Полидофамин окрасил волосы в темно-коричневый цвет

Химики предложили новый способ окраски волос, основанный на полимеризации дофамина в щелочной среде. Такой метод позволяет перманентно окрасить любые волосы в темно-коричневый цвет без использования солей тяжелых металлов и окислителей в своем составе. Более того, этот не изменяет структуру волос и их механические свойства. Статья опубликована в журнале ACS Central Science.

Волосы в основном состоят из кератинов — белков нитевидной формы — и пигмента меланина, распространенного между волокнами белка. Разные цвета волос возникают за счет концентрации и распределения двух типов меланиновых пигментов: черные и коричневые эумеланины и более редкие красные феомеланины, ответственные за возникновение рыжего цвета волос и розовой окраски губ, сосков и половых органов. При окислении или вымывании меланина из волос возникает серый или белый цвет волос. Поседение волос связано со старением, хотя на регуляцию концентрации меланина в волосах влияет много факторов: метаболизм, частота смены волос, распределение меланина в организме, пол, использование специальных лекарств или генетические отклонения. В среднем у половины людей к 50 годам половина волос становятся седыми.

В организме человека биосинтез меланина — гетерогенного и полидисперсного полимера, состоящего из производных пирокатехина — начинается с ферментного окисления L-тирозина в дофамин в клеточных органеллах меланосомах, который затем подвергается окислительной полимеризации. Процесс заканчивается перемещением темных меланиновых гранул в эпидермис и волосы. На сегодняшний день полидофамин считается синтетическим заменителем эумеланина.

Первые примеры натуральных красителей для волос известны еще со времен древнего Египта. Пигменты лавсонии неколючей (Lawsonia inermis), или хны, и кайал (смесь сажи с сульфидом сурьмы) древние египтяне наносили на волосы, чтобы сделать их темными или усилить цвет. Первую искусственную краску для волос длительного пользования синтезировал в начале 20 века основатель L’Oreal Эжен Шуэллер, в ее состав входили соли меди, пирогаллол и сульфит натрия. С тех пор индустрия красок для волос развилась настолько широко, что более половины жителей развитых стран хоть раз красили свои волосы. Несмотря на потенциальную канцерогенность некоторых распространенных компонентов краски, частое развитие аллергии у клиентов и колористов, а также повреждение волос, в современном обществе все еще расширяется рынок красителей на их основе.

С развитием нанотехнологии появился новый подход к разработке краски для волос. Еще античные методы окраски работали за счет наночастиц галенита, который получался из-за реакции между оксидом свинца и аминокислотами кератина. Использование наночастиц золота неэффективно из-за необходимости держать их на волосах 16 дней, а использование материалов на основе графена хоть и предоставляет преимущества в антистатических свойствах и рассеянии тепла, но позволяет получить только черный цвет волос и сравнительно дорого. 

Ученые разрабатывают подходы к восстановлению содержания меланина в структуре волос, но окраску волос наночастицами меланинового пигмента предложили недавно. Существующие методы все еще используют сильные окислительные условия и большие концентрации железа и меди в качестве комплексообразователей, которые не могут быть допущены до широкого домашнего использования.

Клавдия Баттистелла (Claudia Battistella) и ее коллеги из Северо-западного Университета США предложили новый способ нанесения меланина без использования металлических комплексообразователей и сильных окислителей. Они получили не только черные или коричневые окраски волос, но и оранжевые и золотые оттенки. Различные цвета получались за счет разной температуры окраски. Метод позволил окрасить в черный светлые, рыжие, коричневые и серые натуральные волосы, а также уже крашенные в яркий фиолетовый цвет. Преимущество такой окраски волос в отсутствии ионов металлов и перекиси водорода, которую добавляют в перманентные краски.

Ученые решили использовать самопроизвольную окислительную полимеризацию с кислородом из воздуха при щелочной среде, что сделало метод мягким, простым и дешевым для использования. Раствор дофамина с концентрацией в пять миллиграмм на миллилитр наносили на волосы, а затем pH раствора повышали широко используемыми основаниями, в частности трехпроцентным раствором аммиака.

Чтобы проверить воспроизводимость этого метода, химики провели окраску светлых волос от двух поставщиков натуральных волос. Они повышали pH тремя способами: трехпроцентным раствором аммиака, 0,05-молярным раствором гидроксида натрия и трисовым буфером с pH 8,5. Однако после двух часов выдерживания волосы во всех случаях слабо и неоднородно потемнели. Для ускорения реакции повысили температуру нанесения. Для качественного черного цвета волос достаточно было температуры чуть выше физиологической температуры организма — 37-40 градусов Цельсия. Повышение концентрации аммиака до шести процентов позволило достичь более темных волос, неотличимых от тех, которые окрасили коммерческим красителем, или натуральных коричневых волос.

Для получения более светлых оттенков авторы статьи добавили в систему перекись водорода. В концентрациях до трех процентов (в большинстве протоколов окраски используется шестипроцентная перекись водорода) она смогла сдвинуть классический темно-коричневый или черный эумеланиновый цвет к более светлым и теплым оттенкам.

После подбора составов для получения желаемого цвета волос ученые провели серию экспериментов по устойчивости такого покрытия к смывке водой с шампунем. В течение пяти недель каждые два дня они промывали волосы, окрашенные шестипроцентным раствором аммиака при 37-40 градусах Цельсия: 5 раз в чистой воде и 18 раз с десятипроцентным раствором шампуня. По определению полуперманентные краски удерживаются на волосах в течение четырех недель, а перманентные краски в течение шести недель. Волосы не изменили свою окраску за пять недель смывания, а потому новая краска может считаться перманентной.

Хотя окраска распространенными перманентными красителями ведет к длительному удержанию желаемого цвета, жесткие условия и проникновение маленьких молекул красителя в кортекс волоса делают эти методы инвазивными. Чтобы проверить невредимость волос после использования нового метода окраски, ученые провели анализ их поверхности. С помощью ИК-спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения с Фурье-преобразованием они установили, что химический состав поверхности волоса практически не изменился, лишь сместились пики двух амидных связей за счет перекрывания с полидофаминовыми связями, что подтверждает наличие полидофамина на поверхности волоса.

В сканирующем электронном микроскопе на поверхности окрашенного волоса ученые обнаружили наночастицы полидофамина. Также они проверили нанесение полидофамина при жестких условиях в присутствии перекиси и сульфата меди. На поверхности получилась пленка полидофамина, а не отдельные наночастицы. А с помощью просвечивающего электронного микроскопа авторы работы не обнаружили на срезе волоса глубокого проникновения красителя к его центру. Это позволило ученым доказать, что новый метод позволяет окрашивать волосы на длительное время без изменения их внутренней структуры и механических свойств.

Ученые проверили новый способ окрашивания на волосах разных цветов: натуральных рыжих, коричневых, серых и крашеных фиолетовых волосах. Для каждого вида была проведена полимеризация дофамина при 37-40 градусах Цельсия и трехпроцентной концентрации аммиака — все волосы успешно окрасились в темно-коричневый цвет.

Волосы стали неотъемлемой частью образа. Два года назад мы рассказывали про нетоксичную устойчивую сине-фиолетовую краску для волос, полученную из черной смородины. А год назад генетики провели исследование, в котором искали зависимость привлекательности от генов. Девушки называли привлекательными мужчин с рыжими волосами на порядок чаще, чем обладателей темных и светлых волос.

Артем Моськин