CC BY
36
Б1ОЛОГ1Я
© Гавриляк В. В., *Яремкевич О. С. УДК 611. 781: 612. 014. 42 Гавриляк В. В., *Яремкевич О. С.
ЕЛЕКТРОПРОВЩНЮТЬ КЕРАТИНОВИХ ВОЛОКОН
ЗА ДМ ТЮГЛ1КОЛЕВО1" КИСЛОТИ
1нститут бюлогм тварин НААН (м. .nbBÏB) *Нацюнальний ушверситет «.bBÏBCbKa пол^ехшка» (м. Льв^в)
Робота е фрагментом науково-дослiдноI ро-боти «Вивчити регуляторнi механiзми бюсинте-зу продукцп вiвчарства», № державно! реестраци 0110и004171.
Вступ. Кератиновi волокна - широко поширен природнi бiополiмери, в яких юнують супрамолеку-лярнi наноструктури. Цi матерiали розглядаються як перспективна база сучасно! нанотехнологiI [3, 4, 7]. Рiзноманiтнi модифiкацiI таких волокон, а також !х поеднання iз iншими матерiалами, вiдкривають нов1 можливост для створення нових бiосумiсних компо-зитiв, затребуваних медициною, а також так званого «Ытелектуального» текстилю. У зв'язку iз цим важ-ливого значення набувае до^дження електричних властивостей бiополiмерiв i, зокрема, кератинiв.
Вщомо, що кератиновi волокна е природними бюелектретами, здатними зберiгати заряд i поляри-зацiю. Природнi електретнi властивост волоса ви-никають у результат поляризацiI пептидного зв'язку у молекул кератину, а також вiд !х синергiчного впорядкування в a-спiралi кортикальних клiтин, що додае полярностi окремим молекулам [5].
Дiелектричнi властивостi кератиыв на сьогодн1 дослiдженi мало, небагаточисельн роботи стосу-ються в основному рогового шару еттелто [8], ыгпв [11], пiр'я [9], а таю дан стосовно кератинових волокон у широкому дiапазонi змiн частоти електричного поля практично вiдсутнi. З огляду на це актуальним е застосування бЫмпедансного аналiзу волокон, як методу вимiрювання електропровiдностi бiологiчних об'екпв.
Метою даного дослiдження було адаптувати метод бЫмпедансно! спектроскопiI для вивчення провщност кератинових волокон у дiапазонi частот вiд 1 Гц до 100 кГц.
Об'ект i методи дослщження. Об'ектом до-слiджень були зразки волосся людини та вовнян волокна iз середнiм дiаметром вщповщно d = 67,3 мкм i d = 28,4 мкм. Хiмiчне оброблення моделювали за допомогою 10 % водного розчину тюглколево!' кислоти (ТГА) за температури 37 °С протягом 15 хв. Зразки, використан в якостi контролю, за аналопч-них умов витримували у дистильованм водi. Для iм-педансно! спектроскопи використали iнтегральний модуль на основi мiкросхеми АД 5933, який пере-творюе електричнi сигнали у цифровi [1-2]. Через волокна пропускали слабкий змшний струм рiзноí
частоти i вимiрювали активну i реактивну складов! провщностг Електроди, виготовлен ¡з Ауруму, пщ-водили до вз!рц!в на вщстаы 20 мм один вщ одного. Повторюванють вим!рювань для кожного вз!рця трикратна.
За отриманими експериментальними дани-ми з використанням програми Microsoft Excel для Windows були отриман табличн дан! та графки ïx частотних характеристик.
Поверхню кератинових волокон доогмджували за допомогою сканувального електронного м!кроскопа JEOL JSM-T 220A. Для забезпечення сткання заряду зразки напиляли купрумом за допомогою установки ВУП-5.
Результати досл!джень опрацьовували статис-тично з використанням середнього арифметичного та стандартно'! похибки (M ± m) i достов!рного штер-валу для оцЫки ступеня в!рогщност (P) за допомогою критерю Стьюдента (t). Розб!жност вважали статистично в!рогщними при P < 0,05.
Результати дослщжень та ïx обговорення. Електронна сканувальна м!кроскоп!я кутикулярно-го шару волоса людини до та пюля оброблення ТГК (рис. 1) дозволила виявити ¡стоты вщмшност м!ж ними. Вщповщно до отриманих результа^в кутику-лярн луски волоса, обробленого ТГК, характеризуются припщнятими i «бахромчастими» краями, ерозieю поверхн (рис. 1, В). Натомiсть на мкрофо-тографiï кутикули нормального волоса (рис. 1, А) лусочки ч!тко окреслен i щтьно прилягають до його поверхы, спостерiгаються лише поодинок сколення кра'в лусок внаслiдок 'х щоденного зношення [12].
