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Chemistry

直接または媒染剤ベースの髪の染色用植物フェノール由来のポリマー染料の合成

doi: 10.3791/54772 Published: December 1, 2016

Abstract

植物フェノール類の真菌ラッカーゼ触媒重合の製品とケラチン髪のその場でのインキュベーション貫通効果的な毛髪染色は、以前に実証されています。しかし、染色工程は、市販の毛染めの製品に比べて完了するまでに長い時間がかかります。このボトルネック、カテキンおよびカテコール上のラッカーゼカワラタケトラメテスの酸化反応の前に合成高分子製品、いずれかの媒染剤剤を伴うまたは伴わない( 例えば、のFeSO 4)を克服するために、ここでは様々な色や色合いに永久ケラチン染毛を達成するために採用されました。酸性酢酸ナトリウム緩衝液中のラッカーゼのアクションは、植物フェノール類との反応をカップリングした後、深い黒色の着色につながりました。着色された染料生成物は、その後、限外濾過で脱塩し、濃縮しました。媒染剤剤を含むまたは含まない染料は、灰色の人毛のWiにおけるΔE値の有意な増加( すなわち、色差値)を起し薄い2.5時間。さらに、異なるケラチン色や色合いが媒染およびpH変化に応じて誘導されました。染めた髪はまた、私たちの方法は、永久染毛を生じさせることができることを示す、界面活性剤治療に対する強い抵抗性を示した全体的に、私たちの仕事は、商用毒性ジアミン系染料の代替として環境に配慮した染毛方法の開発に新たな洞察を提供しています。

Introduction

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ラッカーゼは、フェノール及びポリフェノール化合物に対して活性であるオキシダーゼです。それらは、植物、真菌、昆虫、および細菌を含む様々な生物において同定されています。その酵素のアクションは、いくつかの形態形成現象1に貢献しています。酵素はさらに小さな有機物を、固体表面に結合されているラジカルの形成をもたらす、基板の一電子酸化を触媒します。このようなカップリングプロセスは、オリゴマーおよびポリマーの合成につながり、官能基化2、3を表面化。ラッカーゼの基質は、植物フェノール成分として天然源、からのものである場合には、酵素反応は、グリーンケミストリーに関して非常に興味深いです。ここでは、両方の反応物及び触媒は、天然源からのものです。全体的な反応は、植物のリグニン、ポリ(flavono天然フェノール-含むポリマーのインビボ合成を模倣するために加えて、得られた生成物は、天然物に類似していますID)、および腐植、前記小植物フェノール化合物は、高度に架橋されたオキシダーゼによって誘導されるラジカルカップリング4です。

植物由来のフェノールのラッカーゼ触媒カップリング反応に由来する生成物は、 その場でのインキュベーション白髪を介して染色するために使用することができ、市販の染料1の代替として開発することができます。商業的毛髪染色剤は、毒性発癌性、およびヒト5,6にアレルギー性であることが示されているのpフェニレンジアミン(PPD)、PPD関連のジアミン化合物、過酸化水素、に基づいているので、そのような代替案は、重要である。でラッカーゼ触媒カップリング反応、ラッカーゼ及び植物フェノール類は、機能的には、それぞれ7、過酸化水素およびpフェニレンジアミンを交換してください。しかしながら、ラッカーゼベースのシステムの染色速度が商用のものよりはるかに遅いです。一般に、PPDベースの染色剤は、達成する未満の時間を必要としますケラチン髪に効果的な色の変化、ラッカーゼベースの反応は、一晩のインキュベーション7を必要とします。遅い染色動態は、2つの可能な現象によって説明することができました。まず、低pH緩衝液を使用する( 例えば、pH 5)ラッカーゼ活性を最大にするためには、このように行列への染料の深い浸透を阻害する、ケラチンマトリックス中での膨潤の程度を低下させることが観察されています。実際、染色反応は、高pH条件で進行させる作用物質は、商業的毛髪染色製品8に不可欠であることが示されています。第二に、重合反応中に角質表面への強い吸着性を示す可能性発色団分子の数は、インキュベーション時間( すなわち、重合の程度)に比例することが示されています。例えば、ポリドーパミンのドーパミンの変換は、黒色9の形成と同時にた多くの表面に強固な接着を誘導することが示されました。</ P>

