Objective: The cuticle of human hair has been examined, via a range of analytical methods, in order to reveal previously unknown information about its structure and to deepen understanding of its contribution to fibre properties.
Methods: Cross-sections of hair fibre have been examined with X-ray microdiffraction oriented perpendicular to the surface of the cross-sections. AFM investigations were carried out for further investigating and deciphering the structure of the cuticle. Moisture sorption analytics of cuticle separated from fibre and mechanical tests of decuticled fibres against virgin fibres were used for understanding the role of the cuticle in the economy of hair fibre.
Results: Previously unknown swelling behaviour of the hair cuticle during moisture sorption has been revealed, as has an increased significance of the cuticle's role in moisture management at higher values of relative humidity. Through AFM investigation, the reaction of hair cuticles with chlorine water has further strengthened the idea that the Allwörden membrane does not exist, and is actually an artefact of the delamination of the A-layer and exocuticle from the underlying endocuticle. Using decuticled fibres for stress-strain tests, and by comparing the results with those of virgin fibres, the effect of the cuticle on the post-yield area of the hair fibre stress-strain diagram has also been demonstrated. Finally, X-ray microdiffraction and AFM investigations suggest that the cuticle possesses a small-scale ordered structure, based on possibly not fully crystalline and irregularly arranged α-helices oriented almost perpendicular to the growth axis of the fibre and enhancing the general description of cuticle as the protective layer of the fibre.
Conclusion: The role of the cuticle for the hair fibre is more complex than previously thought. The cuticle is demonstrated not only to possess a hidden rod-matrix structure, that supports its protective nature, but also to play specific roles in the fibre's response to moisture, and in fibre mechanical behaviour.
OBJECTIF : la cuticule des cheveux humains a été examinée à l’aide d’un ensemble de méthodes analytiques, afin de révéler des informations jusqu’alors inconnues sur sa structure et d’approfondir la compréhension de son rôle dans les propriétés de la fibre. MÉTHODES : des coupes transversales de fibres capillaires ont été examinées par microdiffraction radiographique orientée perpendiculairement à la surface des coupes. Des expérimentations par AFM ont été réalisées pour approfondir les recherches et découvrir la structure de la cuticule. Des analyses d’absorption de l’humidité de la cuticule séparée de la fibre et des tests mécaniques des fibres décuticulées par rapport aux fibres vierges ont été utilisés pour comprendre le rôle de la cuticule dans la préservation de la fibre capillaire. RÉSULTATS : un comportement de gonflement jusqu’alors inconnu de la cuticule des cheveux durant l’absorption de l’humidité a été révélé, de même qu’une importance accrue du rôle de la cuticule dans la gestion de l’humidité à des valeurs plus élevées d’humidité relative. À l’aide des expérimentations par AFM, la réaction de la cuticule des cheveux avec de l’eau chlorée a à nouveau renforcé l’idée selon laquelle la membrane d’Allwörden n’existe pas et est en réalité un artéfact de délaminage de la couche A et de l’exocuticule provenant de l’endocuticule sous-jacente. L’utilisation de fibres décuticulées pour des tests de contrainte et la comparaison des résultats avec ceux de fibres vierges ont également démontré l’effet de la cuticule sur la zone post-rendement du diagramme de contrainte de la fibre capillaire. Enfin, les expérimentations par microdiffraction radiographique et AFM suggèrent que la cuticule possède une structure ordonnée à petite échelle, basée sur des hélices alpha potentiellement non entièrement cristallines et disposées de manière irrégulière, orientées presque perpendiculairement à l’axe de croissance de la fibre, améliorant la description générale de la cuticule comme couche protectrice de la fibre. CONCLUSION : le rôle de la cuticule pour la fibre capillaire est plus complexe qu’on ne le pensait. Il a été démontré que la cuticule possède non seulement une structure rod-matrix cachée, qui maintient sa nature protectrice, mais joue également des rôles spécifiques dans la réponse de la fibre à l’humidité et dans son comportement mécanique.
Keywords: AFM; Allwörden reaction; XRD microdiffraction; hair mechanics; hair swelling.
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