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Chemistry

Síntese de Corantes poliméricos fábrica de fenol-derivados para coloração capilar direta ou Mordant-base

doi: 10.3791/54772 Published: December 1, 2016

Abstract

Coloração capilar efectiva através de incubação in situ de queratina do cabelo, com os produtos de polimerização catalisada por lacase fúngica de fenóis vegetais tem sido anteriormente demonstrada. No entanto, o processo de tingimento leva muito tempo para completar a comparação com os produtos de tingimento de cabelo comercial. Para superar esse gargalo, pré-sintetizado produtos poliméricos da reacção oxidativa de Trametes versicolor lacase em catequina e catecol, com ou sem agentes mordentes (por exemplo, FeSO 4), foram aqui empregues para alcançar a coloração dos cabelos queratina permanente em várias cores e matizes . A acção de lacase em tampão de acetato de sódio ácido levou a uma coloração preto profundo após reacções de acoplamento entre os fenóis vegetais. Os produtos de corantes coloridas foram então dessalinizado e concentrado com ultrafiltração. Os corantes, com ou sem agentes mordentes, causou um aumento significativo nos valores de AE (isto é, valor de diferença de cor cinzento) em Wi cabelo humanofinas de 2,5 horas. Além disso, diferentes cores e tonalidades de queratina foram induzidos dependendo das mudanças de pH e mordanting. O cabelo tingido também exibiu uma forte resistência aos tratamentos de detergente, indicando que nossos métodos podem dar origem a coloração capilar permanente. No geral, nosso trabalho tem proporcionado novos insights sobre o desenvolvimento de métodos de cabelo tingimento eco-friendly como alternativas aos corantes diamina baseada tóxicos comerciais .

Introduction

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Lacases são oxidases que estão ativos no sentido de compostos fenólicos e polifenólicos. Elas foram identificadas em vários organismos vivos, incluindo plantas, insectos, fungos e bactérias. Suas ações enzimáticas contribuir para vários fenômenos morfogenética 1. As enzimas catalisam a oxidação de electrões único dos substratos, resultando na formação de radicais que são mais pequenas acopladas a materiais orgânicos e de superfícies sólidas. Tais processos de acoplamento levar a sínteses de oligômeros e polímeros e à superfície funcionalizações 2, 3. Quando os substratos lacase são provenientes de fontes naturais, tais como compostos fenólicos de plantas, as reacções enzimáticas são de grande interesse no que diz respeito à química verde. Aqui, ambos os reagentes e catalisadores são a partir de fontes naturais. Além disso, os produtos resultantes são semelhantes aos dos produtos naturais, uma vez que as reacções globais imitar as sínteses in vivo de compostos fenólicos naturais polímeros incluindo lenhina planta, poli (flavonoID), e compostos fenólicos de plantas húmus em que pequenas são altamente reticulado por meio de acoplamento de radicais induzida por 4-oxidase.

Os produtos derivados de reacções de acoplamento catalisada por lacase de fenóis derivados de plantas pode ser utilizada para tingir cabelos grisalhos através de incubação in situ e pode ser desenvolvido como alternativas aos corantes comercialmente disponíveis 1. Tais alternativas são importantes, dado que os agentes de tingimento de cabelo comerciais baseiam-se na p-fenilenodiamina (PPD), compostos de diamina relacionados com PPD, e peróxido de hidrogénio, que têm mostrado ser tóxicas, carcinogénicas, e alergénicos para o ser humano 5, 6. No as reacções de acoplamento catalisada por lacase, as lacases e fenóis vegetais funcionalmente substituir o peróxido de hidrogénio e p-fenilenodiamina, respectivamente 7. No entanto, a velocidade de tingimento dos sistemas à base de lacase é muito mais lenta do que a de um comercial. Em geral, os agentes de tingimento à base de PPD exigem menos do que uma hora para atingirmudança de cor eficaz na queratina do cabelo, enquanto que as reacções à base de lacase necessária uma incubação durante a noite 7. A cinética lenta de tingimento pode ser explicada por dois fenómenos possíveis. Em primeiro lugar, o uso de um tampão de pH baixo (por exemplo, pH 5) para maximizar a actividade de lacase foi observada para diminuir o grau de inchaço das matrizes de queratina, inibindo assim a profundidade de penetração dos corantes nos matrizes. Com efeito, os agentes que permitem as reacções de tingimento para proceder em condições de alto pH ter sido mostrado para ser parte integrante de produtos de tingimento de cabelo comerciais 8. Em segundo lugar, o número de possíveis moléculas cromóforas exibem forte adsorção a superfícies queratinosas durante a reacção de polimerização tem sido mostrado para ser proporcional ao tempo de incubação (isto é, o grau de polimerização). Por exemplo, foi mostrado a transformação de dopamina para polydopamine para induzir uma forte aderência a várias superfícies que foi concomitante com a formação de uma cor preta 9. </ P>

