改性透明質(zhì)酸在黑色素染發(fā)中的應(yīng)用

鄭 宸， 黃 晶， 李 婷， 東為富

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院, 合成與生物膠體教育部重點(diǎn)實驗室, 江蘇 無錫 214122）

當(dāng)今社會，大多數(shù)人從30歲開始就會長出白發(fā)[1]，因此人們對于遮齡的需求也不斷增加，對于染發(fā)劑的需求也快速增長。然而，染發(fā)劑中的苯胺類物質(zhì)（如對苯二胺（PPD））及其衍生物的潛在致癌性和致敏性卻給人們健康帶來威脅[2]。由多巴胺（DA）氧化聚合產(chǎn)生的聚多巴胺（PDA）其分子結(jié)構(gòu)與人類頭發(fā)中最暗的色素真黑色素高度相似[3]，是一種很有前途的低毒仿黑素染發(fā)劑，因而引起了研究者們的廣泛關(guān)注。然而，由于頭發(fā)表面有一層長鏈烷烴組成的疏水層[4]，導(dǎo)致親水的DA與頭發(fā)表面作用力較弱、聚合速率緩慢、著色程度不足，極大地限制了DA的著色功效。在這方面，金屬離子[4,5]、強(qiáng)氧化劑[6]、堿[7]或酶[8]已被用于促進(jìn)PDA在頭發(fā)表面的聚合和沉積，并因此提高了PDA的著色效率。

透明質(zhì)酸（HA）又稱玻尿酸，是一種天然存在的多糖，具有良好的生物相容性[9,10]和可降解性[11,12]，是眼睛玻璃體或關(guān)節(jié)滑液的主要成分，并已用于眼科內(nèi)臟和關(guān)節(jié)軟骨手術(shù)[13,14]。此外，作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的基本成分，HA 已被廣泛用于皮膚填充劑和細(xì)胞療法再生藥物的開發(fā)[15,16]。20世紀(jì)80年代以來，HA以其保濕性、抗菌性、生物相容性等特殊性能受到了國際化妝品界的廣泛關(guān)注，并且在皮膚用化妝品中的研究成果中已有廣泛報道。由于HA可以滲透到頭發(fā)內(nèi)部并且與頭發(fā)之間的作用力較強(qiáng)[17]，將HA應(yīng)用于頭發(fā)化妝品是近年來研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外對于HA 在頭發(fā)化妝品中申請專利的應(yīng)用方向包括：保濕護(hù)發(fā)（占62%）、成膜調(diào)理（占24%）、抗菌消炎（占12%）和防脫生發(fā)（占2%）[18]。但是，將其應(yīng)用于染發(fā)的研究尚鮮有報道。

已有文獻(xiàn)[19-21]報道通過碳二亞胺偶聯(lián)化學(xué)合成DA結(jié)合HA，然而這種方法通常會導(dǎo)致DA的接枝率較低（約10%）。本文將DA接枝到雙醛修飾的HA（AHA）分子鏈上，在該反應(yīng)中，通過磷酸鹽緩沖液（PBS）調(diào)節(jié)體系pH，當(dāng)pH=5.0時，兩種反應(yīng)物之間形成席夫堿結(jié)構(gòu)，使得DA接枝率相對較高，避免了碳二亞胺偶聯(lián)反應(yīng)在較低pH下DA接枝率較低以及在較高pH下DA的基團(tuán)氧化[22]。利用DA功能化AHA（DAHA）增強(qiáng)PDA與頭發(fā)的相互作用，使其輔助PDA染色的同時具備護(hù)發(fā)功能，從而獲得出色的護(hù)發(fā)護(hù)色效果。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

十二烷基硫酸鈉（SDS）：化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；DA、高碘酸鈉（NaIO4）、乙二醇：化學(xué)純，阿拉丁生化科技有限公司；頭發(fā)樣品：中國人自然白發(fā)，上海燦宇貿(mào)易有限公司；HA：Mn=2.0×103～2.0×106，華熙生物有限公司；商業(yè)洗發(fā)水：海飛絲洗發(fā)水，寶潔公司；商業(yè)染發(fā)劑：苯胺類氧化型染發(fā)劑，江蘇新宇生物科技有限公司；去離子水為實驗室自制。

1.2 測試與表征

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）：日本日立株式會社S-4 800型，將制備的頭發(fā)樣品固定于電鏡臺導(dǎo)電膠上，并噴金處理進(jìn)行測試；核磁共振氫譜（1H-NMR）：瑞士布魯克公司AVANCE Ⅲ HD 400 MHz型，將8 mg DAHA樣品溶解于氘代水中，接著放置在核磁管中進(jìn)行測試；雙光束紫外-可見分光光度計（UV-Vis）：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司TU-1950型，將樣品溶解于去離子水中，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%，并進(jìn)行光譜掃描。

