改性透明質酸在黑色素染發中的應用

鄭 宸， 黃 晶， 李 婷， 東為富

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

當今社會，大多數人從30歲開始就會長出白發[1]，因此人們對于遮齡的需求也不斷增加，對于染發劑的需求也快速增長。然而，染發劑中的苯胺類物質（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）氧化聚合產生的聚多巴胺（PDA）其分子結構與人類頭發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劑，因而引起了研究者們的廣泛關注。然而，由于頭發表面有一層長鏈烷烴組成的疏水層[4]，導致親水的DA與頭發表面作用力較弱、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]、強氧化劑[6]、堿[7]或酶[8]已被用于促進PDA在頭發表面的聚合和沉積，并因此提高了PDA的著色效率。

透明質酸（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]，是眼睛玻璃體或關節滑液的主要成分，并已用于眼科內臟和關節軟骨手術[13,14]。此外，作為細胞外基質（ECM）的基本成分，HA 已被廣泛用于皮膚填充劑和細胞療法再生藥物的開發[15,16]。20世紀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可以滲透到頭發內部并且與頭發之間的作用力較強[17]，將HA應用于頭發化妝品是近年來研究的熱點，國內外對于HA 在頭發化妝品中申請專利的應用方向包括：保濕護發（占62%）、成膜調理（占24%）、抗菌消炎（占12%）和防脫生發（占2%）[18]。但是，將其應用于染發的研究尚鮮有報道。

已有文獻[19-21]報道通過碳二亞胺偶聯化學合成DA結合HA，然而這種方法通常會導致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，在該反應中，通過磷酸鹽緩沖液（PBS）調節體系pH，當pH=5.0時，兩種反應物之間形成席夫堿結構，使得DA接枝率相對較高，避免了碳二亞胺偶聯反應在較低pH下DA接枝率較低以及在較高pH下DA的基團氧化[22]。利用DA功能化AHA（DAHA）增強PDA與頭發的相互作用，使其輔助PDA染色的同時具備護發功能，從而獲得出色的護發護色效果。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

十二烷基硫酸鈉（SDS）：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；DA、高碘酸鈉（NaIO4）、乙二醇：化學純，阿拉丁生化科技有限公司；頭發樣品：中國人自然白發，上海燦宇貿易有限公司；HA：Mn=2.0×103～2.0×106，華熙生物有限公司；商業洗發水：海飛絲洗發水，寶潔公司；商業染發劑：苯胺類氧化型染發劑，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，將制備的頭發樣品固定于電鏡臺導電膠上，并噴金處理進行測試；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任公司TU-1950型，將樣品溶解于去離子水中，使其質量分數為0.02%，并進行光譜掃描。

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

高清顯微鏡：中國深圳桑農科技有限公司SN-1 200 W型，每次測試前對頭發樣本的直徑進行測量和記錄，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，達到頭發與室內濕度的相對平衡，測試過程須在恒溫恒濕環境中進行，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。對于每個樣本隨機選取5個不同位置，測量包括L、a、b在內的顏色坐標值5次。（L代表[0,100]范圍內的亮度值，表示顏色從純黑色變為純白色；a表示從紅色（正值）到綠色（負值）的色度，其值范圍為[127,-128]；b代表從紅色（正值）到綠色（負值）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的值，L*、a*、b*是染色頭發的值。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。向反應溶液中加入1 mL乙二醇以中和過量的NaIO4。1 h后，將反應混合物用去離子水透析2 d并冷凍干燥，所得產物即為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HA數均分子量分別為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分別標記為的DAHA1、DAHA2、DAHA3和DAHA4。后續的表征選用HA1及其中間產物和合成產物DAHA1進行。

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

1.3.4 耐洗滌實驗 將PDA染色的頭發樣本完全浸泡在40 mL洗發水溶液（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，用自來水沖洗頭發樣品，并用吹風機吹干。每個樣本總共進行30次洗滌。

2 結果與討論

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，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中鄰苯二酚基團的存在[25]，而HA和AHA在280 nm附近沒有出現特征峰。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的結合，在化學位移約7處出現DA芳香質子峰，而DA亞甲基質子峰分別出現在3.1和2.8處。DAHA中DA的接枝率（DS）由DAHA的1H-NMR譜根據公式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 染發性能

圖4顯示了染色頭發清洗前后樣品的照片和ΔE值?？偟膩碚f，所有樣品都顯示出良好的色牢度。隨著洗滌次數的增加，未經DAHA預處理的原位沉積樣品的ΔE值明顯下降，而經過預處理后樣品的ΔE值在誤差范圍內幾乎沒有變化。這表明采用DAHA預處理的PDA涂層因其與頭發間的作用力強，耐洗性更好。值得注意的是，隨著DAHA數均分子量的增加，染色樣品的ΔE也出現了輕微上升。

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

頭發樣品的抗拉強度實驗結果如圖5所示?？梢钥闯?，經過DAHA預處理，頭發抗拉強度提高了約7.4%，表明接枝DA后，DAHA仍具有HA的修復受損發絲、提升頭發韌性、減少斷發等功效。而經過原位沉積后，原始灰發的斷裂強度也提高了約10.2%，這可能是由于DA聚合過程中的氧化劑引起了頭發內部的微交聯造成的，而PDA本身的強黏附作用也可能導致其斷裂強度上升。經過DAHA預處理和DA原位沉積的樣品，其抗拉強度進一步提高了約12.8%，表明DAHA增強頭發斷裂強度的原理與DA聚合有所不同。HA可以滲透到頭發內部，從而增強整束頭發的斷裂強度。

圖 5 樣品的斷裂強度Fig. 5 Breaking strength of samples

2.3 微觀結構表征

采用SEM觀察染發后頭發表面形貌，如圖6所示，染色后頭發表面被PDA覆蓋，這與之前報告的結果[26]一致。但與直接用PDA染色的樣品相比，DAHA預處理染色的樣品表面更粗糙，表明頭發表面沉積了更多的PDA，證明了預處理后PDA更容易沉積。更重要的是，PDA納米顆粒均勻分布在DAHA預接枝樣品的整個頭發表面，而當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，經過對頭發的預處理，部分兒茶酚基團被引入到頭發表面，從而參與PDA的原位聚合[26]。

圖 6 頭發表面的SEM圖Fig. 6 SEM images of hair surface

3 結 論

（1）通過醛基化HA以及席夫堿反應，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對頭發的強氫鍵作用和護發效果。

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