofibril Cortex nm * 内藤幸雄ゲルハンドブック第 1 編第 3 章第 1 節 2.p84

8 キューティクルコルテックスについて TEM 像 AFM Phase 像 cuticle Cortex 0 観察部位

9 キューティクルの微細構造について

10 キューティクルの微細構造 TEM 像 AFM Phase 像 A-layer exocuticle endocuticle CMC 0 β-layer δ-layer β-layer

11 キューティクル CMC の湿度変化変化に対する構造変化 10%RH 30%RH 50%RH 200 nm 200 nm 200 nm 70%RH 85%RH 200 nm 200 nm 10%RH~85%RH の条件下でキューティクル細胞の微細構造をイメージングできた図中矢印がキューティクル細胞境界に存在する CMC( 細胞膜複合体 ) である

12 キューティクル CMC の構造構造変化 Cross Section 解析にて各湿度におけるキューティクル CMC の厚さを任意の 30 点にて測定した Width of CMC (nm) %RH 30%RH 50%RH 70%RH 85%RH Relative humidity(25±1 ) 相対湿度の上昇により CMC は膨潤しており 10%RH と 85%RH 時を比較すると約 30% 膨潤している

13 コルテックスの微細構造について

14 羊毛と人毛の構造について B.C.Powell and G.E.Rogers in: Jolles,H.; Hocher,H.;(Eds.), Formation and Structure Of Human Hair,Birkhauser,Basel 1997,59

15 羊毛のオルソコルテックスとパラコルテックスについてパラオルソ J.A.Swift in: Jolles,H.; Hocher,H.;(Eds.), Formation and Structure Of Human Hair, Birkhauser,Basel 1997,149

(straight) すべてパラ J.A.Swift in: Jolles,H.

16 人毛の場合は... アフリカン (woolly) おおよそ 1:1 の割合でパラとオルソがランダムに存在するコーカシアン (curly) ほとんどがパラであるがカールの内側に 1 細胞分のオルソが存在するモンゴロイド (straight) すべてパラ J.A.Swift in: Jolles,H.; Hocher,H.;(Eds.), Formation and Structure Of Human Hair, Birkhauser,Basel 1997,149

17 コーカシアン毛のオルソコルテックスとパラコルテックスについてオルソ- パラ- J.A.Swift in: Jolles,H.; Hocher,H.;(Eds.),Formation and Structure Of Human Hair,Birkhauser,Basel 1997,149

18 日本人の毛髪横断面

ミクロフィブリルの観察について ( 横断面 ) (A) 5.0 (B) 10.0 測定面 (b) 2.

19 ミクロフィブリルの観察について ( 横断面 ) (A) 5.0 (B) 10.0 測定面 (b) (c) (a) (d) 0 0 Fig. (A) コルテックス細胞の横断面 (a) コルテックス (b) コルテックス CMC (c) メラニン (d) 核の残渣 Fig. (B) (A) の白枠 ( コルテックス ) の領域を拡大明るい粒子状の構造がミクロフィブリルその間の暗い部分がマトリックス

20 コルテックス CMC のサイズ変化キューティクル CMC の構造変化測定と同様の方法で 10%RH 85%RH 10%RH と湿度変化させたときのコルテックス CMC のサイズ変化を測定した Width of CMC (nm) %RH250%RH385%RH450%RH510%RH Relative humidity (25±1 ) 相対湿度の変化に対し CMC のサイズは可逆的に変化する μm

21 ミクロフィブリルの観察について ( 縦断面 ) (A) (B) 10.0 測定面 10.0 (a) 5.0 (b) 5.0 (b) (a) 200 nm nm 0 Fig. (A) コルテックス細胞の縦断面 (a) マクロフィブリル (b) 核の残渣 Fig. (B) マクロフィブリルの拡大イメージ (a) ミクロフィブリル (b) マトリックス

$ミクロフィブリルの微細構造について X-ray diffraction pattern for an α-keratin fibre The morphology of$ 2) 1)C.R.

22 ミクロフィブリルの微細構造について X-ray diffraction pattern for an α-keratin fibre The morphology of microfibril 1) The arrangement of amino acid residues into the α-helical conformation 2) 1)C.R.Robbins, Chemical and physical behaviour of human hair,springer Verlag,New York,1994 p.35 2)L.Pauling,R.B.Corey and H.R.Branson,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,1951,37,205

23 メラニンについて

24 メラニンについて毛髪横断面毛髪縦断面 Cuticle Cortex Melanin Cuticle Cortex メラニンは横断面ではランダムに存在しているが縦断面を見てみるといくつかのメラニンが並んで存在している

25 メラニンの微細構造について 1 サンプル一般的な黒髪 Os 固定あり電子染色あり渦巻き状ラメラ状の構造を確認外周部には球状物も点在 1 個のメラニン顆粒 0.1 μm 0.1 μm

26 メラニンの微細構造について 2 横断面縦断面 1 つのメラニン顆粒は数十 nm 程度の粒子により構成されている

27 メラニンの微細構造について 3 不完全なメラニン顆粒メラニン顆粒が集合 0.2 μm 0.2 μm 0.2 μm メラニンを構成する数十 nm の粒子同士が離れた状態で存在しているメラニン顆粒

