最近の技術から人の美しさを光で測る，光で創る

SPring-8 を利用した毛髪内部の構造変化測定
佐野則道＊・竹田晋吾＊＊・松井純爾＊＊・高野秀和＊＊＊・篭 島靖＊＊＊

Application of SPring-8 to Measure Changes of Internal Structure of Hair Fiber
Norimichi SANO＊, Shingo TAKEDA＊＊, Junji MATSUI＊＊ , Hidekazu TAKANO＊＊＊ and Yasushi KAGOSHIMA＊＊＊
Synchrotron radiation-sourced wide-angle X-ray diffraction（WAXD）pattern of human hair undermechanical stress gives us information on microscopic deformation of the constituent keratin protein.
The helical pitch of a-keratin molecule for respective stress was read out from the diffraction pattern.
Longitudinal crystal modulus of elasticity, or spring constant, of a-keratin in hair fiber was calculated asa slope in the Hookean region of the stress-crystal deformation curve. The spring constants demonstrated
that a new formulation of hair conditioner soften the damaged hair fibers. The formulation was launchedon the market as a conditioner for unruly or naturally waved hair.
Key words: synchrotron radiation, X-ray diffraction, hair fiber, a-keratin, hair conditioner

ヘアケア製品は人間の頭髪の清潔さと美しさを保つ化粧

生することができる大型の研究施設である（http://www.

品である．この分野では，製品処方成分がもたらす毛髪のspring8.or.jp/）．筆者らが確立した手法は，SPring-8 の兵

物理的特性変化を，毛髪表面や内部の構造を含むさまざま庫県専用ビームライン BL24XU のブランチ A の X 線散乱実な尺度で評価する手法が用いられている．特に近年，化粧験ステーションに設置されている微小タンパク結晶回折計品メーカー各社は，ヘアケア製品開発を指向して放射光をを利用している（http://www.hyogo-bl.jp/bl24xu.html）．

利用した毛髪の基礎的物性研究に注力している1）．例え

1. 1 測定光学系

ば，キ ュ ー テ ィ ク ル 中 の 細 胞 膜 複 合 体（cell membrane2）

SPring-8 BL24XU-A の X 線散乱実験ステーションでは，

complex; CMC）の構造と物質透過性にかかわる機能 ，おもに高分子材料，合成高分子，金属・合金などの評価を毛髪の硬化と軟化に伴うケラチンの二次および三次構造の行っており，通常の小角（広角）散乱光学系とマイクロ小3）変化 ，あるいはケラチン分子集合体である intermediate4）角（広角）散乱光学系が設置されている．ここではおもに等が調

マイクロ小角 X 線散乱光学系について説明する．本光学系

べられている．筆者らは，ケラチン二次構造の動的変化には大きく分けて 4 つの部分で構成され，上流から，光源，基づくコンディショナー処方の有用性評価法を確立し，新集光光学系，試料台（ゴニオメーター），検出器となる．

filaments（IF）の構造分布のくせ毛発生への関与

5）製品の商品化に活用している ．本稿では，その手法と得（ 1 ）光られた成果について紹介する．

散乱測定には高い輝度の光源が求められるため，光源とし放射光とその利用て第三世代の放射光施設である SPring-8 のアンジュレー

1.

源： マイクロビームを用いた局所領域の X 線放射光は，ほぼ光速で直進する荷電粒子（電子や陽電ターを用いた．第三世代の放射光施設の特徴は，低エミッ子）の進行方向が磁場で曲げられるときに放射される電磁タンスの蓄積リングと挿入光源による高輝度かつ指向性の波である．放射光は明るく，指向性が高く，また光の偏光よい放射光が得られることである．このような良質な X 線特性を自由に変えられるなどの優れた特徴をもっており，を用いることにより，集光 X 線の集光効率の向上，集光サ実験室系の装置では実現不可能な高感度・高空間分解能イズの縮小が見込める．