Под!бн змЫи зафiксованi i стосовно лускатого шару вовняного волокна. З рисунку 2 (В) видно, що деструктивы змЫи, як! виникають на поверхн вовняного волокна унаслщок оброблення ТГК, зо-вншньо виражаються у пщйом! кутикулярних лусок перпендикулярно до ос! волокна та 'х частковому вiдшаруваннi, тод! як кутикулярний шар нативного вовняного волокна не зазнае змЫ (рис. 2, А).
У результат! проведених дослщжень виявлено стабтьну низькочастотну провщнють кератинових волокон. Застосований нами метод бЫмпедансно-го анал!зу дозволив диференцювати ïï на активну та реактивну складову. На рисунку 3 представлено графки частотних залежностей активноï (А) i реак-тивноï (В) складових провщност волоса людини
ж
л 1 Л )
щ Ч V V
■ \ } \
а Х-
WD=4.2mm 5.00кУ хЗ.ООк 20дт
Рис. 1. Поверхня волоса людини (збшьшення X 3000): А% зразокбез обробки; В V, зразок гпсля обробки ТГК.
Рис. 2. Поверхня вовняного волокна: А% зразокбез обробки (збшьшення X 2500); В% зразок шсля обробки
ТГК (збшьшення X 5000).
до та пюля оброблення ТГК. Отримаш результати свщчать про р1зке зростання активно)' провщност1 в д1апазош вщ 1 Гц до 15 кГц, причому максимального значения вона набувае при частой 10 кГц.
Характерно, що для х1м1чно обробленого волоса активна провщнють на цм частой на 87% (Р<0,01) вища пор1вняно до нативного волоса, тод1 як на частой 15 кГц значения ще! складово! провщност1 як нативного, так \ хЫчно модифкованого волоса зр1внюються. Пщвищення активно! провщност1 у д1апазош частот вщ 1 Гц до 15 кГц пов'язане ¡з змен-шенням реактивного опору кутикулярного шару \ проникненням струму всередину волокна, чому сприяе його гщратащя.
Як показали результати наших доел¡джень щодо реактивно! (емнюно!) складово! провщност1, то и максимум зсуваеться до частоти 20 кГц. Характерно, що для х1мнно обробленого волоса реактивна провщнють на цм частой зростае на 57% порвня-но до контролю (Р<0,01), що, очевидно, можна по-яснити перегрупуванням молекул води у аморфних дшянках кератину [5].
Под1бш результати отримаш нами \ щодо вов-няних волокон (рис. 4). 1з наведених на рисунку 4 даних видно, що активна провщнють хЫчно обробленого вовняного волокна при частой струму вщ 1 до 15 кГц ютотно пщвищуеться у пор1внянш з нативною вовною \ максимального значения досягае при 10 кГц (0,348 I 0,208 цСм вщповщно, Р<0,05). На частой понад 20 кГц нами не зафксовано суттевих вщмшностей щодо активно!складово! провщност1 як для контрольних, так \ для модифкованих волокон.
Дослщження реактивно! складово! провщност1 вовняних волокон показали, що як характер и змш, так \ числов1 значения практично не вщр1зняються вщ результате, отриманих для волоса людини, причому як для нативного, так \ обробленого ТГК.
Отже, таю кератинов! волокна, як волос людини \ вовна виявляють електричну провщнють як функщю частоти, що пщтверджуеться \ результатами, отриманими для рогового шару еттел1ю та шгпв [10]. Слщ зазначити, що як активна, так \ реактивна провщнють домшують на низьких частотах. Отримаш нами результати свщчать, що електрична
0,6 —1
0,5-
0,4-
0,3-
0,2-
0,1-
0,0
—'-1-'-1-1-1—
0 20000 40000 60000
f, Hz
0,300,250,200,150,100,05-
0
-1-1-1-1-1-1-1-1-1
20000 40000 60000 80000 100000
f. Hz
Рис. 3. Активна (G) i реактивна (В) провщшсть волоса людини : 1 - контрольний зразок, 2 - зразок гпсля
обробки ТГК.