No presente trabalho, pré-sintetizado produtos poliméricos obtidos a partir de T. versicolor oxidação catalisada por lacase de catequina e catecol foram usadas para tratar a queratina do cabelo para o tingimento. Colocámos a hipótese de que a capacidade de adsorção dos polímeros seria muito mais forte do que a dos fenóis vegetais monoméricos e que eles inicialmente formar oligómeros de peso molecular baixo. Os resultados demonstraram que, ao utilizar os polímeros pré-sintetizado, o poder de oxidação enzimática já não era necessária. Isto indica que o pH pode ser controlado e que os iões de metal podem ser usadas em tratamentos de cabelo tingimento, independentemente da actividade da enzima. Este protocolo fornece um método simples e rápido para tingir o cabelo de queratina em vários tons de cor ao usar eco-amigáveis e renováveis fenólicos derivados de plantas (Figura 1).

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Protocol

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1. Preparação de corantes poliméricos fábrica de fenol-derivados

  1. Dissolve-se catecol (0,1 g) e (+) - catequina hidratada (0,1 g) em 32 ml de tampão de acetato de sódio 100 mM (pH 5,0) e 8 ml de etanol absoluto.
  2. Adicionam-se 10 mg de T. versicolor lacase ao catecol e tampão contendo catequina. Misture vigorosamente e despeje a solução em uma placa de Petri quadrado. Incubar a placa à temperatura ambiente numa incubadora com agitação (25 rpm) durante 24 h. mudança de cor dramático da solução de transparente para negra escura pode ser observada a olho nu, após as reacções de acoplamento induzido por lacase.
  3. Centrifugar a solução durante 10 min a 20000 xg, a fim de girar as partículas poliméricas insolúveis. Use o sobrenadante preto profundo para mais de dessalinização.
  4. Dessalinizar a solução de reacção com um disco de ultrafiltração de 5 kDa. Depois de se concentrar o volume da reacção para 20 ml por meio de ultrafiltração, trocar o tampão de reacção por adição de 300 ml de água destilada. Finalmente, por meio da filtração, concentra-se o volume da solução até 25 ml.

2. As soluções de tingimento de cinza cabelo da queratina

  1. Preparar os seguintes seis soluções poliméricas: corantes poliméricos, corantes poliméricos / FeSO 4, corantes poliméricos / FeSO4 em pH 3 água, corantes poliméricos / FeSO4 em pH 11, a água, os corantes poliméricos / FeSO 4 com ácido acético, e corantes poliméricos / FeSO 4 com amônia.
    1. Para o corante polimérico, mistura 5 ml de água destilada com 1 ml de os corantes poliméricos dessalgado (1.4).
    2. Para as soluções mordentes, adicionar 0,33 g de FeSO4 à mistura a partir do passo 2.1.1. Vigorosamente vortex para dissolver o FeSO4 completamente.
    3. Para a solução de pH 3 ou 11 água, ajustar o pH de 5 ml de água destilada, utilizando HCl 1 N ou NaOH 1 N. Em seguida, adicionar 1 ml de corantes poliméricos dessalgado (1.4) e 0,33 g de FeSO4.
    4. Para a ácido acético ou solução tratada com amoníaco, misturar 1,0 ml de glácido acético Acial ou 1,0 ml de água de amónia com 5 ml de água destilada. Em seguida, adicionar 1 ml de corantes poliméricos dessalgado (1.4) e 0,33 g de FeSO4.
  2. Para os monómeros de plantas, misturar catecol (0,1 g) e (+) - catequina hidrato (0,1 g) em 6 ml de água destilada, com ou sem 0,33 g de FeSO 4, para absorver o cabelo em.
  3. Assim que as soluções de tingimento a partir do passo 2.1 e 2.2 são preparados, embeber completamente 5 cm de comprimento tranças de cabelo cinzento humanos (0,2 g) nas soluções. Incubam-se as madeixas de cabelo a 32 ° C numa incubadora com agitação (160 rpm) durante 2,5 horas.
  4. Depois, retire as madeixas de cabelo e lavá-los com água corrente. Use um secador de cabelo eletrônico para remover a umidade. A mudança de cor causada por os corantes poliméricos podem ser visualizados a olho nu.
    1. Para obter os parâmetros de cor (isto é, L *, a *, e b *), empregar um colorímetro convencional de acordo com o protocolo do fabricante. Amassar o cabelo tResses como uma bola, permitindo-lhes assim a ser medido com a lente de um colorímetro. Repetir este processo sobre uma região diferente do cabelo com a lente colorímetro.
    2. Medir os parâmetros de cor de cada madeixa tingido sete vezes. Calcular as médias e desvios-padrão dos parâmetros. Calcular AE utilizando a fórmula: [(100 - L *) 2 + (a *) 2 + (b *) 2] 1/2.

