基于预接枝胱氨酸的永久性低毒性合成黑色素染发剂研究

主要作者与发表信息

本研究的通讯作者为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的黄晶（Jing Huang）和东为富（Weifu Dong），第一作者为郑晨（Chen Zheng），其他作者包括李婷（Ting Li）、王洋（Yang Wang）、蒋杰（Jie Jiang）、张旭辉（Xuhui Zhang）、黄林（Lin Huang）和夏碧华（Bihua Xia）。该研究于2022年6月16日在线发表于美国化学会旗下的学术期刊《ACS Biomaterials Science & Engineering》。

学术背景

大多数人从35岁左右开始，由于黑色素（melanin）色素的逐渐流失而出现白发。随着人们对改善外貌和掩盖年龄需求的不断增长，永久性染发剂的市场需求也在快速增加。自大约150年前被发现以来，含有对苯二胺（p-Phenylenediamine, PPD）等二胺类小分子的化学氧化型染发剂一直是最常用的染发产品。然而，人们越来越担忧PPD及其衍生物潜在的致癌性和致敏性。此外，这些化合物渗入发丝的过程也会对头发和头皮造成损伤。因此，寻找更安全的PPD基永久性染发剂替代品成为该领域的研究热点。

聚多巴胺（Polydopamine, PDA）由天然存在的多巴胺（Dopamine, DA）通过氧化聚合反应生成。由于其分子结构与人发中最深色的真黑素（eumelanin）高度类似，PDA被报道为一种极具前景的低毒性仿黑色素染发剂。与小分子染发剂不同，PDA不渗透头发和皮肤，而是沉积在头发表面，这为头发提供了保护层而非损伤。然而，PDA聚合速率缓慢，且与头发相互作用较弱，导致其色素沉积程度不足，难以产生亚洲人群所需的深黑色。此前，研究者已利用金属离子、强氧化剂、碱或化学酶等方法来促进PDA在头发表面的聚合和沉积，以提高其染色效率。本研究在此基础上，提出了一种新的预接枝（pregrafting）策略来进一步增强PDA染发剂的染色效率和耐洗牢度。

研究的详细工作流程

本研究主要包含以下核心步骤：DA-CYS中间体的制备、预接枝处理、PDA染发以及性能表征。

第一步：DA-CYS中间体的制备与表征。研究首先利用头发最外层毛鳞片（hair cuticle）中富含的胱氨酸（Cystine, CYS）作为反应性中间体。将多巴胺和胱氨酸在剧烈搅拌下混合，在碱性条件下，两者通过席夫碱（Schiff base）反应和迈克尔加成（Michael addition）反应进行偶联，生成名为DA-CYS的产物。为验证该反应，研究人员利用X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）对冷冻干燥15分钟后的DA和DA-CYS样品进行了表征。C 1s和N 1s的高分辨谱图分析显示，DA与CYS反应后，归属于亚胺/芳香族氮（=NR）的成分显著增加了13.6%，羰基/羧基和醌（quinone）官能团（C=O, C=N）增加了5.7%。这一结果表明，多巴胺与CYS中的亲核基团通过席夫碱反应形成了-C=N键，证实了DA-CYS的成功合成。

第二步：预接枝处理及接枝效果的表征。在DA-CYS溶液中加入少量在烫发过程中广泛使用的冷烫精盐——巯基乙酸铵（ammonium thioglycolate）。该还原剂有两个关键作用：一是将DA-CYS和头发毛鳞片中的二硫键（disulfide bonds）部分还原为硫醇（thiols），二是防止多巴胺单体过早发生聚合。随后，DA-CYS通过硫醇-二硫键交换反应（thiol-disulfide exchange reactions）共价接枝到头发纤维表面。作者使用埃尔曼试剂（Ellman’s agent）对硫醇的生成和接枝反应中的消耗进行了定量测定。为进一步证实接枝成功并排除还原剂的影响，研究者采用能量色散谱（Energy-Dispersive Spectroscopy, EDS）对仅用还原剂处理的头发、未经接枝的头发和接枝了DA的头发进行了表面元素分析。结果显示，仅用还原剂处理的头发其元素组成变化可忽略不计。而接枝DA后，头发表面的碳（C）含量增加，氮（N）和氧（O）含量下降，这表明DA-CYS被成功接枝到了头发表面。由于还原剂的存在抑制了DA的氧化聚合，溶液保持浅棕色且澄清，证明此处的元素变化主要由DA单体或低聚物的接枝引起，而非PDA的沉积。

