CC BY
61
МЕТОДИ I МЕТОДИКИ
© В. В. Гавриляк, О. С. Яремкевич*
УДК 611. 781: 612. 014. 42
В. В. Гавриляк, О. С. Яремкевич*
ДОСЛ1ДЖЕННЯ Б10Ф1ЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАТИНУ ВОЛОСА
ЛЮДИНИ МЕТОДОМ 1МПЕДАНСНО1' СПЕКТРОСКОПЙ"
1нститут бюлогм тварин НААН (м. Львiв) *Нацюнальний унiверситет <^bBiBCb^ пол^ехшка» (м. Львiв)
Дана робота е фрагментом науково-дослщно! роботи «Вивчити регуляторнi механiзми бюсинте-зу продукцiI вiвчарства», № державно! реестраци 0110и004171.
Вступ. 1мпедансна спектроскотя, яка фунтуеты-ся на вимiрюваннi електричного iмпедансу рiзно-манiтних об'ек^в, що володiють електропровщню-тю, в тому чи^ i бiологiчних, знаходить все бтыше застосування у бюлогм та медицинi [9]. Вiдомо, що комплексний отр бiологiчноI тканини вщображае II фiзичнi властивостi, зокрема у низыкочастотному дiапазонi вiн пов'язаний iз електричними власти-востями позаклiтинного середовища, а на високих частотах - внутршныокгмтинного середовища та ем-нюними характеристиками клiтинних мембран [13]. Дiелектрична проникнiсты бiологiчноI структури зм^ нюетыся у вiдповiды на дiю рiзноманiтних чинникiв, що знаходить свiй вираз у iмпедансi.
На сыогоднi електричний iмпеданс використо-вуетыся в широкому дiапазонi клiнiчних дослщжены, зокрема для диферен^аци рiзних типiв раку [1, 7], томографи [6] та аналiзi складу органiзму[8].
У лiтературi е повщомлення про дослiдження iмпедансних характеристик епщермюу та власне шкiри [4, 5], ыгпв [11], проте таю вщомост стосовно людсыкого волоса на сыогодн практично вiдсутнi.
Мета дослщження полягала у вивченнi бюф^ зичних характеристик волоса людини у вщповщы на дiю хiмiчного чинника за допомогою iмпедансноI спектроскопiI.
Об'ект i методи дослiдження. Для iмпедансноI спектроскопiI кератинових волокон при змiнному струмi частотою вiд 1 до 100 кГц була використана установка, створена на основi мiкросхеми АР5933, яка е Ытегралыним перетворювачем вимiрюваних параметрiв у цифровий код [2-3]. Електроди, виготовлен iз Ауруму, пiдводили до взiрцiв на вiдстанi 20 мм один вщ одного.
Для дослщжены використали волосся людини iз середым дiаметром d = 67,3 мкм. Хiмiчне обро-блення моделювали за допомогою 10 % водного розчину тюглколево! кислоти (ТГА) за температури 37 °С протягом 15 хв. Зразок, використаний в якост
контролю, за аналопчних умов витримували у дис-тильованм водi.
Через волос пропускали слабкий змшний струм рiзноI частоти i вимiрювали комплексний отр Z (Ом) та кут j (град.). За отриманими експерименталь-ними даними з використанням програми Microsoft Excel були отриман табличн дан та графiки 1х частотних характеристик.
Поверхню волосся дослiджували за допомогою сканувального електронного мiкроскопа JEOL JSM-T 220A. Для забезпечення сткання заряду зразки напиляли купрумом за допомогою установки ВУП-5.
Результати доотджень опрацьовували статис-тично з використанням достовiрного iнтервалу для оцiнки ступеня вiрогiдностi (P) за допомогою крите-рiю Стьюдента (t). Розбiжностi вважали статистично вiрогiдними при P < 0,05.
Результати дослщжень та Тх обговорення. Структурнi змiни поверхнi волоса оцшювали за допомогою сканувально! електронно1 мiкроскопiI. На мiкрофотографiI (рис. 1, А) видно, що волос мае рельефну поверхню, кутикулярн луски щтьно при-лягають вздовж ос волоса. Деструктивнi змiни, що виникають при обробленнi волоса водним розчином тюглколево! кислоти (ТГК), зовнiшньо виражаються у частковому вщшаруваны лусок та пiдйомi !х кра!в вздовж вЫе! довжини волоса (рис. 1, В).
Слщ зазначити, що волос людини, як гетерогенна наноструктурована система, характеризуемся неоднорiдними дiелектричними властивостями. У загальних рисах волос складаеться iз таких концентричних шарiв, як кутикула, кортекс, а iнодi i серцевина. Зовншнм шар, утворений зроговiлими плоскими ктмтинами-лусками, мае надзвичайно складну будову i вносить iстотний вклад у дiелектричнi властивостi волоса.