3. testes de durabilidade Cor

  1. Dissolve-se 200 mg de sulfato de dodecilo de sódio (SDS) em 40 ml de água destilada. Embeber o cabelo tingido completamente na água contendo SDS durante 5 min à temperatura ambiente. Retire as madeixas de cabelo e, em seguida, lave-os com água corrente suficiente para remover os detergentes. Use um secador de cabelo eletrônico para remover a umidade.
  2. Para obter os parâmetros de cor (isto é, L *, a *, e b *), empregar um colorímetro convencional de acordo com a FABRICAÇÃOprotocolo de er. Repita a imersão descrito no passo 3.1, mais uma vez com o mesmo cabelo tingido e, em seguida, medir os parâmetros novamente.
  3. Dissolve-se 800 mg de SDS em 40 ml de água destilada. Tal como descrito no passo 3.1, repetir a imersão duas vezes mais com os mesmos cabelos tingidos. No geral, o tratamento de cada madeixa de cabelo tingidas com solução de SDS a um total de quatro vezes.

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Representative Results

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Em primeiro lugar, a capacidade de tingimento de corantes poliméricos foi comparada com a de monómeros derivados de plantas (isto é, catequina e catecol). Os corantes poliméricos induziu uma alteração significativa da cor do cabelo cinzento queratina (Figura 2A e Figura 3), enquanto que a cor cinzenta inata do cabelo permaneceu bastante estável com monómeros de plantas (dados não mostrados). Os efeitos de agentes sobre a capacidade de tingimento de produtos poliméricos mordanting foram então avaliadas. Como pode ser visto na Figura 2A, a adição de iões de Fe conduziu a nenhum aumento no valor de AE de queratina do cabelo cinzento. No entanto, a cor do cabelo foi significativamente alterado com a utilização de iões de Fe (Figura 3). Para verificar se os agentes mordanting pode induzir a coloração com monômeros fenólicos de plantas, íons Fe também foram adicionados aos monómeros sem polimerização oxidativa. Assim que os iões de Fe foram dissolvidos com os monómeros numa ACItampão de reacção acetato de sódio DIC, uma cor preto profundo apareceu imediatamente (dados não mostrados). Além disso, os complexos de Fe e de plantas fenóis monoméricos provou ser eficaz no tingimento de cabelos humanos cinzenta, resultando em uma transformação eficiente da cor cinzento para preto profundo (Figura 3). O valor AE resultante do corante fenol Fe-planta foi maior do que a dos corantes poliméricos (Figura 2A).