28 TEM-EDS(Energy EDS(Energy Dispersive X-ray X Spectrometer) による各組織の元素分析 Mg, Al, Ca などが検出される

29 毛髪内部組織の力学的物性について - 原子間力顕微鏡を用いた弾性率マッピング -

30 評価した組織 Microfibril Protfibril α-helix Cuticle 評価した組織 Matrix Protein Variable Region Macrofibril Cortex nm 内藤幸雄ゲルハンドブック第 1 編第 3 章第 1 節 2.p84

31 フォースカーブ測定サンプル調製測定動作試料を探針に押し付ける細断した毛髪カンチレバーカンチレバーの反り平滑な切断面の作製観察カンチレバー : タッピング / ノンコンタクト用シリコン製カンチレバーを使用バネ定数 9~40 N/m (ex. 通常コンタクトモードに使用されるカンチレバーのバネ定数 0.01~0.6 N/m)

32 弾性率の算出フォースカーブプローブのそり(nm) Δ :hard material :soft material ヘルツ接触のモデルにより算出 2 π F(1 ν ) 2 E tanα F=kΔ k: プローブのバネ定数 Δ: プローブのそり d α: プローブ先端角 d d-δ=サンプルの変形量 E : 弾性率 ν : ポアソン比ピエゾの変位 (nm) hard material (Δ= d ) soft material (Δ=d a) d Δ = Δ 変形量 a d d

33 水中でのフォースカーブ測定 - 弾性率マッピング - サンプル : 健常毛フォースカーブ測定を 5 μm 5 μm 及び 500 nm 500 nm の範囲で点測定を行い算出された弾性率をマッピングした (a) C (b) B A F E D 測定部位 (a) A: キューティクル B: コルテックス C: メラニン顆粒 (b) D: A 層 E: エキソキューティクル F: エンドキューティクル

34 CMC とマクロフィブリル間充物質の特定 (a) 弾性率マッピング像 (b) Phase 像 : 細胞膜複合体 (cmc) : マクロフィブリル間充物質弾性率マッピング (64 64 点 ) からはコルテックス cmc とマクロフィブリル間充物質の区別が困難な場合がある弾性率マッピングを行う部位について予め Tapping モードによる Phase 像を取得することにより明確に区別することができる

35 弾性率マッピングの応用根元 ( 頭皮から2 cmの健常部位 )- 中間 ( 頭皮から8 cmの低ダメージ部 )- 毛先 ( 頭皮から23 cm 高ダメージ部 ) の3ヶ所において弾性率測定を行った各部位についてL-テアニン水溶液で処理した毛髪についても弾性率測定を行い未処理毛と比較した

36 弾性率マッピング (a) 未処理毛根元から 2cm 8cm 23cm( 毛先から 1.5cm) 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 1 μm 処理方法 : (b) L- テアニン処理毛 (a) 製精水 (b)2%l- テアニン水溶液に 5 分浸漬後 30 秒水洗し乾燥 7 回繰り返し

37 L-テアニンの作用部位についてマクロフィブリルコルテックスマクロフィブリル間充物質キューティクルエキソキューティクル Young's modulus (GPa) 未処理 P<0.001 テアニン処理 Young's modulus (GPa) 未処理 P<0.001 テアニン処理 Young's modulus (GPa) 未処理 P<0.001 テアニン処理メラニン顆粒コルテックス細胞膜複合体 (cmc) エンドキューティクル Young's modulus (GPa) 未処理テアニン処理 Young's modulus (GPa) 未処理 P<0.001 テアニン処理 Young's modulus (GPa) 未処理 P<0.001 テアニン処理 L- テアニンはメラニン顆粒以外の各組織の弾性率を回復させた特にコルテックス中のマクロフィブリルの弾性率を大きく回復させた

38 まとめ TEM 像及びAFM 像を用い毛髪内部微細構造について概説した AFMは様々な外的環境下における毛髪内部構造を評価することが可能であるフォースカーブを利用した弾性率測定により数十から数百 nm の毛髪内部の各組織の物性変化を捉えることができる測定の結果をマッピングすることにより未処理毛とダメージ毛の違いをより明確に示すことができた実際にダメージ修復成分のスクリーニング及び作用部位を明らかにすることができた本手法は頭髪化粧品の開発において非常に有用な手法である

STRUCTUAL ANALYSIS OF DAMAGED HAIR UNDER STRETCHING　CONDITION BY　MICROBEAM X-RAY DIFFRACTION

STRUCTUAL ANALYSIS OF DAMAGED HAIR UNDER STRETCHING　CONDITION BY　MICROBEAM X-RAY DIFFRACTION マイクロビーム X 線を用いた毛髪微細構造の研究 ( 株 ) 資生堂新成長領域研究開発センター柿澤みのりマイクロビーム X 線を用いた毛髪微細構造の研究利用ビームライン BL40XU: 高フラックスビームラインビーム径が小さく ( 約 5μm) 強度の高い X 線が得られる毛髪の構造キューティクルコルテックスメデュラ 80-120μm 毛髪の部位ごとの構造が測定可能今回の発表内容