改性透明质酸在黑色素染发中的应用

2022-11-26东为富

功能高分子学报 2022年6期

郑宸，黄晶，李婷，东为富

（江南大学化学与材料工程学院, 合成与生物胶体教育部重点实验室, 江苏无锡 214122）

当今社会，大多数人从30岁开始就会长出白发[1]，因此人们对于遮龄的需求也不断增加，对于染发剂的需求也快速增长。然而，染发剂中的苯胺类物质（如对苯二胺（PPD））及其衍生物的潜在致癌性和致敏性却给人们健康带来威胁[2]。由多巴胺（DA）氧化聚合产生的聚多巴胺（PDA）其分子结构与人类头发中最暗的色素真黑色素高度相似[3]，是一种很有前途的低毒仿黑素染发剂，因而引起了研究者们的广泛关注。然而，由于头发表面有一层长链烷烃组成的疏水层[4]，导致亲水的DA与头发表面作用力较弱、聚合速率缓慢、着色程度不足，极大地限制了DA的着色功效。在这方面，金属离子[4,5]、强氧化剂[6]、碱[7]或酶[8]已被用于促进PDA在头发表面的聚合和沉积，并因此提高了PDA的着色效率。

透明质酸（HA）又称玻尿酸，是一种天然存在的多糖，具有良好的生物相容性[9,10]和可降解性[11,12]，是眼睛玻璃体或关节滑液的主要成分，并已用于眼科内脏和关节软骨手术[13,14]。此外，作为细胞外基质（ECM）的基本成分，HA 已被广泛用于皮肤填充剂和细胞疗法再生药物的开发[15,16]。20世纪80年代以来，HA以其保湿性、抗菌性、生物相容性等特殊性能受到了国际化妆品界的广泛关注，并且在皮肤用化妆品中的研究成果中已有广泛报道。由于HA可以渗透到头发内部并且与头发之间的作用力较强[17]，将HA应用于头发化妆品是近年来研究的热点，国内外对于HA 在头发化妆品中申请专利的应用方向包括：保湿护发（占62%）、成膜调理（占24%）、抗菌消炎（占12%）和防脱生发（占2%）[18]。但是，将其应用于染发的研究尚鲜有报道。

已有文献[19-21]报道通过碳二亚胺偶联化学合成DA结合HA，然而这种方法通常会导致DA的接枝率较低（约10%）。本文将DA接枝到双醛修饰的HA（AHA）分子链上，在该反应中，通过磷酸盐缓冲液（PBS）调节体系pH，当pH=5.0时，两种反应物之间形成席夫碱结构，使得DA接枝率相对较高，避免了碳二亚胺偶联反应在较低pH下DA接枝率较低以及在较高pH下DA的基团氧化[22]。利用DA功能化AHA（DAHA）增强PDA与头发的相互作用，使其辅助PDA染色的同时具备护发功能，从而获得出色的护发护色效果。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

十二烷基硫酸钠（SDS）：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；DA、高碘酸钠（NaIO4）、乙二醇：化学纯，阿拉丁生化科技有限公司；头发样品：中国人自然白发，上海灿宇贸易有限公司；HA：Mn=2.0×103～2.0×106，华熙生物有限公司；商业洗发水：海飞丝洗发水，宝洁公司；商业染发剂：苯胺类氧化型染发剂，江苏新宇生物科技有限公司；去离子水为实验室自制。

1.2 测试与表征

场发射扫描电子显微镜（SEM）：日本日立株式会社S-4 800型，将制备的头发样品固定于电镜台导电胶上，并喷金处理进行测试；核磁共振氢谱（1H-NMR）：瑞士布鲁克公司AVANCE Ⅲ HD 400 MHz型，将8 mg DAHA样品溶解于氘代水中，接着放置在核磁管中进行测试；双光束紫外-可见分光光度计（UV-Vis）：北京普析通用仪器有限责任公司TU-1950型，将样品溶解于去离子水中，使其质量分数为0.02%，并进行光谱扫描。

单纤维强度测试仪：中国上海旭赛仪器有限公司XS（08）XT-3型，标距长度和延伸率分别为30 mm和20 mm/min。

高清显微镜：中国深圳桑农科技有限公司SN-1 200 W型，每次测试前对头发样本的直径进行测量和记录，所有样品测试前在25 ℃、50%相对湿度的恒温恒湿室中放置12 h，达到头发与室内湿度的相对平衡，测试过程须在恒温恒湿环境中进行，每种样品测试30个样本取平均值。

色差仪：中国深圳3 NH科技有限公司NR60 CP型，使用实验室模型分析颜色。对于每个样本随机选取5个不同位置，测量包括L、a、b在内的颜色坐标值5次。（L代表[0,100]范围内的亮度值，表示颜色从纯黑色变为纯白色；a表示从红色（正值）到绿色（负值）的色度，其值范围为[127,-128]；b代表从红色（正值）到绿色（负值）的色度，其值范围为[127,-128]）。色差（ΔE）由以下公式确定：

其中，L、a、b是取自原始灰色头发的值，L*、a*、b*是染色头发的值。测量每个样品的5个位置，并给出ΔE平均值。

1.3 实验步骤

1.3.1 AHA的合成将1.0 g HA和0.5 g NaIO4溶解在100 mL PBS（pH=5.0）中，并在室温黑暗条件下搅拌5 h。向反应溶液中加入1 mL乙二醇以中和过量的NaIO4。1 h后，将反应混合物用去离子水透析2 d并冷冻干燥，所得产物即为AHA。