Структурним елементом кортексу е фiбрили -щiльно упакован волоконця товщиною 6-7 нм, як в свою чергу складаються iз тоненьких а-волоконець або протофiбрил [12]. Протофiбрили об'еднуються у мiкрофiбрили, як складають основну масу воло-сини i входять до складу кристалiчноI частини кератину. Фiбрили утворюють масивн агрегати товщиною 0,05-1,1 мкм, а промiжки мiж ними заповнен
Рис. 1. Зображення зовшшньоТповерхш волоса людини (X 500): А - контрольний зразок, В - зразок шсля оброблення ТГК.
аморфним середовищем - матриксом, який характеризуемся високим вмютом цистину. Якщо вроху-вати, що волос людини е структурованим бюкомпо-зитом, роль матрицi в якому виконуютьфтаменты структури, а наповнювача - матриксн проте!ни, то логiчно припустити, що волос умовно можна роз-дiлити на двi фази, а саме дiелектpикa(фiбpи-ли) та електропровщного матерiалу - аморфного матриксу.
Результати проведених дослщжень засвiдчили, що загальний iмпеданс волоса людини знраодьться в межах 2-16 Ом, причому спостер^аеться л^йна залежнiсть мiж комплексним опором i частотою електричного струму, яка в умовах нашиададлщжень вщповщала а- i p-дисперсiI (рис. 2). Характерно, що ця залежнють зберкаеться i для хiмiчно оброблено го волосся.
Важливо вщзначити, що вiрог^дяi р1аьиц1 у комплексному опорi нормального i х\ мiчно обробленого волосся спостертаються лише у низькочастотному дiапазонi, а при частой струму понад 50 кГц вони практично " нiвелюються. Такi змiни, очевидно, пов'язанi iз дiелектричними властивостями кутикуляр-ного шару, тодi як високочастотна дiлянка графка характеризуе iмпеданс кортексу.
Результати дослщжень засвщчили, що iмпеданс нативного волоса при частой струму вiд 1 до 40 кГц вiрогiдно вищий порiвняно iз хiмiчно обробленим волосом. Найнижче значення загального опору було зафксоване при частой 10 кГц (3,59 Ом та 1,77 Ом, Р 2264 > 0,01 вщповщно для нативного та обробленого волоса). При частой 40 кГц загальний iмпеданс, як нативного, так i хiмiчно обробленого волоса збiльшувався удвiчi порiвняно iз комплексним опором при частой 10 кГц, хоча оброблення волоса ТГК призводило до зниження iмпедансу порiвняно до контролю, що, очевидно, пов'язано iз
розривом дисульфщних та водневих зв'язкiв мiж полоептиднимиланцюгамикератину.Деяюавтори вважають, що волосся, як i роговий шар шюри, за будовдю меож1, томуллектрнчнио меаон¡зл пзмощ-ностi волоса може вщповщати моделi провiдностi роговогишмруд |фи [5].
Фаздвийким б зсаврл ежоертаинлсМ оуоникностi характеризуе спiввiдношення мiж активною i реак-нмною оилодамою iооода^о^\^. ЕНстановлоно,що кут j хiмiчно обробленого волоса (рис. 3), незалежно ощ чаитоомзм¡нвюсо стмуно,е иижчлмпор1 вняно з нативним волосом, причому його найнижче значення зафксовано при частой 40 кГц (вiдповiдно -73,87° ОУ-МГ,М5°,е226МГ0,01).
Такi змiни, iмовiрно, пов'язанi ¡з емнiсними характера лсенлла кератиновидвоаоснн, яюзалежноь вiд молекулярно! рухливостi ланцюпв a-кератинiв, риф оьпровiднiсть - вщ мобiльностi молекул води, зв'язаних ¡з полярними групами молекул кератину [10]. Отже, оброблення волоса ТГК, очевидно,
—1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—
0 20000 40000 60000 80000 100000
£ Гц
Рис. 2. Залежнють комплексного опору волоса людини вщ час-тоти змшного електричного струму (1 - нативний волос; 2 - волос шсля оброблення ТГК).
¡^ -20-
0 20000 40000 60000 80000 100000
£ Гц
Рис. 3. фазовий зсув кута - волоса людини (1 - нативний волос; 2 - волос шсляоброблення ТГКр
впливае на структуру клiтинно-мембранних комп-лексiв, змiнюючи в першу чергу 1х поляризацiйнi властивостг
Отже, проведенi дослщження свiдчать, що для волл-а люди ял сорактерна д-сяеолЬя електропр о-вiдностi, причому складовi iмпедансу - провiднiсть таоанють залежать лщ ятлоу цьогокеротовоояго волокна.
Висновки.