な計測を可能とする．兵庫県南西部（西播磨）の播磨科学（ 2 ）集光光学系： X 線散乱測定では試料が X 線によっ

公園都市にある SPring-8 は，世界最高性能の放射光を発て照射された領域の平均情報が得られる．よって，試料に＊P&G イノベーション合同会社研究開発本部分析部門（〒658―0032 神戸市東灘区向洋町中 1―17） E-mail: sano.n.2@pg.com（財）ひょうご科学技術協会兵庫県放射光ナノテク研究所（〒679―5165 たつの市新宮町光都 1―490―2）＊＊＊
兵庫県立大学大学院物質理学研究科（〒678―1205 兵庫県赤穂郡上郡町光都 3―2―1）＊＊

550（ 34 ）光学

図 1 ビームサイズ測定結果．
（a）水平方向 43 m m，（b）垂直方向 12 m m．

図 2 小角散乱装置の概略．

た X 線の焦点位置に試料を配置し，測定を行う．
入射させる X 線のサイズを縮小しマイクロビーム化するこ

1. 2 標準試料の測定とによって，微小な領域の評価をより高位置分解能で行う

本光学系のデモンストレーションとして，鳥のドライコことが可能になる．また，単位面積あたりの光子密度が高ラーゲンの測定を行った．X 線のエネルギーは 10 keV を使くなるために，微小な試料からの信号を効率よく得ること用した．コラーゲンは三重らせん構造が 65.3 nm の周期長ができる．BL24XU-A のマイクロ小角散乱装置では，X 線で秩序的に配列されたタンパク質繊維であり，カメラ長のマイクロビームの光学素子としてゾーンプレート（ZP）を校正やビーム中心座標の決定などに用いられる小角散乱測6）用いている ．形成された X 線マイクロビームのサイズは定の標準試料である．図 3 はイメージングプレートにより水平方向 43 m m，垂直方向 12 m m を達成している．ナイフ得られた二次元の散乱強度である．コラーゲンの周期構造

エッジスキャン法で行ったビームサイズの測定結果を図 1が異方性をもった散乱像として現れ，その散乱ピークが対に示す．また，100 m m×100 m m のスリットを通して試料称に生じている．また，図 4 は図 3 のデータを一次元化し10に入射する X 線の強度は 1×10 photons/s で，集光なしたグラフである．1 次のピークから高次のピークまで観測のときと比較して 1 桁以上の X 線強度の向上がみられた．

されている様子がわかる．

（ 3 ）試 料 台（ゴ ニ オ メ ー タ ー）
： 試料のマウントにマイクロ小角散乱光学系の仕様をまとめると，試料を照は，マイクロビームに対応できるよう 1 m m 以下の精度を射する X 線のサイズは水平方向 43 m m，垂直方向 12 m m で有したゴニオメーターを使用しており，遠隔操作により試あり，このサイズが位置分解能である．また，X 線の強度料の並進，回転が再現性よく行える．また，高倍率の可視は 1×1010 photons/s であることから，微小な試料を測定

光の CCD カメラを X 線と同軸に配置しており，試料の位するために十分な強度と位置分解能をもった光学系である置決めが精度よく行える．と期待される．

（ 4 ）検出器： 小角 X 線散乱測定では極小角側から広角

2.

ヒト毛髪 a -ケラチンの結晶弾性率の測定側にかけて散乱強度が大きく変化する．最大強度に対し毛髪の主成分はケラチンというタンパク質で，毛髪内部1/1000〜1/10000 程度の弱い散乱まで測定する必要がある

では個々のケラチン分子が a -へリックス構造をとりながため，ある角度領域を同時に測定できる二次元検出器を用ら毛髪の伸長方向に向きを揃えて，毛幹の太さ方向に緩やいるのが一般的である．二次元検出器の例として，二次元かに束ねられた構造をしている（図 5）．直径はアジア人女のマルチワイヤー型比例計数管，イメージングプレート，性の場合 60 m m 前後である．応力下での X 線回折パターン