單纖維強(qiáng)度測試儀：中國上海旭賽儀器有限公司XS（08）XT-3型，標(biāo)距長度和延伸率分別為30 mm和20 mm/min。

高清顯微鏡：中國深圳桑農(nóng)科技有限公司SN-1 200 W型，每次測試前對頭發(fā)樣本的直徑進(jìn)行測量和記錄，所有樣品測試前在25 ℃、50%相對濕度的恒溫恒濕室中放置12 h，達(dá)到頭發(fā)與室內(nèi)濕度的相對平衡，測試過程須在恒溫恒濕環(huán)境中進(jìn)行，每種樣品測試30個樣本取平均值。

色差儀：中國深圳3 NH科技有限公司NR60 CP型，使用實驗室模型分析顏色。對于每個樣本隨機(jī)選取5個不同位置，測量包括L、a、b在內(nèi)的顏色坐標(biāo)值5次。（L代表[0,100]范圍內(nèi)的亮度值，表示顏色從純黑色變?yōu)榧儼咨?；a表示從紅色（正值）到綠色（負(fù)值）的色度，其值范圍為[127,-128]；b代表從紅色（正值）到綠色（負(fù)值）的色度，其值范圍為[127,-128]）。色差（ΔE）由以下公式確定：

其中，L、a、b是取自原始灰色頭發(fā)的值，L*、a*、b*是染色頭發(fā)的值。測量每個樣品的5個位置，并給出ΔE平均值。

1.3 實驗步驟

1.3.1 AHA的合成 將1.0 g HA和0.5 g NaIO4溶解在100 mL PBS（pH=5.0）中，并在室溫黑暗條件下攪拌5 h。向反應(yīng)溶液中加入1 mL乙二醇以中和過量的NaIO4。1 h后，將反應(yīng)混合物用去離子水透析2 d并冷凍干燥，所得產(chǎn)物即為AHA。

1.3.2 DAHA的合成 將1.0 g AHA溶解在100 mL PBS中，然后添加1.0 g DA。在25 ℃下攪拌10 h后，將反應(yīng)溶液用去離子水透析2 d并冷凍干燥，獲得DAHA，其合成示意圖如圖1所示。當(dāng)HA數(shù)均分子量分別為0.2×104～1.0×104（HA1）、2×105～4×105（HA2）、8×105～12×105（HA3）和15×105～20×105（HA4）時，所制備的DAHA分別標(biāo)記為的DAHA1、DAHA2、DAHA3和DAHA4。后續(xù)的表征選用HA1及其中間產(chǎn)物和合成產(chǎn)物DAHA1進(jìn)行。

圖 1 DAHA的合成Fig. 1 Synthesis of DAHA

圖 2 樣品的(a)紅外光譜圖與(b)紫外-可見分光光譜圖Fig. 2 (a) FT-IR spectra and (b) UV-Vis spectra of samples

1.3.3 染發(fā)過程 首先用w=5%的SDS水溶液清洗頭發(fā)樣品3次，用去離子水沖洗后浸于37～40 ℃ 、5 mg/mL的DAHA水溶液中預(yù)處理90 min，然后將頭發(fā)樣品用去離子水沖洗，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，用水清洗頭發(fā)樣品并在空氣中干燥。經(jīng)過DAHA預(yù)處理并染色的樣品命名為PDA-DAHA。作為對照，將未經(jīng)過DAHA預(yù)處理的樣品命名為Control1，將未經(jīng)過DA染色的樣品命名為Control2。

1.3.4 耐洗滌實驗 將PDA染色的頭發(fā)樣本完全浸泡在40 mL洗發(fā)水溶液（w=5%）中，并封裝在50 mL離心管中。用渦流混合器震蕩試管30 s后，用自來水沖洗頭發(fā)樣品，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。每個樣本總共進(jìn)行30次洗滌。

2 結(jié)果與討論

2.1 DAHA的表征

HA、AHA和DAHA的紅外光譜圖如圖2 （a）所示。與HA相比，DAHA在1 531、1 285 cm-1處顯示出典型的特征峰，分別歸屬于C=N拉伸振動[23]和C-N拉伸振動[24]，表明AHA中的醛基和DA中的-NH2通過席夫堿反應(yīng)，成功將DA接枝到HA分子鏈上。