Комплексний отр кератинових волокон знаходиться у лшмнм залежност вiд частоти змiнного струму. Найбтыш рiз-ницi у бiоiмпедансi нормального i хiмiчно обробленого волосся спостер^аютыся у низыкочастотному дiапазонi (вiд 100 Гц до 40 кГц). 1мпеданс нативного волоса при частой струму вщ 1 до 40 кГц вiрогiдно вищий порiв-няно iз хiмiчно обробленим волосом, причому його найнижче значення зафксоване при частой 10 кГц (вiдповiдно 3,59 Ом та 1,77 Ом, Р 2264 > 0,01).
Встановлено, що фазовий кут ф зсуву мiж активною i реактивною складовими опору хiмiчно дробленого волоса, незалежно вiд частоти змшного струму, е нижчим порiвняно з нативним волосом, причому його найнижче значення зафксовано при частой 40 кГц (вiдповiдно -73,87° та -61,25°, Р 2264 > 0,01).
Перспективи подальших дослiджень. До-слiдження будуты продовженi у напрямi з'ясування модулiв пружностi фiламентних структур волоса та 1х зв'язку iз iмпедансними характеристиками за дil' хiмiчних чинникiв.
Лгтера^ра
Eberg P. Assessment of skin lesions and skin cancer using simple electrical impedance indices / P. Eberg, I. Nicander, U. Holmgren [et al.] // Skin Res. Technol. - 2003. - Vol. 9. - P. 257-261.
AD5933 Application Note № "Measuring Grounded Impdance Profile Using the AD5933", Analog Devices (http://www. analog. com).
AD5933 Datasheet: Analog Devices (http://www. analog. com).
BirgerssanU. Non-invasive bio.mpedance oflntactskin: mathematinelmodeling and experiments / U. Birgersson, E. Birgers-son, P. Aber [et al.] // Physiol. Meas. - 2011. - Vol. 32. - P. 1-18.
BirgersaonU.Eabmbting electricalvroperties abdta. thicknbs. of skinwitb electrical impedance spectroscopy: Mathematical analysis and measurements / U. Birgersson, E. Birgersson, S. Ollmar / /J. Electr. Bioimp. - 2012. - Vol. 3. - P. 51-60. Brown B H. Electrical impedance tomography (EIT): a review / B. H. Brown // J. Med. Eng. Technol. - 2003. - Vol. 27. -P. 387-393
Dua R. Detection of basal cell carcinoma using electrical impedance and neural networks / R. Dua, D. G. Beetner, W. V. Stoeck-er, D. C. Wunsch // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 2004. - Vol. 51(1). - P. 66-71.
Ellis K J. Human Body Composition: In Vivo Methods. / K. J. Ellis // Physiological Reviews. - 2000. - Vol. 80 (2). - P. 649-680 Grimnes S, Martinsen O. Bioimpedance and bioelectricity basics. - San Diego: Academic Press, 2000. - 309 p. Martinsen O. Dielectric properties of some keratinized tissues. Part 2: human hair / O. Martinsen, S. Grimnes, E. Kongshaug // Med. Biol. Eng. Comput. - 1997. - Vol. 35. -P. 177-180.
Martinsen O. Water sorption and electrical properties of human nail / O. Martinsen, S. Grimnes, S. Nilsen // Skin Research and Technology. - 2008. - Vol. 14. - P. 142-146.
12. Robbins C. R. Chemical and physical behavior of human hair / C. R. Robbins. - NewYork, Berlin Heidelberg : Springer-Verlag. - 2012. - 724 p.
13. Schwan H. P. Electrical characteristics of tissues: A survey biophysics / H. P. Schwan. - 1963. - № 1. - P. 198-208.
9. 10
11
УДК 611. 781: 612. 014. 42
ДОСЛЩЖЕННЯ БiОФiЗИЧHИX ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАТИНУ ВОЛОСА ЛЮДИНИ МЕТОДОМ iМПE-ДАНСНОТ СПЕКТРОСКОПП
Гавриляк В. В., Яремкевич О. С.
Резюме. У статп представлено резулытати дослщжены бiофiзичних характеристик волоса людини методом iмпедансноI спектроскопи при змшному струмi частотою вщ 1 до 100 кГц за дм водного розчину т^ оглколево! кислоти. Установлено, що комплексний отр волокна залежиты вщ частоти змшного струму, причому найбтыша рiзниця у бЫмпеданс нормалыного i хiмiчно обробленого волоса спостер^аетыся у низыкочастотному дiапазонi (вщ 100 Гц до 40 кГц). 1мпеданс нативного волоса при частой струму вщ 1 до 40 кГц вiрогiдно вищий порiвняно iз хiмiчно обробленим волосом, причому його найнижче значення зафксоване на частот 10 кГц (вщповщно 3,59 Ом та 1,77 Ом, Р 2264 > 0,01).