現在の仕事、Tから得た予備合成高分子製品のカテキン及びカテコールのラッカーゼ触媒酸化versicolorの染色のためケラチン髪を治療するために使用しました。我々は、ポリマーの吸着能力は、単量体の植物フェノール類のものよりもはるかに強力であることを、彼らが最初に低分子量のオリゴマーを形成するであろうという仮説を立てました。結果は、事前に合成されたポリマーを使用する場合、酵素的酸化力がもはや必要であったことを実証していません。これは関係なく、酵素活性、pHを制御することができ、その金属イオンは、毛髪染色の治療において使用することができることを示しています。このプロトコルは、環境に優しい再生可能植物由来のフェノール類( 図1)を使用しながら、色の様々な色合いでケラチン髪を染めるためのシンプルかつ高速な方法を提供します。

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Protocol

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植物フェノール由来のポリマー染料の調製

  1. 100 mM酢酸ナトリウム緩衝液(pH 5.0)および無水エタノール8mlの32 ml中カテキン水和物(0.1g)を - カテコール(0.1 g)およびを(+)に溶解します。
  2. T. 10mgを追加します。 catechol-とカテキン含有緩衝液にversicolorのラッカーゼ 。激しく混合し、正方形のペトリ皿にソリューションを注ぎます。 24時間振盪インキュベーター(25回転)で、室温で皿をインキュベートします。濃い黒色の透明な溶液からの劇的な色の変化は、ラッカーゼによって誘導されるカップリング反応の後に肉眼で観察することができます。
  3. 不溶性ポリマー粒子をスピンダウンするために20,000×gで10分間この溶液を遠心分離します。さらに脱塩のための深い黒の上清を使用してください。
  4. 5 kDaの限外濾過ディスクとの反応液を脱塩。限外20〜mlまで反応容量を濃縮した後、蒸留水300mlを加えて反応緩衝液を交換し。最後に、濾過を用いて25 mlに溶液の体積を濃縮。

グレーケラチン髪2.染色ソリューション

  1. ポリマー染料、ポリマー染料/のFeSO 4、pHが3水中でのポリマー染料/のFeSO 4、pHが11水、酢酸によるポリマー染料/のFeSO 4、及びポリマー染料/のFeSO中のポリマー染料/のFeSO 4:以下の6つのポリマー溶液を準備しますアンモニアと4。
    1. ポリマー色素については、脱塩ポリマー染料(1.4)1mlと5mlの蒸留水を混ぜます。
    2. 媒染剤のソリューションについては、ステップ2.1.1から混合物へのFeSO 4の0.33グラムを追加します。激しくボルテックス完全のFeSO 4を溶解しました。
    3. pHが3または11水溶液のために、1 N HCl又は1NのNaOHを用いて水を5mlの蒸留液のpHを調整します。その後、脱塩ポリマー染料(1.4)の1ミリリットルとのFeSO 4の0.33グラムを追加します。
    4. 酢酸酸やアンモニア処理液については、GLの1.0ミリリットルを混ぜますacial酢酸または蒸留水5mlとアンモニア水1.0 mlです。その後、脱塩ポリマー染料(1.4)の1ミリリットルとのFeSO 4の0.33グラムを追加します。
  2. に髪を浸して、のFeSO 4の0.33グラムの有無にかかわらず、蒸留水6mlにカテキン水和物(0.1グラム) -植物モノマーについては、カテコールを(0.1グラム)および(+)混ぜます。
  3. すぐにステップ2.1および2.2からの染色溶液を調製しているように、完全に溶液中で5センチ長い灰色の人間の髪の毛の房(0.2グラム)を浸します。 2.5時間振盪インキュベーターで32°C(160 rpm)で髪の房をインキュベートします。
  4. その後、毛髪束を取り出し、流水でそれらを洗い流してください。水分を除去するために、電子ヘアドライヤーを使用してください。ポリマー色素による色変化は、肉眼で可視化することができます。
    1. 色パラメータ( すなわち、L *、a *及びb *)を得るために、製造業者のプロトコルに従って、従来の比色計を使用します。髪トンをくしゃくしゃこうして彼らは測色計のレンズを用いて測定することができるように、ボールにresses。測色計レンズで髪の異なる地域にこのプロセスを繰り返します。
    2. 各染色したトレス7倍の色パラメータを測定します。平均値とパラメータの標準偏差を計算します。式を用いてΔEを計算する:[(100 - のL *)2 +(*)2 +(B *)2] 1/2。