Para avaliar se uma mudança no pH afeta a eficiência tingimento de queratina do cabelo com complexos de corante de íon-polimérica Fe, pH baixo (de pH 3 ajustado e águas com teor de ácido acético) e pH elevado (de pH 11 ajustado e amoníaco contendo Waters) foram testados. Como pode ser visto na Figura 2A, tais alterações do pH levado a pequena alteração no valor AE, contrariamente ao efeito de corantes poliméricos. No entanto, as cores visíveis de cabelo tingido se alterou significativamente, dependendo de qual o pH ajustamentoagente foi utilizado (Figura 3). Curiosamente, a cor do cabelo resultante da utilização de HCl diferiu da que resulta a partir de ácido acético, apesar das suas funções aparentemente similares em controlo do pH. cores de cabelo diferentes, também resultou de NaOH e amônia. Todos os três parâmetros de cor (isto é, L * varia de 0 (preto) a 100 (branco), a * varia de -100 (verde) e 100 (vermelho), e b * que varia de -100 (azul) a 100 (amarelo )) dos nossos cabelos tingidos foram então comparadas, como mostrado na Figura 2B. Embora os valores de AE diferiram apenas ligeiramente para as diferentes condições de tingimento, os parâmetros de cor eram relativamente díspar (Figura 2B), consistente com as diversas cores visíveis das madeixas de cabelo (Figura 3).

Finalmente, o detergente resistência do cabelo tingido foi verificada. Como pode ser visto na Figura 4, todos os cabelos tingidos geralmente mantida sua16; valores de E contra tratamentos SDS repetidas, indicando que os corantes poliméricos com ou sem mordanting resultou em tingimento permanente. Quando foram utilizados os monómeros planta sem polimerização, os valores AE foram inversamente proporcional ao número de tratamentos aplicados SDS (Figura 4). Em contraste, o tingimento foi mais estável quando foram usadas apenas ou com FeSO4 corantes poliméricos.

figura 1
Figura 1. Esquema para a síntese de corante polimérico à base de fenol vegetal e sua aplicação na coloração dos cabelos queratina. Um método simples e rápido para tingir o cabelo de queratina em vários tons de cor ao usar eco-friendly e fenólicos derivados de plantas renováveis é mostrado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 2. A avaliação de cor do cabelo tingido. (A) Os valores AE (± SD, n = 7) e (B) distribuição dos três parâmetros de cor (L *, a *, e b *) em diferentes condições de reacção. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. imagens fotográficas de tinturas de cabelo sob diferentes condições de reacção (a) Apenas Virgin cabelos humanos cinza.; (B) corantes poliméricos; (C) corantes poliméricos / FeSO 4; (D) corantes poliméricos / FeSO 4 com ácido acético; (E) Corantes poliméricos / FeSO4 em água de pH 11; (F) corantes poliméricos / FeSO 4 em pH 3 água; (L) corantes poliméricos / FeSO4 com amónia; (H) Os monómeros / FeSO4. Barra de escala é de 0,5 cm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Cor durabilidade do cabelo tingido a tratamentos de detergente repetidas. Os efeitos estabilizadores maiores de tingimento direto (corantes poliméricos) e mordanting com os produtos poliméricos (Polimérica corantes / FeSO 4) em vez de mordanting com monómeros (Monómeros / FeSO 4) foram mostrados ( SD ±, n = 7). Por favor clique aqui para ver um larversão ger desta figura.

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Discussion

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Curiosamente, o nosso método reduziu o tempo que levou para tingir o cabelo com queratina polimerizações induzida por oxidantes de fenóis naturais. É também induziu diversas cores no cabelo por meio de manipulações simples de corantes poliméricos, tais como alterar o pH e aplicando mordente.

Incubação in situ de queratina do cabelo com a oxidação catalisada por lacase de fenóis vegetais requer tempos de incubação excessivamente longos para atingir o tingimento efectivo 7. Tais cinética lenta de tingimento pode ser devido aos pobres capacidades de ligação de fenóis vegetais, bem como os oligómeros iniciais com pesos moleculares muito baixos, atrasando assim o tempo de partida de coloração capilar efectiva até polímeros com pesos moleculares relativamente elevados são formados. O jejum de tingimento de cabelo e cor durabilidade observado quando se utiliza diretamente os produtos poliméricos (Figuras 2A e 4) apoiar fortemente a hipótese acima. O aumento da capacidade de ligação e a presença de um CHRomophore nos polímeros podem ter contribuído para a velocidade rápida de coloração capilar permanente. Embora outros investigadores demonstraram que alguns compostos fenólicos monoméricos são capazes de se ligar bem a determinadas superfícies, a durabilidade a ligação na presença de estímulos externos é claro, que os autores avaliaram os fenómenos de ligação sob condições muito suaves 10, 11. Além disso, um cromóforo não estava presente nos compostos monoméricos testados. Portanto, o passo mais crítico neste protocolo é usar os produtos obtidos após 24 hr reações incubadas, porque um grande número de alta peso molecular, polímeros fenólicos coloridos que exibem propriedades de ligação fortes são, portanto, suficientemente formado.