0 -
Показано, що фазовий кут j зсуву мiж активною i реактивною складовими опору xiMi4HO обробленого волоса, незалежно вiд частоти змшного струму, е нижчим порiвняно з нативним волосом, а його найнижче значення зафксовано при частой 40 кГц (вiдповiдно -73,87° та -61,25°, Р 2264 > 0,01).
Ключовi слова: волос людини, електричний iмпеданс, кут j, структура, тюглколева кислота.
УДК 611. 781: 612. 014. 42
ИССЛЕДОВАНИЕ БИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КЕРАТИНА ВОЛОСА ЧЕЛОВЕКА МЕТОДОМ ИМПЕДАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Гавриляк В. В., Яремкевич Е. С.
Резюме. В статье представлены результаты исследования биофизических характеристик волоса человека методом импедансной спектроскопии при переменном токе частотой от 1 до 100 кГц под влиянием водного раствора тиогликолевой кислоты. Установлено, что комплексное сопротивление волоса зависит от частоты переменного тока, причем наибольшая разница в импедансе нормальных и химически обработанных волос наблюдается в низкочастотном диапазоне (от 100 Гц до 40 кГц). Импеданс нативного волоса при частоте тока от 1 до 40 кГц достоверно выше по сравнению с химически обработанным волосом, причем его самое низкое значение зафиксировано на частоте 10 кГц (соответственно 3,59 Ом и 1,77 Ом , Р 2264 > 0,01 ) .
Показано, что фазовый угол j смещения между активной и реактивной составляющими сопротивления химически обработанных волос независимо от частоты переменного тока ниже по сравнению с нативным волосом, а его самое низкое значение зафиксировано при частоте 40 кГц (соответственно -73,87° и -61,25° , Р 2264 > 0 , 01) .
Ключевые слова: волос, электрический импеданс, угол j, структура, тиогликолевая кислота.
UDC 611. 781: 612. 014. 42
Biophysics Characteristic of Human Hair Keratin by Impedance Spectroscopy
Havrylyak V. V., laremkevych O. S.
Abstract. Impedance spectroscopy, based on electrical impedance measuring of various objects, including biological, is analytical technique that has found widespread use in biology and medicine. It has been known that impedance of biological tissue reflects its biophysical properties in the frequencies range from 1 Hz to 100 kHz.
Today the electric impedances used in a wide range of clinical trials, particularly for the differentiation of various types of cancer, tomography and the analysis of the body content.
The literature data inform about impedance characteristics of the epidermis, skin and nails but little attention has been paid to studies the dielectric properties of human hair.
The main purpose of this research is to examine the biophysical characteristics of human hair by impedance spectroscopy in response to chemical factors after the action of the alternating current at a frequency from 1 Hz to 100 kHz.
In the experiment human hair with an average diameter of d = 67,3 |im were used. Hair treatment with 10 % aqueous solution of thioglicolic acid at 37° C during 15 min was designed. The alternating current of varying frequency passed through the human hair and bioimpedance Z (Ohm) and angle j (degree) were measured.
Structural changes in the surface of the untreated and chemically treated hair were evaluated by scanning electron microscopy. The destruction of cuticle layer of human hair after the influence of thioglicolic acid was observed.
It should be noted that the reliable differences in bioimpedance of untreated and chemically treated hair are observed only in the low-frequency range. These changes, perhaps, are related to the dielectric properties of cuticle layer of hair, while impedance in the high-frequency range is associated with cortex.
It has been shown that the electric impedance of keratin fibers depends linearly on the frequency of the alternating current. Obtained results show that impedance of the untreated hair at current frequency from 1 Hz to 40 kHz is significantly higher compared to chemically treated hair. The lowest value of bioimpedance both untreated and chemically treated hair was fixed at a frequency of 10 kHz (3. 59 Ohm and 1. 77 Ohm, P 2264 > 0,01 respectively). Lower impedance of chemically treated hair is apparently due to the rupture of disulfide and hydrogen links between polypeptide chains of keratin.
It has been detected that the phase angle j of permittivity of chemically treated hair, regardless of the alternating current frequency, is lower compared to the untreated hair and its lowest value was fixed at a frequency of 40 kHz (-73. 87° and -61. 25° respectively, P 2264 > 0,01).
These changes are obviously related to the capacitive characteristics of keratin fibers, which depend on the molecular mobility of a-keratin chains, while their conductivity depends on the mobility of water molecules associated with the polar groups of the keratin molecules. Thus, hair treatment with aqueous solution of thioglicolic acid affects the structure of cell-membrane complexes, primarily by changing their polarization properties.
It was concluded that the human hair is characterized by dielectric dispersion and impedance components -conductivity and capacitance depend on the state of the keratin fibers.
Key words: human hair, electrical impedance, angle j, structure, thioglicolic acid.
Рецензент - проф. 1щейюна Ю. В.
Стаття надшшла 14. 01. 2014 р.
