본 연구는 흰 모발(gray hair)의 염색 전·후 미세구조 및 원소조성 변화를 흑갈색 모발(black brwon hair)과 비교분석 하였다. 이를 위하여 73세 동일 여성의 두피에서 흰 모발과 흑갈색 모발을 채취하여 광학현미경(light microscope, LM), 엣지 3D 디지털현미경(edge 3D digital microscope), 주자전자현미경 (scanning electron microscope, SEM), 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)으로 모발의 미세구조 변화를 관찰하였고 에너지분산분광기(energy dispersive X-ray spectrometer, EDS)와 플랫커드(FlatQUAD)를 사용하여 원소조성 함량을 분석하였다.
엣지 3D 디지털현미경과 LM 관찰에서 염색 전·후 흑갈색 모발과 흰 모발 모두 중앙에 수질이 존재하였다. SEM 관찰에서 염색 전 흑갈색 모발과 흰 모발의 표면은 매끄러운 상태로 비늘이 잘 배열되어 있고 일부 외부환경에 노출된 소피세포는 인접한 소피세포와 분리되어 틈을 이루고 있었다. 염색 후 흑갈색 모발과 흰 모발의 표면의 비늘은 분리되어 들떠 있어 많은 틈이 형성되어 있고 분리된 비늘 조각은 탈락되기 직전의 상태로 갈라져 있었다. 또한 이들 소피층 표면의 부서진 비늘 주변에는 미처 탈락되지 않는 내소피 부스러기가 그대로 부착되어 있어 염색 전 모발보다 거칠게 관찰되었다. 고배율상의 SEM 관찰에서 모발 소피층은 파괴되면서 소피세포가 완전하게 분리되어 떨어져 나가지 않고 내소피 성분이 그대로 존재하였으며 일부는 여러 층의 소피세포들이 동시에 파괴되거나 뜯어지는 현상이 확인되었다.
TEM 관찰에서 모발의 소피세포들은 전자밀도의 차이에 의해서 A층과 외소피 및 내소피가 뚜렷하게 구분되어 세포막복합체에 치밀하게 연접되어 있었다. 소피의 세포막복합체는 전자밀도의 차에 의해 바깥쪽의 β층, 가운데 δ층 및 안쪽의 β층으로 뚜렷하게 구분되어 관찰되었다. 세포막복합체를 경계로 소피층과 피질이 구분되었고, 수질은 피질의 경계로 구분되었으며 수질의 각질세사들은 피질의 미세원섬유와 다른 방향으로 종주하고 전자밀도의 차이에 의해서 뚜렷하게 구분되었다. 흑갈색 모발의 내소피에는 흰 모발과 달리 다양한 크기의 구멍들이 존재하였다. 피질세포는 거대원섬유와 멜라닌과립 및 세포잔유물로 채워져 있고 멜라닌과립은 거대원섬유사이기질과 세포잔유물에 존재하고 흰 모발의 피질은 거대원섬유들로 채워져 있으며 멜라닌과립은 전혀 관찰되지 않았다. 염색한 흑갈색 모발과 흰 모발에서 피질은 거대원섬유와 세포잔유물로 채워진 피질세포가 조밀하게 밀착되어 형성되어 있었다. 염색반응물질은 소피에서 세포막복합체와 내소피에서 전자밀도가 높은 미세입자들로 침착되어 관찰되었고, 피질에서는 세포막복합체와 거대원섬유사이기질 및 세포잔유물에 침착되어 관찰되었다. 특징적으로 염색 후 소피와 피질의 세포막복합체 두께(0.04 μm)는 염색 전(0.04 μm)에 비해 2배 정도 비후되어 있고 소피의 세포막복합체에서 바깥쪽에 있는 β층 두께가 안쪽에 있는 β층보다 현저하게 비후되어 관찰되었다.
EDS와 플랫커드를 이용한 구성원소 성분분석에서, 염색 전·후 흑갈색 모발과 흰 모발 모두 동일하게 C, O, N, S 원소가 검출되었고 염색모발에서 미량의 Ca 원소가 검출되었다.
이상의 연구결과를 종합해 보면, 흰 모발에서 염색 전·후 모두 수질이 관찰되었고 염색 후 모발 소피층의 손상도가 염색 전에 비해 높았으며, 소피와 피질의 세포막복합체, 거대원섬유사이기질 및 세포잔유물에서 염색반응물질이 침착되어 있는 것이 확인되었다. 염색 후 모발에서 검출된 미량의 Ca 원소는 염모제 처리 후 세척과정에서 사용된 물질들에 의한 것으로 추측되나 추후 추가적인 확인이 필요할 것으로 생각된다.

This study was conducted to investigate the microstructural and elemental compositional changes in gray hair before and after hair dyeing, compared with those in black-brown hair. Gray and black-brown hair were collected from a 73-year-old female, and microstructural changes were assessed by light microscopy (LM), edge three-dimensional (3D) digital microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). Changes in elemental composition were assessed by energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) and FlatQUAD.
Edge 3D digital microscopy and LM revealed the existence of the medulla in the center of the hair, both before and after dyeing. SEM revealed that the surface of black-brown and gray hair is smooth with well-arranged scales. The parts of some cuticle cells exposed to the external environment separated from adjacent cuticle cells, forming a gap between them. The surface of dyed black-brown hair and dyed gray hair was much rougher than that before dyeing. Edges of cuticle cells were sharp and irregular, and some of the edges were missing, revealing endocuticles attached to underlying cuticle cells. At high magnification, cuticle cells were observed to be cracked or broken and detached from the underlying cuticle cells.
TEM images of black-brown and gray hair revealed a close connection of cuticle cells to the cell membrane complex (CMC). A cuticle cell layer comprising the exocuticle and endocuticle was easily distinguished due to the difference in electron density. The cuticle CMC also was composed of two inner and outer β layers with low electron density and one δ layer with high electron density. The cortex was distinguished from the cuticle layer by cuticle CMC and the medulla was distinguished from the cortex. The corneous cells of the medulla developed in a different direction from the microfibrils of the cortex and could be clearly distinguished by the difference in electron density. Holes of various sizes were observed in the endocuticle of the black-brown hair but were unlikely to be present in the gray hair. The cortical cells of black-brown hair were filled with macrofibrils, melanin granules, and cell debris, and melanin granules are present in intermacrofibrilar matrix and the cell debris. The cortex of the gray hair was filled with macrofibrils, and melanin granules were not observed. Dyeing reaction materials were observed as particles with high electron density in the endocuticles, cuticle and cortex cell membrane complexes, intermacrofibrilar matrix, and cellular debris in dyed black-brown hair and dyed gray hair.
Characteristically, the thickness of both cuticle and cortex cell membrane complexes increased after dyeing (0.04 μm) compared with that before dyeing (0.04 μm). In addition, the outer β layer was strikingly thickened compared with the inner β layer in cuticle cell membrane complex.
In EDS and FlatQUAD analyses, C, O, N, and S were detected in the hair before and after dyeing in both black-brown hair and gray hair. However, a small quantity of Ca element was detected in the dyed hair during EDS analysis.
From this study, the medulla of gray hair was observed both before and after dyeing. Hair damage was much more extensive after dyeing than that before dyeing. The dyeing reaction materials were detected in the endocuticle, cuticle and cortex cell membrane complexes, intermacrofibrilar matrix, and cell debris. The thickness of both the cuticle and cortex cell membrane complexes was double following dyeing.