0,40 П 0,22 п
^ 0,35- Ни " 0'20:
».IS-
0,30- п 0,16-
0,25- 1 2 0,14-
0,20- I ¿L 0,12-
(Г ^ 0,10-
0,15- Ч. 0,08
0,10- 0,06-
0,05- ^S^tes^- о,о4-
0,021 . 1 1 1 1 1 . 1 1
0,00-
20000 40000 60000 80000
100000
f, Hz
20000 40000 60000 80000
100000 f, Hz
Рис. 4. Активна (G) i реактивна (В) провщшсть вовняного волокна: 1 - контрольний зразок, 2 - зразок шсля
обробки ТГК.
2. При доотджены провщносгп кератинових волокон найЫформативышим е низькочастотний
провщшсть кератину ютотно залежить вщ ступеня його пдратаци, чому сприяе обробка волокон ТГК. Вщомо, що система кератин-вода у електрично-му пол1 взаемод1е як протонний нагпвпровщник [6]. Проте, враховуючи скпадну будову кератинових волокон, а також наявнють р1зних сайт1в для сорбци води у кератинах, можна припускати ¡снування у цих волокнах незалежних шлях1в провщност1.
Висновки.
1. Електрична провщнють волоса людини \ вовняного волокна мають под1бний характер.
спектр у дiапазонi частот вiд 1кГц до 70 кГц.
3. Обробка волокон розчином ТГК пришвидшуе гщратацю кератину, що призводить до змЫи Ух ем-ностi та провщнос^ порiвняно до нативних волокон.
Перспективи подальших дослiджень. Дослi-дження необхщно продовжити у напрямi з'ясування електропровщнос^ волокон та УУ зв'язку iз рiзними хiмiчними обробками.
JliTepaTypa
1. AD5933 Datasheet: Analog Devices (http://www. analog, com).
2. AD5933 Application Note № "Measuring Grounded Impedance Profile Using the AD5933", Analog Devices (http://www. analog. com).
3. Arshakuni A. A. Nanomaterials based on Natural Protein fibers / A. A. Arshakuni, S. P. Gubin // Inorganic Materials. - 2010. -Vol.46, №7.-P. 734-742.
4. Cheu P. Y Biological materials: functional adaptations and bioinspired design / P. Y Cheu, J. M. McKittrick, M. A. Meyers // Progress in Materials Sciences. - 2012. - Vol. 57. - P. 1492-1704.
5. Christie J. H. A new model of DC conductivity of Hygroscopic Solids. Part II. Wool and Silk / J. H. Christie, I. M. Woodhead, S. Krenek, J. R. Seokole //Textile Research Journal. - 2002. - Vol. 72. - P. 303-308.
6. Feughelman M. Mechanical properties and structure of a-keratin fibres / M. Feughelman. - Sydney : University of New South Wales Press, 1997. - 164 p.
7. Hu X. Protein-based composite materials / X. Hu, P. Cebe, A. S. Weiss [et al.] // Materials today. - 2012. - Vol. 15, № 5. -P. 208-215.
8. Johnson G. K. A new approach for an estimation of the equilibrium stratum corneum water content / G. K. Johnson, A. B. Yaugsness, O. G. Martinsen, S. Grimnes // Skin Research Technol. - 2010. - Vol. 16. - P. 142-145.
9. Kiew K. S. Comparative study of dielectric properties of chicken feather/kenaf fiber reinforced unsaturated polyester composites / K. S. Kiew, S. Hamdan, Md. R. Rahman // BioResources. - 2013. - Vol. 8 (2). - P. 1591-1603.
10. Martinsen O. Dielectric properties of some keratinized tissues. Part 1: Stratum corneum and nail in situ / O. Martinsen, S. Grimnes, E. Kongshaug // Med. Biol. Eng. Comput. - 1997. - Vol. 35. - P. 172-176.
11. Martinsen O, Grimnes S., Nilsen S. 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. Osorio F. Hair weathering. Part 1. Hair structure and pathogenesis / F. Osorio, A. Tosti // Cosmet. Dermatol. - 2011. - Vol. 24, № 11. - P. 533-538.
УДК 611. 781: 612. 014. 42
ЕЛЕКТРОПРОВ1ДН1СТЬ КЕРАТИНОВИХ ВОЛОКОН ЗА ДМ ТЮГШКОЛЕВОТ КИСЛОТИ
Гавриляк В. В., Яремкевич О. С.
Резюме. У статт представлено результати дослщжень електропровщност волоса людини та вовняного волокна методом iмпедансноI спектроскопи при змЫному CTpyMi частотою вщ 1 до 100 кГц за дм водного розчину тюглколево! кислоти. Установлено, що як активна, так i реактивна складова провщност волокон залежить вщ частоти змшного струму, причому ютоты рiзницi мiж нормальними i хiмiчно обробленими волокнами спостертаються у низькочастотному дiапазонi. Обробка волокон водним розчином ТГК при-швидшуе гщратацю кератину, що призводить до змши ix емност та провщност порiвняно до нативних волокон.
