Miliony ton cennego materiału. Studentka Inżynierii Medycznej zbadała potencjał ludzkich włosów

Włosy należą do jednych z najbardziej wytrzymałych mechanicznie włókien w świecie przyrody. Ich struktura, która dla wielu z nas jest głównie kwestią estetyki, kryje w sobie fascynujące właściwości mechaniczne. Zbadała je studentka Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej Amelia Łach. W swojej pracy inżynierskiej przyjrzała się ludzkim włosom pod kątem tych ich właściwości, dzięki którym można je wykorzystać jako cenny surowiec dla rynku inżynierii materiałowej czy budownictwa. Choć na świecie już pojawiają się pierwsze programy recyklingu ludzkich włosów, w Polsce to wciąż mało wykorzystany kierunek myślenia i prośrodowiskowych działań. Studentka inżynierii medycznej planuje dalej badać nieoczywiste zastosowania włosów.

Na razie są  sporym, dotąd nierozwiązanym, problem środowiskowym, bo keratyna – z której w 80% składają się włosy – rozkłada się bardzo długo. A w samej Europie rocznie powstaje ponad 71 milionów kilogramów odpadów włosów, które trafiają na wysypiska lub do kanalizacji. – Dane globalnie robią jeszcze większe wrażenia. Rocznie powstaje od 1,1 do 5 mln ton włosów, z czego aż 90% trafia na wysypiska lub jest spalana. Tymczasem z inżynierskiego punktu widzenia to cenny, a wciąż niedoceniany surowiec, o szerokim potencjale zastosowań – mówi dr inż. Sylwia Łagan z Katedry Mechaniki Stosowanej i Biomechaniki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej, promotorka pracy Amelii Łach.

Cenne włókno, a nie tylko odpad

W pracy inżynierskiej pt. “Ocena wpływu stopnia porowatości włosów na właściwości wytrzymałościowe” na kierunku inżynieria medyczna dyplomantka PK wskazała na szereg unikalnych właściwości włosów, dzięki którym można je wykorzystać jako ciekawy materiał dla wielu branż przemysłu i usług. Sama zbadała, jak stopień porowatości włosów wyznacza ich wytrzymałość na rozciąganie, sztywność oraz podatność na uszkodzenia. Wyniki jej badań mogą mieć znaczenie nie tylko dla kosmetologii, ale też inżynierii materiałów i innych branż, które chcą czerpać ze sprawdzonych rozwiązań natury.

– Włosy jako biomateriał wyróżniają się takimi cechami jak: nietoksyczność, elastyczność, brak drażniącego działania na skórę, hipoalergiczność czy wysoka wytrzymałość na rozciąganie. Te właściwości ukazują potencjał włosów jako materiału do wykorzystania w branżach tekstylnych, inżynierii biomateriałowej, w materiałach budulcowych, a także w sektorze biokompozytów – mówi inż. Amelia Łach.

Co kryje się pod łuską? Budowa włosa a jego wytrzymałość

Aby zrozumieć, co wpływa na siłę włosa, studentka PK opisała jego hierarchiczną strukturę. Kluczowa jest tu osłonka, czyli zewnętrzna warstwa złożona z łusek, nachodzących na siebie niczym dachówki. To właśnie stopień ich przylegania do trzonu decyduje o porowatości włosów. – Odchylenie łusek od trzonu włosa decyduje o jego właściwościach absorpcyjnych wody, barwników i innych substancji – wyjaśnia dyplomantka.

Pod tym względem wyróżnia się trzy typy porowatości włosów: niskoporowate (łuski ściśle przylegają, włosy są gładkie, lśniące, ale odporne na wilgoć i stylizację), średnioporowate (łuski są lekko uniesione, włosy łatwiej chłoną wodę i lepiej poddają się stylizacji) i wysokoporowate (łuski mocno odstają, włosy są bardzo chłonne, podatne na puszenie i uszkodzenia).

W ramach części praktycznej swojej pracy inż. Łach przebadała 28 próbek pojedynczych włosów pochodzących od siedmiu osób (pięciu kobiet i dwóch mężczyzn w wieku 17-26 lat). Włosy różniły się stopniem porowatości, a dodatkowo dwie z próbek poddano zabiegowi rozjaśniania, jedną również nietrwałej modyfikacji kształtu.

Badania przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Shimadzu AGX-V w Katedrze Mechaniki Stosowanej i Biomechaniki Politechniki Krakowskiej. Włosy o długości początkowej 80 mm rozciągano z prędkością 10 mm/min aż do zerwania. Przed i po próbie rejestrowano ich średnicę za pomocą mikroskopu stereoskopowego, analizując zmiany strukturalne. – To prosta i skuteczna metoda badań, która była możliwa dzięki zastosowaniu sprzętu badawczego Politechniki Krakowskiej – podkreśla Amelia Łach.