Vários estudos utilizaram complexos de ião de metal-fenol para tingir tecidos 12, 13 Existem dois mecanismos possíveis para estes fenómenos de tingimento:. Os complexos de ião de metal-fenol actuam como cromóforos, ou os iões metálicos bidireccionalmente coordenar os fenóis e o surfacES a ser tingido, levando a forte ligação dos complexos. A variabilidade de cor de cabelo, dependendo da presença de iões de Fe (Figuras 2B e 4) é consistente com ambos os mecanismos acima, porque a coordenação dos iões metálicos com os produtos poliméricos e monómeros pode resultar numa alteração e geração de cor, respectivamente . Além disso, as estruturas de ligação de coordenação detalhados podem ter sido modulada por alterações do pH, como observado em sistemas de entrega de droga 14. Assim, não é razoável sugerir que mordanting concomitante com mudanças de pH resultaria em diversas mudanças de cor através de transformações estruturais do cromóforo. Em geral, acredita-se que mordanting para aumentar a capacidade de tingimento de extratos naturais de plantas 13. No entanto, a similaridade dos valores AE dos corantes poliméricos com e sem Fe iões (Figura 2A) indicou que a coordenação do Fe com os corantes principalmente mudançad o cromóforo, resultando em cabelos tingidos de cores diferentes, como pode ser visto na Figura 3. Um pH elevado conduziria a valores elevados de AE de cabelo tingido, porque os agentes de pH elevados tais como amónia em água são conhecidos para fazer com que as fibras de queratina para ficar inchado, aumentando assim tingir as taxas de difusão 8. Tais corantes difundidos são então capturados quando as matrizes de cabelo volte a apertar. No entanto, os valores de AE ​​de cabelo tingido mudar pouco com pH elevado ou de amoníaco, o que indica que a capacidade de corantes poliméricos para se ligar na superfície do cabelo melhor descreve a coloração capilar neste protocolo que faz queratina inchaço.

durabilidade da cor é muito importante para a coloração dos cabelos, e os métodos de tingimento deve produzir tintas que são duráveis ​​na presença de estímulos externos. Em particular, lavagem diária é o estímulo mais importante que se desvanece cabelo tingido 8. Como pode ser visto na Figura 4, os nossos métodos de tingimento foram muito resistentes aos tratamentos repetidos SDS. A maior STAbilizing efeitos de tingimento directo (corantes poliméricos) e mordanting com os produtos poliméricos (corantes poliméricos / FeSO4) em vez de mordanting com monómeros (Monómeros / FeSO 4), como se mostra na Figura 4, pode ter sido devido aos maiores pesos moleculares do polímero corantes. A eficiência com que os iões de metal em ponte a superfície corante e queratina polimérico aparentemente dependia do tamanho molecular médio do corante. O cabelo é composta de várias substâncias, incluindo melanina, aminoácidos, proteínas, lípidos e 15. Novos estudos devem ser realizados para confirmar se este protocolo é eficaz em uma variedade de tipos de cabelo humano. Além disso, mesmo que os nossos materiais são derivados a partir de fontes naturais, um teste de toxicidade para as células humanas rigorosa é necessária, a fim de garantir totalmente não-toxicidade.

No geral, nós aqui proporcionado um método bem definido para induzir a coloração dos cabelos queratina permanente, utilizando materiais ecológicos dentro de um commerccurto período ei ra me de tempo aceitável. Com base nos nossos dados que revelam as propriedades da ligação directa de corantes poliméricos de queratina do cabelo, outros métodos que permitem aos nossos corantes poliméricos para agir como componentes activos em produtos de tingimento de cabelo à base de PPD comercializados serão desenvolvidos.

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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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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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