3.色耐久試験

  1. 蒸留水40mlにドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を200mg溶解させます。室温で5分間SDSを含む水の中に完全に染めた髪を浸します。髪の房を取り出し、その後、洗剤を除去するのに十分な流水でそれらを洗い流してください。水分を除去するために、電子ヘアドライヤーを使用してください。
  2. 色パラメータ( すなわち、L *、a *及びb *)を得るために、機械製造に記載の従来の比色計を使用えーのプロトコル。同じ染めた髪でもう一度ステップ3.1で説明した浸漬を繰り返してから、再度パラメータを測定します。
  3. 蒸留水40mlにSDSの800ミリグラムを溶解します。ステップ3.1で説明したように、同じ染めた髪で二回以上浸漬を繰り返します。全体的に、SDS溶液で4回の合計を各染め毛束を扱います。

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Representative Results

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まず、ポリマー染料の染着性は、植物由来のモノマー( すなわち、カテキンおよびカテコール)と比較しました。毛髪の生来のグレー色( データは示されていない )植物モノマーと非常に安定したままのポリマー染料は、灰色のケラチン毛髪( 図2Aおよび図3)の色の有意な変化を誘導しました。ポリマー生成物の染色能力に媒染剤の効果を、次いで評価しました。 図2Aに見られるように、Feイオンの添加は、灰色ケラチン髪のΔE値でない増加をもたらしました。しかし、髪の色は、大幅にFeイオン( 図3)を使用して変更しました。媒染の薬剤は、植物フェノール系モノマーと着色を誘導することができるかどうかを確認するには、Feイオンはまた、酸化重合することなく、単量体に加えました。すぐにFeイオンがACI中のモノマーで溶解させたとして、DIC酢酸ナトリウムの反応緩衝液、深い黒色( データは示さず )直ちに現れました。また、Feと植物の単量体フェノール類の複合体は、深い黒に灰色( 図3)の効率的な形質転換の結果、灰色の人間の毛髪を染色するのに有効であることが判明しました。鉄植物フェノール染料から生じるΔE値は、ポリマー染料( 図2A)よりも高かったです。

pHの変化は、pHが11-調整し、アンモニア含有のFeイオンポリマー色素複合体、(pHが3-調整し、酢酸含有水からの)低pHおよび高pHでのケラチン髪の染色効率を(影響を与えるかどうかを評価するために、水)を試験しました。 図2Aに見られるように、例えば、pHの変化は、ポリマー染料の効果に反してΔE値はほとんど変化、をもたらしました。しかし、髪を染めから見える色は、pH調整に応じて顕著に変化しませんでしたエージェントは( 図3)を用いました。興味深いことに、塩酸を使用した結果、髪の色は、pH制御におけるその明らかに同様の役割にもかかわらず、酢酸から得られたものとは異なっていました。異なる髪の色もNaOHおよびアンモニアから生じました。すべての3つの色パラメータ( すなわち、0(黒)から100(白)までの範囲のL *、-100(緑)100から100(赤)、および-100(青の範囲のb *)の範囲*(黄色図2Bに示されるように))我々の染色した毛髪のは、次いで、比較しました。 ΔE値が異なる染色条件のためにのみわずかに異なっているが、色パラメータは( 図3)比較的、( 図2B)異種の毛髪束の多様な可視色と一致していました。