CCD カメラなどが挙げられる．BL24XU-A では比較的検出から，ケラチンタンパクの微視的な変形に関する情報が得面積が大きいイメージングプレートを使用しており，試料られる．毛髪単繊維に 0〜90 g 程度の引っ張り荷重をかからイメージングプレートまでのカメラ長は試料によってけ，各張力でのケラチン分子の螺旋ピッチを広角 X 線回折変更可能である．これにより，数 nm〜100 nm 程度までの法で測定すれば（図 6），a -ケラチンの引っ張り─結晶変形サイズおよび周期長に関する情報を得ることができる．

曲線が得られる（図 7）．縦結晶弾性率はこの引っ張り─結

これらによって構成されたマイクロ小角散乱装置の概略

晶変形曲線のフック領域の傾きから求められる．

を図 2 に示す．光源（アンジュレーター）により発生したアジア人女性の健康な髪の束に弊社の標準的な方法でダ放射光からダイヤモンド二結晶分光器を用いて 10 keV の Xメージを与え，シャンプーし，コンディショナー処理をし線を分光し，実験ステーションに入射させる．実験ステーたものを実験試料とした．対照試料は同様のダメージ，ションでは，スリットを通して X 線を整形し，ZP に入射シャンプーの後，水で処理したものを用いた．上述の方法

させる．ZP の下流に 2 つのスリットを設置し，高次回折で a -ケラチンの結晶弾性率を測定したところ，弊社が新光の除去と寄生散乱の抑制を行う．ZP によって集光され規に開発したコンディショナーの処方が，対照試料に対し

39 巻 11 号（2010）

551（ 35 ）(a)䉟䊜䊷䉳䊮䉫䊒䊧䊷䊃(b)㫈㩷㩿㫅㫄㪄㪈㪀㪇㪅㪌㪇㪅㪇Ძ㜬㪄㪇㪅㪌᡼኿శ㪄㪇㪅㪌㪇㪅㪇㪇㪅㪌⩄㊀࿁᛬䊌䉺䊷䊮㪄㪈㫈㩷㩿㫅㫄 㪀

図 6 毛髪単繊維の応力下 X 線回折．
（a）光源・試料・検出器の配置，（b）毛髪の広角 X 線回折パターン．

図 3 ドライコラーゲンの測定結果．

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図 4 ドライコラーゲンの一次元化データ．三重らせん構造（周期長 65.3 nm）由来の一次ピークから観測可能．

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図 5 ヒト毛髪の構造模式図．

図 7 引っ張り応力による a -ケラチンのピッチの伸び．
（a）
応力による回折ピークの移動（試料：ヒト毛髪単繊維，塩酸（pH＝4.5）による処理後）．
（b）a -ケラチンの応力─変形曲線（試料：ヒト毛髪，物理的・化学的ダメージ処理，シャンプー，うねり・くせ用コンディショナーで処理）．て 22％小さい a -ケラチンの結晶弾性率を与えた 5）．この処方は，頑固なうねり・くせを内側からコントロールして，素直にまとまる髪にするコンディショナーとして商品化された．のと期待される．
文

献

評価を得ている．生活用品の製品開発に光学的評価法が一

1）八田一郎：放射光産業利用調査報告書─ SPring-8 産業利用の広がり（SPring-8 利用推進協議会研究開発委員会，2010）p. 59.
2）N. Ohta et al.: J. Appl. Cryst., 38（2005）274―279.
3）L. Kreplak et al.: Biopolymers, 58（2001）526―533.
4）Y. Kajiura et al.: J. Struct. Biol., 155 （2006）438―444.
5）N. Sano: SPring-8 Research Frontiers 2006（Japan SynchrotronRadiation Research Institute, 2007）pp. 149―150.
6）高野秀和ほか：放射光ビームライン光学技術入門，大橋治彦・
平野馨一編（日本放射光学会，2008）pp. 206―232.

層活用され，私たちの健康で快適な生活に貢献していくも（2010 年 6 月 18 日受理）

本稿では，ヘアコンディショナーがもたらす巨視的な有用性に対し，毛髪の主成分である a -ケラチンの力学的性質に基づく光学的評価法を考察した．こうした手法を組み込んで開発・商品化されたヘアケア製品は，消費者の高い552（ 36 ）光学