头发流势分析揭示种族与环境暴露对毛发特性的影响：从ζ电位到颗粒沉积的跨种族研究

本文通过流势分析（Streaming Potential）系统研究了高加索人、华人和印度人头发在电动力学行为（ζ电位）、结构特征及颗粒沉积方面的种族与纵向（近端“根部”与远端“发梢”）差异。研究发现，尽管发梢经历了超过2年的风化，其ζ电位与根部无显著差异，且同一样本的颗粒沉积行为相似；种族间ζ电位大小排序为高加索人 > 印度人 > 华人，但更负的ζ电位并未直接导致更高沉积速率，表明确保健康与产品相互作用受多种因素（如亲水性）调控。作者进一步提出pH-ζ电位分类框架，为分析表面功能团提供了新工具，对开发针对不同种族的个性化护发产品具有重要指导意义。

引言

人类头发是一种复杂结构，其特性受遗传、文化和环境因素共同影响。不同种族群体（如亚洲人、高加索人和非洲人）的头发在形态、横截面椭圆度、直径和物理性质上存在显著差异。亚洲人头发通常直且横截面呈圆柱形，直径较大；高加索人头发多为直或波浪状，直径最小且横截面不规则椭圆；非洲人头发紧密卷曲，厚度中等且横截面高度椭圆。此外，角质层结构、生长速率、脂质组成和机械性能也存在种族特异性。近年来，热烫等造型方式的普及进一步加剧了头发损伤，但针对种族亚群（如华人与印度人）及头发纵向（根部与发梢）差异的研究仍较为缺乏。本研究首次采用流势分析（Streaming Potential）技术，系统比较了高加索人、华人和印度人头发的电动力学行为、结构特征及颗粒沉积模式，旨在揭示种族与风化效应对头发健康及产品相互作用的影响。

材料与方法

样品来源：化学未处理的高加索人、华人和印度人马尾发样本（长度38-46厘米）取自International Hair Importers & Products Inc.（IHIP）。样本经测试均来自单个个体。近端部分称为“根部”，远端部分称为“发梢”。

流势分析：使用固态电动力学分析仪（SurPASS 3；Anton Paar GmbH, Austria）测量头发样品的流势。将1克、6厘米长的发束置于样品架中，以1 mM氯化钾（KCl）溶液为电解质（pH调至7），预浸泡15分钟后进行测量。

ζ电位随pH变化：将1克发束装入样品架进行pH滴定测量。pH从7降至1.5（步长0.35），使用0.05 M盐酸（HCl）调节，直至达到等电点（IEP）。数据按pH区间分组绘制曲线。

颗粒吸附：使用胺接枝聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）颗粒（流体动力学直径D_H = 440 ± 27 nm，ζ电位 = 8.0 ± 0.3 mV）作为模型颗粒，比较不同马尾样本的吸附行为。电解质溶液pH维持在6.5 ± 0.2。通过测量头发表面覆盖率θ(%)评估颗粒吸附量，计算公式基于Ekiel-Jezewska等人的方程。

横截面分析：将头发片段嵌入OCT化合物，在显微冷冻切片机上切片后置于多聚赖氨酸包被的载玻片上分析。使用荧光显微镜（EVOS M5000）在40倍放大下采集图像（图S1）。使用fibermorph软件提取横截面信息，计算面积、偏心率、圆度和周长。偏心率（e）计算公式为e = √(1 - b²/a²)，其中b为最小半径，a为最大半径；圆度（C）计算公式为C = 4πA/P²，其中A为横截面积，P为周长。

结果与讨论

ζ电位分析：ζ电位可作为头发健康的指标，更负的ζ电位通常与更健康的头发相关。然而，氧化损伤头发因表面脂质氧化产生磺酸基团，也会呈现更负的表面电荷。本研究发现，三种种族头发的ζ电位大小排序为：华人 < 印度人 < 高加索人（根部：华人-15.6 ± 9.8 mV，印度人-28.2 ± 5.4 mV，高加索人-38.2 ± 3.9 mV；发梢：华人-16.3 ± 6.9 mV，印度人-24.0 ± 6.4 mV，高加索人-41.5 ± 8.2 mV）。单因素方差分析显示种族对ζ电位有显著影响（根部：F(2,9) = 19.63, p = 0.0005；发梢：F(2,9) = 16.91, p = 0.0009）。事后Tukey分析表明，除华人与印度人发梢及印度人与高加索人根部外，其他种族间差异显著。

横截面分析：华人头发在面积、周长和圆度上均高于印度人和高加索人头发（图2、图3），但根部与发梢间差异极小。个体内发丝间存在较大变异性，这与人类头发的天然特性一致。

ζ电位随pH变化：所有种族头发的ζ-pH曲线形状相似，均呈现酸性表面功能团特征（图4）。在pH > 6时，印度人根部和高加索人根部样本的ζ电位值幅度增加，提示表面存在更多游离脂肪酸（FFAs）。在pH 3-4范围内，华人根部和高加索人根部样本梯度更陡，表明天冬氨酸和谷氨酸侧链等羧基集团密度较高。在pH 4.5-5.5范围内，华人和印度人头发出现平台期，而高加索人头发持续下降，提示其表面功能团多样性更丰富。高加索人头发从根部到发梢的ζ-pH曲线变化最显著，表明显著的风化效应。

等电点（IEP）分析：IEP值在种族间存在差异（表3）。根部样本IEP排序为：高加索人（3.17 ± 0.01） > 华人（3.04 ± 0.08） > 印度人（2.54 ± 0.15）。发梢样本IEP普遍降低，多数低于pH 2（标记为N.A.），表明发梢表面磺酸基团比例更高，氧化损伤更严重。参考样本中，“健康”亚洲头发IEP为3.31，“损伤”亚洲头发未能达到IEP。

颗粒沉积：使用+8 mV胺功能化PMMA颗粒研究沉积行为（图5）。所有头发样本在颗粒添加后（t = 0）表面覆盖率θ迅速增加，20分钟内达到平衡。根部与发梢ζ电位差异极小，沉积行为相似。归一化表面覆盖率曲线形状无显著差异，但表面覆盖率更高的样本初始沉积速率更快。ζ电位值对沉积速率影响不大，高负电的高加索人头发沉积速率反而较慢（图6）。结果表明，头发来源（种族）对ζ电位和颗粒亲和力的影响大于风化过程。

分类框架：基于ζ-pH曲线特征，提出头发样本及其表面功能团配置的分类框架（图7、表4）。类型I-III在pH < 3时达到IEP，提示氧化损伤较轻；类型IV-V未能达到IEP，提示磺酸基团密度高、氧化损伤严重。曲线斜率变化反映不同pH范围内功能团密度和类型差异，如陡峭斜率提示羧基集团密度高，平台期提示非极性分子（如蜡酯、角鲨烯）比例较高。

结论

本研究通过流势分析揭示了高加索人、华人和印度人头发在电动力学行为、结构特征及颗粒沉积方面的种族与纵向差异。尽管发梢经历了超过2年的额外风化，其与根部的差异仍不显著，表明头发来源、个体习惯和遗传因素起主导作用。种族间ζ电位排序为高加索人 > 印度人 > 华人，但更负的ζ电位并未直接导致更高颗粒沉积速率，提示亲水性等其他表面性质的影响。作者提出的pH-ζ电位分类框架为分析头发表面功能团提供了新工具，有助于未来针对不同种族开发个性化护发产品。本研究强调，理解头发特性需综合考虑遗传、环境和文化因素，单一参数（如ζ电位）不足以全面评估头发健康或预测产品相互作用。