1.3.2 DAHA的合成将1.0 g AHA溶解在100 mL PBS中，然后添加1.0 g DA。在25 ℃下搅拌10 h后，将反应溶液用去离子水透析2 d并冷冻干燥，获得DAHA，其合成示意图如图1所示。当HA数均分子量分别为0.2×104～1.0×104（HA1）、2×105～4×105（HA2）、8×105～12×105（HA3）和15×105～20×105（HA4）时，所制备的DAHA分别标记为的DAHA1、DAHA2、DAHA3和DAHA4。后续的表征选用HA1及其中间产物和合成产物DAHA1进行。

图 1 DAHA的合成Fig. 1 Synthesis of DAHA

图 2 样品的(a)红外光谱图与(b)紫外-可见分光光谱图Fig. 2 (a) FT-IR spectra and (b) UV-Vis spectra of samples

1.3.3 染发过程首先用w=5%的SDS水溶液清洗头发样品3次，用去离子水冲洗后浸于37～40 ℃ 、5 mg/mL的DAHA水溶液中预处理90 min，然后将头发样品用去离子水冲洗，浸于37～40 ℃ 的DA-NaIO4混合溶液（5 mg/mL DA，5 mg/mL NaIO4，pH=4～5）中90 min。最后，用水清洗头发样品并在空气中干燥。经过DAHA预处理并染色的样品命名为PDA-DAHA。作为对照，将未经过DAHA预处理的样品命名为Control1，将未经过DA染色的样品命名为Control2。

1.3.4 耐洗涤实验将PDA染色的头发样本完全浸泡在40 mL洗发水溶液（w=5%）中，并封装在50 mL离心管中。用涡流混合器震荡试管30 s后，用自来水冲洗头发样品，并用吹风机吹干。每个样本总共进行30次洗涤。

2 结果与讨论

2.1 DAHA的表征

HA、AHA和DAHA的红外光谱图如图2 （a）所示。与HA相比，DAHA在1 531、1 285 cm-1处显示出典型的特征峰，分别归属于C=N拉伸振动[23]和C-N拉伸振动[24]，表明AHA中的醛基和DA中的-NH2通过席夫碱反应，成功将DA接枝到HA分子链上。

HA、AHA和DAHA的紫外-可见吸收光谱如图2（b）所示。281 nm处的吸收峰归因于DAHA中邻苯二酚基团的存在[25]，而HA和AHA在280 nm附近没有出现特征峰。因此，可以证实DA成功接枝到HA分子链上。

样品的1H-NMR谱图如图3所示。通过1H-NMR证实了DA与HA的结合，在化学位移约7处出现DA芳香质子峰，而DA亚甲基质子峰分别出现在3.1和2.8处。DAHA中DA的接枝率（DS）由DAHA的1H-NMR谱根据公式DS=3×A2.8/（2×A1.9）计算可得（其中A2.8和A1.9分别是化学位移2.8（DA的亚甲基）和1.9（HA的甲基）处的峰面积积分）。通过计算，DA的接枝率约为34%。

图 3 样品的1H-NMR图谱Fig. 3 1H-NMR spectra of samples

2.2 染发性能

图4显示了染色头发清洗前后样品的照片和ΔE值。总的来说，所有样品都显示出良好的色牢度。随着洗涤次数的增加，未经DAHA预处理的原位沉积样品的ΔE值明显下降，而经过预处理后样品的ΔE值在误差范围内几乎没有变化。这表明采用DAHA预处理的PDA涂层因其与头发间的作用力强，耐洗性更好。值得注意的是，随着DAHA数均分子量的增加，染色样品的ΔE也出现了轻微上升。

图 4 经过多次洗涤后的头发样品的(a)照片和(b)色差值Fig. 4 (a) Photos and (b) color difference value of hair samples after repeated washing

头发样品的抗拉强度实验结果如图5所示。可以看出，经过DAHA预处理，头发抗拉强度提高了约7.4%，表明接枝DA后，DAHA仍具有HA的修复受损发丝、提升头发韧性、减少断发等功效。而经过原位沉积后，原始灰发的断裂强度也提高了约10.2%，这可能是由于DA聚合过程中的氧化剂引起了头发内部的微交联造成的，而PDA本身的强黏附作用也可能导致其断裂强度上升。经过DAHA预处理和DA原位沉积的样品，其抗拉强度进一步提高了约12.8%，表明DAHA增强头发断裂强度的原理与DA聚合有所不同。HA可以渗透到头发内部，从而增强整束头发的断裂强度。

图 5 样品的断裂强度Fig. 5 Breaking strength of samples

2.3 微观结构表征

采用SEM观察染发后头发表面形貌，如图6所示，染色后头发表面被PDA覆盖，这与之前报告的结果[26]一致。但与直接用PDA染色的样品相比，DAHA预处理染色的样品表面更粗糙，表明头发表面沉积了更多的PDA，证明了预处理后PDA更容易沉积。更重要的是，PDA纳米颗粒均匀分布在DAHA预接枝样品的整个头发表面，而当DA原位沉积时，它们更倾向于聚集在毛鳞片边缘周围。PDA纳米颗粒分布更均匀是由于DA接枝到HA上后，经过对头发的预处理，部分儿茶酚基团被引入到头发表面，从而参与PDA的原位聚合[26]。