第三步：在不同条件下进行PDA染发并评估染色效率。将经过预接枝处理的头发样品在三种不同的氧化或碱性条件下进行PDA染色，以验证该方法的普适性。这三种条件分别为：Tris缓冲液体系、由铜离子（Cu²⁺）和过氧化氢（H₂O₂）组成的类芬顿（Fenton-like）体系以及高碘酸钠（Sodium Periodate, NaIO₄）氧化体系。作为对照，未经过预接枝处理的头发也在相同条件下进行染色。通过对比染色后头发样品的照片和色差值（ΔE），结果显示，在所有三种染色条件下，经过预接枝处理的样品都呈现出更深的颜色和更高的ΔE值。这证明预接枝程序普遍性地增强了PDA的沉积和染色效率。其中，以NaIO₄为氧化剂的染色效果最好，颜色最深，ΔE值最高，最接近商业染发剂的水平。

第四步：染后头发的微观形貌和力学性能表征。研究人员使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）和超景深三维显微镜（Ultradepth 3D Microscope）对头发表面和横截面进行了观察。SEM图像显示，染色后头发表面均被PDA纳米颗粒（nanogranules）包覆。然而，未经预接枝的样品，PDA聚集在毛鳞片边缘；而预接枝样品表面的PDA纳米颗粒分布更为均匀和粗糙，表明涂层更为高效。这种更均匀的分布归因于DA单体或低聚物在预接枝过程中已被共价固定在头发表面各处，在随后的染色步骤中可进行原位聚合，从而防止了生成PDA纳米颗粒的团聚。超景深显微镜图像显示，与商业染发剂渗透发芯不同，PDA纳米颗粒仅包覆在头发表面，这表明其不会对头发造成损伤。力学拉伸性能测试也证实了这一点，原发和预接枝染色发之间的拉伸性能仅有微小变化。

第五步：染色耐久性和抗紫外损伤性能评估。为评价染后头发的耐洗牢度，研究者使用常用表面活性剂十二烷基硫酸钠（Sodium Dodecyl Sulfate, SDS）对染色样品进行了最多30次的反复洗涤实验。通过对比洗涤前后的照片和ΔE值发现，随着洗涤次数增加，未经预接枝处理的样品ΔE值下降幅度显著大于预接枝样品，表明预接枝处理形成的共价连接使PDA涂层具有更好的耐水洗牢度。有趣的是，虽然商业染发剂的ΔE值随洗涤次数下降的幅度与未预接枝的PDA染发样相似，但其洗涤液会残留棕色，而PDA染色样品的洗涤液则无色。这说明PDA染发剂的水洗牢度优于商业染发剂。另外，研究人员还使用强碱性溶液进行溶解实验，预接枝样品仅有轻微褪色，而未经预接枝样品褪色严重，进一步证实了共价连接使PDA涂层更牢固地粘附在头发上。最后，由于PDA具有强大的紫外线吸收能力，研究者通过对比紫外线照射前后头发拉伸强度的变化，评估了染发样品的抗紫外损伤能力。结果表明，经过48小时紫外照射后，原生灰发的强度下降比预接枝染发的PDA染发样更显著，证明PDA涂层为头发提供了更好的抗紫外保护。

研究结论

本研究成功开发了一种简便的预接枝策略，利用头发中富含的胱氨酸作为反应性中间体，将多巴胺单体共价连接到头发表面。此方法包括DA-CYS中间体的合成和通过硫醇-二硫键交换反应将其接枝到头发上两个关键步骤。研究结果证明，预接枝的多巴胺促进了PDA的沉积和均匀分布，使染色头发的颜色比直接染色的更深，色差值更高，并表现出更优异的耐洗涤和耐碱溶解性能。此外，PDA涂层还增强了头发对紫外损伤的抵抗力。

研究亮点与价值

本研究的科学价值在于，它揭示了一种通过共价预接枝单体来改善聚合物涂层均匀性和结合力的新机制。这为理解和优化仿生材料在生物界面上的沉积提供了更深入的认识。其应用价值在于，该方法显著提升了仿黑色素PDA染发剂的染色性能和耐久性，为开发一种真正绿色、安全、且能满足深色需求（如亚洲人群）的永久性染发剂指明了新方向。此策略的高效性、简便性及其对头发无损伤的特性，使其在替代传统有毒染发剂方面具有巨大的应用潜力。