最後に、染色された毛髪の洗浄剤抵抗性を調べました。 図4に見られるように、すべての染色した毛髪は、一般に、それらを維持し16;媒染の有無にかかわらず、ポリマー染料は永久的な染色をもたらしたことを示す繰り返しSDS治療に対するE値、。重合せずに植物のモノマーを用いた場合、ΔEの値が適用されたSDS処理( 図4)の数に反比例しました。ポリマー染料のみまたはのFeSO 4とを用いた場合は対照的に、染色はより安定でした。

図1
環境に優しい再生可能植物由来のフェノール類示されている使用しながら、 植物フェノール系ポリマー色素の合成とケラチン染毛におけるその適用については、図1のスキーム。簡単かつ迅速な方法は、色の様々な色合いでケラチン髪を染めるために。 クリックしてくださいここで、この図の拡大版を表示します。


染色された毛髪の 図2 色評価(A)ΔE値(±SD、N = 7)及び(B)は、3つの色パラメータ(L *、a *、及びb *)は、異なる反応条件下での分布をクリックしてくださいここで、この図の拡大版を表示します。

図3
異なる反応条件下で毛髪染料の図3.写真撮影画像 (A)のみバージン灰色の人間の毛髪 (B)高分子染料; (C)高分子染料/のFeSO 4。 (D)酢酸と高分子染料/のFeSO 4。 (E)ポリマー染料/ pHが11水中でのFeSO 4。 (F)高分子染料を/ pHが3水中でのFeSO 4。 (G)ポリマー染料/アンモニアとのFeSO 4。 (H)モノマー/のFeSO 4。スケールバーは、0.5 cmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
図4. カラー繰り返し洗浄剤治療に染色した毛髪の耐久性。直接染色(高分子染料)の大きな安定化効果およびポリマー製品と媒染(高分子染料/のFeSO 4)ではなく(モノマー/のFeSO 4)が示されたモノマーと媒染より( ±SD、n個= 7)。 LARを表示するには、こちらをクリックしてください。この図のGERバージョン。

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Discussion

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興味深いことに、我々の方法は、それが自然なフェノールの酸化剤によって誘発される重合でケラチン髪を染めるためにかかった時間を減少させました。それはまた、pHを変えると媒染剤を適用するなどの高分子染料の簡単な操作を通じて、髪に多様な色を誘導しました。

植物フェノールのラッカーゼ触媒酸化とケラチン髪のその場でのインキュベーションでは効果的な染色7を達成するために過度に長いインキュベーション時間を必要とします。このような遅い染色速度は、比較的高い分子量を有するポリマーが形成されるまでこのように、実際の毛髪の染色の開始時間を遅らせる、原因植物フェノールの貧弱な結合能力および初期オリゴマーが非常に低い分子量を有するものであり得ます。高速毛染めやカラーの耐久性は、直接ポリマー生成物( 図2Aおよび4)を使用し場合に強く、上記の仮説を支持する観察しました。 CHRの高い結合能力と存在感ポリマー中のomophoreは、永久染毛の速いスピードに寄与している可能性があります。他の研究者は、いくつかの単量体フェノール類は、特定の表面によく結合することができることを示してきましたが、外部刺激の存在下での結合耐久性は著者が非常に穏やかな条件の10、11。また、発色団の下で結合現象を評価し、不明です試験された単量体化合物には存在しませんでした。高分子量の多数は強い結合性を示すカラフルなフェノール性ポリマーがこのように十分に形成されているので、したがって、このプロトコルの中で最も重要なステップは、24時間インキュベートした反応後に得られた製品を使用することです。