Porowatość ma znaczenie

Wyniki badań pokazały, że porowatość włosów ma kluczowy wpływ na ich właściwości mechaniczne. Okazało się, że im wyższa porowatość, tym niższa wytrzymałość na rozciąganie. Włosy wysokoporowate – zarówno u mężczyzn, jak i u kobiet – osiągały niższe wartości maksymalnego naprężenia niż ich niskoporowate odpowiedniki. – To dowód na to, że luźniejsza struktura łusek osłabia mechaniczną odporność włókna – mówi autorka pracy inżynierskiej.

Z badań Amelii Łach wynika również, że najwyższe wartości wytrzymałości na rozciąganie (średnio ok. 605 MPa) oraz siły maksymalnej (ponad 1 N) uzyskano dla włosów niskoporowatych mężczyzny. Dla porównania, najniższe wartości zanotowano dla włosów niskoporowatych poddanych rozjaśnianiu u kobiet (średnio ok. 275 MPa). Z kolei zabiegi chemiczne, zwłaszcza rozjaśnianie, znacząco obniżają parametry mechaniczne włosów. W przypadku włosów niskoporowatych żeńskich, które poddano rozjaśnianiu, wytrzymałość na rozciąganie spadła z 390 MPa (włosy naturalne) do 275 MPa.

– Koloryzacja włosów, w szczególności rozjaśnianie, spowodowała obniżenie wartości wytrzymałości na rozciąganie włosów oraz wartości maksymalnej siły rozciągającej. W wyniku ingerencji w wewnętrzną strukturę włosa wystąpiło obniżenie sztywności włosów – konkluduje autorka.

Badania inż. Łach przyniosły wartości przewyższające te podawane w literaturze. Moduł Younga (parametr materiałowy określający sztywność danego ciała) dla badanych próbek wyniósł od ok. 5,7 GPa (włosy średnioporowate kobiety) do nawet 12 GPa (włosy wysokoporowate mężczyzny), podczas gdy literatura często wskazuje zakres 2-4 GPa. – Spowodowane jest to prawdopodobnie naturalną niejednorodnością strukturalną włosów, metodami przechowywania próbek oraz wrażliwością włosów na wilgotność czy prędkością obciążenia – komentuje inż. Amelia Łach.

– Uzyskane wyniki wskazują, że zarówno porowatość, jak i modyfikacje chemiczne istotnie wpływają na odpowiedź mechaniczną włókien włosów. Wyniki takich prac inżynierskich mogą znaleźć zastosowanie w dziedzinie trychologii i kosmetologii, m.in. w zakresie lepszego dopasowania pielęgnacji do porowatości włosów oraz projektowania kosmetyków pielęgnacyjnych, ale też np. w inżynierii materiałowej – przy projektowaniu biokompozytów wzmacnianych włóknami keratynowymi – dodaje promotorka pracy dr inż. Sylwia Łagan.

Włosy – ciekawy potencjał dla inżynierii

Pierwsze innowacyjne zastosowania odpadowych włosów już się w świecie pojawiają: keratyna pozyskiwana z włosów wykorzystywana jest m.in. do regeneracji szkliwa zębów, z włosów tka się maty do pochłaniania  zanieczyszczeń z wody albo szyje swetry wykonane w całości z włókien keratynowych pozyskanych z odpadów fryzjerskich,

Ludzkie włosy mogą też pełnić funkcję mikrozbrojenia w kompozytach polimerowych czy betonie. – Wykazano już i opisano w literaturze, że dodatek włosów ludzkich do betonu poprawia jego wytrzymałość na ściskanie i zginanie. Najlepsze rezultaty osiągnięto przy 5% dodatku włosów, a materiał przez cały okres badań przewyższał właściwości betonu tradycyjnego. Włosy działają tu jako naturalne mikrozbrojenie, zwiększając odporność na pękanie – mówi Amelia Łach.

W tym duchu studentka zamierza kontynuować swoje badania w ramach pracy magisterskiej. Interesuje ją potencjał jaki drzemie w innowacyjnych zbrojeniach. – Pomysłem na kontynuację mojej pracy inżynierskiej jest wykorzystanie włosów jako zbrojenia kompozytu na osnowie żywicy epoksydowej. W ramach pracy magisterskiej chciałabym wykonać próbki o różnej zawartości włosów, a następnie poddać je badaniom wytrzymałościowym, aby ocenić wpływ tego naturalnego włókna na właściwości mechaniczne kompozytu, takie jak wytrzymałość, sztywność oraz mechanizm zniszczenia materiału – mówi. Amelia liczy na to, że takie zbrojenia mogą znaleźć zastosowanie jako budulec prostych konstrukcji takich jak np. rusztowania.

Praca Amelii Łach to ciekawy przykład na to, że studia na kierunku inżynieria medyczna na Politechnice Krakowskiej to nie tylko projektowanie implantów czy urządzeń diagnostycznych. Mogą służyć także badaniu inżynierskich zastosowań dla nieoczywistych zastosowań materiałów, które podsuwa natura.

Aut. Jakub Paduch