HA、AHA和DAHA的紫外-可見吸收光譜如圖2（b）所示。281 nm處的吸收峰歸因于DAHA中鄰苯二酚基團(tuán)的存在[25]，而HA和AHA在280 nm附近沒有出現(xiàn)特征峰。因此，可以證實DA成功接枝到HA分子鏈上。

樣品的1H-NMR譜圖如圖3所示。通過1H-NMR證實了DA與HA的結(jié)合，在化學(xué)位移約7處出現(xiàn)DA芳香質(zhì)子峰，而DA亞甲基質(zhì)子峰分別出現(xiàn)在3.1和2.8處。DAHA中DA的接枝率（DS）由DAHA的1H-NMR譜根據(jù)公式DS=3×A2.8/（2×A1.9）計算可得（其中A2.8和A1.9分別是化學(xué)位移2.8（DA的亞甲基）和1.9（HA的甲基）處的峰面積積分）。通過計算，DA的接枝率約為34%。

圖 3 樣品的1H-NMR圖譜Fig. 3 1H-NMR spectra of samples

2.2 染發(fā)性能

圖4顯示了染色頭發(fā)清洗前后樣品的照片和ΔE值。總的來說，所有樣品都顯示出良好的色牢度。隨著洗滌次數(shù)的增加，未經(jīng)DAHA預(yù)處理的原位沉積樣品的ΔE值明顯下降，而經(jīng)過預(yù)處理后樣品的ΔE值在誤差范圍內(nèi)幾乎沒有變化。這表明采用DAHA預(yù)處理的PDA涂層因其與頭發(fā)間的作用力強(qiáng)，耐洗性更好。值得注意的是，隨著DAHA數(shù)均分子量的增加，染色樣品的ΔE也出現(xiàn)了輕微上升。

圖 4 經(jīng)過多次洗滌后的頭發(fā)樣品的(a)照片和(b)色差值Fig. 4 (a) Photos and (b) color difference value of hair samples after repeated washing

頭發(fā)樣品的抗拉強(qiáng)度實驗結(jié)果如圖5所示。可以看出，經(jīng)過DAHA預(yù)處理，頭發(fā)抗拉強(qiáng)度提高了約7.4%，表明接枝DA后，DAHA仍具有HA的修復(fù)受損發(fā)絲、提升頭發(fā)韌性、減少斷發(fā)等功效。而經(jīng)過原位沉積后，原始灰發(fā)的斷裂強(qiáng)度也提高了約10.2%，這可能是由于DA聚合過程中的氧化劑引起了頭發(fā)內(nèi)部的微交聯(lián)造成的，而PDA本身的強(qiáng)黏附作用也可能導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)度上升。經(jīng)過DAHA預(yù)處理和DA原位沉積的樣品，其抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高了約12.8%，表明DAHA增強(qiáng)頭發(fā)斷裂強(qiáng)度的原理與DA聚合有所不同。HA可以滲透到頭發(fā)內(nèi)部，從而增強(qiáng)整束頭發(fā)的斷裂強(qiáng)度。

圖 5 樣品的斷裂強(qiáng)度Fig. 5 Breaking strength of samples

2.3 微觀結(jié)構(gòu)表征

采用SEM觀察染發(fā)后頭發(fā)表面形貌，如圖6所示，染色后頭發(fā)表面被PDA覆蓋，這與之前報告的結(jié)果[26]一致。但與直接用PDA染色的樣品相比，DAHA預(yù)處理染色的樣品表面更粗糙，表明頭發(fā)表面沉積了更多的PDA，證明了預(yù)處理后PDA更容易沉積。更重要的是，PDA納米顆粒均勻分布在DAHA預(yù)接枝樣品的整個頭發(fā)表面，而當(dāng)DA原位沉積時，它們更傾向于聚集在毛鱗片邊緣周圍。PDA納米顆粒分布更均勻是由于DA接枝到HA上后，經(jīng)過對頭發(fā)的預(yù)處理，部分兒茶酚基團(tuán)被引入到頭發(fā)表面，從而參與PDA的原位聚合[26]。

圖 6 頭發(fā)表面的SEM圖Fig. 6 SEM images of hair surface

3 結(jié) 論

（1）通過醛基化HA以及席夫堿反應(yīng)，成功將DA接枝到了HA上，制備出DAHA。DAHA同時具有對DA的親和性，以及HA對頭發(fā)的強(qiáng)氫鍵作用和護(hù)發(fā)效果。

（2）用DAHA預(yù)處理后再經(jīng)過PDA染色，可以使PDA分布得更加均勻，并且具有更高的色牢度。