いくつかの研究は、ファブリック12、13を染色する金属イオン-フェノール錯体を使用しているこれらの染色現象のための2つの可能なメカニズムがあります。金属イオン-フェノール錯体は、発色団として機能し、または金属イオンが双方向にフェノール類とsurfac座標ESは、複合体の強い愛着につながる、染色されます。ポリマー生成物と単量体と、金属イオンの配位は、それぞれ、色の変化および生成をもたらすことができるので、Feイオン( 図2Bおよび4)の存在に依存して髪の色の変動は、上記の機構の両方と一致しています。また、詳細な配位結合構造は、薬物送達システム14で観察されるように、pHの変化によって変調されていてもよいです。 pHの変化に付随し媒染する発色団の構造変化を介して多様な色の変化をもたらすであろうことを示唆することは不合理ではないです。一般的には、媒染は、天然の植物の染色能力13を抽出を増強すると考えられています。染料と鉄の調整が主に変更することをしかし、Feイオン( 図2A)とないポリマー染料のΔE値の類似性が示されました図3に見られるように、異なる色の着色された毛髪をもたらす。例えば、アンモニア水などの高pH剤は膨潤なるようにケラチン繊維を引き起こすことが知られているため、高いpHがこのように増加し、染色した毛髪の高いΔE値をもたらすD発色団、染料拡散率8。髪行列が締め直したときに、このような拡散染料は、次にキャプチャされます。しかし、染色した毛髪のΔE値は、ポリマー染料の能力が優れた毛髪表面に結合することがあることを示す、高pHまたはアンモニアで少し変更ケラチンの腫れを行うよりも、このプロトコルで毛染めを説明します。

色耐久性は、毛髪染色において非常に重要であり、染色方法は、外部刺激の存在下での耐久性の色素を生成する必要があります。具体的には、毎日のシャンプーは髪を染め8をフェード最も重要な刺激です。 図4に見られるように、私たちの染色方法は、反復SDS治療に対して非常に耐性でした。大きな駅図4に示すように、直接染色の効果をbilizing(高分子染料)およびポリマー製品と媒染(高分子染料/のFeSO 4)ではなくモノマー(モノマー/のFeSO 4)で媒染原因のポリマーのより大きな分子量にあったかもしれません染料。金属イオンは、ポリマー染料およびケラチン表面を架橋する効率は明らかに、色素の平均分子サイズに依存しました。毛髪メラニン、アミノ酸、タンパク質、および脂質15を含む様々な物質から構成されています。さらなる研究は、このプロトコルは、人間の髪の毛のさまざまな種類のに効果的であるかどうかを確認するために実施されるべきです。また、私たちの材料は天然の供給源に由来しているにもかかわらず、ヒト細胞への厳格な毒性試験は、完全に非毒性を保証するために必要とされます。

全体的に、我々はここでcommerc内の環境に優しい材料を使用して、恒久的なケラチン染毛を誘発する明確に定義された方法を提供しました時間のially許容可能な短い期間。ケラチン髪へのポリマー染料の直接結合の性質を明らかに私たちのデータに基づき、当社のポリマー染料が商品化PPDベース染毛製品のように、活性成分を作用させること、さらに方法が開発されます。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sodium dodecyl Sulfate Promega H5114
Laccase from Trametes versicolor Sigma 38429-1G Enzyme activity is denoted as 0.53 U/mg
(+)-catechin hydrate Sigma C1251-5G
1,2-dihydroxybenzene (catechol) Sigma 135011-5G
Ammonia water  Duksan 701 Ammonia contents is denoted as 25 ~ 30%
Acetic acid, glacial Duksan 448
Iron(II) sulfate heptahydrate JUNSEI 83380-1250
Ultracell 5 kDa Amicon PLCC06210
Stirred ultrafiltration cells Millipore Model 8200
Human gray hair PheonixKorea Not available
Colorimeter SPEC JCS-10
Square dish SPL 10125 125 * 125 * 20 (mm)

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References

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直接または媒染剤ベースの髪の染色用植物フェノール由来のポリマー染料の合成
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Im, K. M., Jeon, J. R. Synthesis of Plant Phenol-derived Polymeric Dyes for Direct or Mordant-based Hair Dyeing. J. Vis. Exp. (118), e54772, doi:10.3791/54772 (2016).More

Im, K. M., Jeon, J. R. Synthesis of Plant Phenol-derived Polymeric Dyes for Direct or Mordant-based Hair Dyeing. J. Vis. Exp. (118), e54772, doi:10.3791/54772 (2016).

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