Ключовi слова: волос людини, вовняне волокно, активна провщнють, реактивна провщнють, тюглколе-ва кислота.
УДК 611. 781: 612. 014. 42
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ КЕРАТИНОВЫХ ВОЛОКОН ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТИОГЛИКОЛЕВОЙ КИСЛОТЫ
Гавриляк В. В., Яремкевич А. С.
Резюме. В статье представлены результаты исследования электропроводности волоса человека и шерстного волокна методом импедансной спектроскопии при переменном токе частотой от 1 до 100 кГц под влиянием водного раствора тиогликолевой кислоты. Показано, что активная и реактивная составляющая проводимости волокон зависят от частоты переменного тока, причем наибольшая разница между нормальными и химически обработанными волокнами наблюдается в низкочастотном диапазоне. Обработка волокон водным раствором ТГК ускоряет гидратацию кератина, что приводит к изменению их емкости и проводимости по сравнению с нативными волокнами.
Ключевые слова: волос человека, шерстное волокно, активная проводимость, реактивная проводимость, тиогликолевая кислота
ийС 611. 781: 612. 014. 42
Electrical Conductivity of Keratin Fibers under the Action of Thioclicolic Acid
Havrylyak V. V., laremkevych O. S.
Abstract. Introduction. Keratin fibers - widespread natural biopolymers, which are contain supramolecular nanostructures. Nowadays these materials are considered as a promising basis of modern nanotechnology. Various modifications of these fibers and their combination with other materials open up the possibilities for the creation of new biocompatible composites, which are widely used in medicine and for the production of "smart" textiles.
However, little is known about the electrical properties of biopolymers and, in particular, keratins.
Therefore the main purpose of this research was to examine the electrical conductance and susceptance of human hair and wool fibers under the influence of aqueous solution of thioglicolic acid by impedance spectroscopy after the action of the alternating current at a frequency from 1 Hz to 100 kHz.
Materials and methods. In the experiment human hair and wool fibers with an average diameter of d = 67,3 |im and d = 28. 4 |im respectively were used. Keratin fibers were treated by 10 % aqueous solution of thioglicolic acid at 37° C during 15 min. The alternating current of varying frequency passed through the fibers and electrical conductance and susceptance were measured. For the electron microscopy keratin fibers were fixed onto a specimen stub and then sputter-coated with copper. The fibers were inserted into JEOL JSM-T220A Scanning Electron Microscope (Japan) operating at an accelerating voltage of 20 M for viewing and photography.
Results and discussion. It has been shown the structural changes in the surface of the human hair and wool fibers under the influence of aqueous solution of thioglicolic acid. The impact of thioglicolic acid on human hair and wool fiber was accompanied by destruction of their cuticle layer
As a result of our research it has been found a stable low-frequency conductivity of keratin fibers. The applied bioimpedance spectroscopy allowed the differentiating of conductivity on its active and reactive component. Obtained results indicate a sharp increase of keratin fiber's conductance in a range from 1 Hz to 15 kHz. The maximum value of conductance was fixed at a frequency of 10 kHz.
The increasing of conductance in the frequency range from 1 Hz to 15 kHz is associated with a decrease of cuticle layer reactance and the penetration of current into the fiber
Maximum of keratin fiber's susceptance was observed at a frequency of 20 kHz. Moreover, the reactive conductivity of chemically treated fibers at this frequency is significantly higher compared to control fibers, which indicate the rearrangement of water molecules in the amorphous areas of keratin.
Keratin fibers such as wool and human hair exhibit electrical conductivity as a function of frequency. These data support the findings obtained for the stratum corneum and nail. It should be noted that both conductance and susceptance dominate at low frequencies. Our results indicate that the electrical conductivity of keratin fibers greatly depends on their hydration
Conclusion. Electrical conductivity of human hair and wool fibers has a similar character. For the study of the conductivity of keratin fibers the most informative is low frequency spectrum in the frequency range from 1 kHz to 70 kHz. The treatment of keratin fibers with thioglicolic acid accelerates the hydration of keratin, which leads to a change of their conductance and susceptance compared to native fibers.
Keywords: human hair, wool fiber, electrical conductance, susceptance, thioglicolic acid.
Рецензент - проф. Гапон С. В.
Стаття надшшла 25. 08. 2014 р.
