Włosy są dla człowieka jedną z ważniejszych warstw ochronnych. Zapobiegają negatywnemu wpływowi czynników zewnętrznych – chłodu, wody (śniegu, deszczu). Procesy wnikania substancji chemicznych wewnątrz włosa zależą przede wszystkim od jego specyficznej budowy.

Budowa włosa

Włosy zbudowane są w głównie z alfa-keratyny. Keratyna jest polimerem – polipeptydem, składającym się z aminokwasów. Cechą wyróżniającą łańcuch keratynowy jest duża ilość aminokwasów, zawierających atom siarki w strukturze - cysteiny.

W strukturze keratyny mogą powstawać różne wiązania wpływające na właściwości włosów. Są to m.in. oddziaływania wodorowe, jonowe. W odpowiednich warunkach możliwe jest powstanie oddziaływań hydrofobowych. Ważnym oddziaływaniem pomiędzy łańcuchami keratynowymi są wiązania disiarczkowe, utworzone między dwoma cząsteczkami aminokwasu– cysteiny. Łańcuch o dużej zawartości cysteiny zwiększa stabilność włókien alfa-keratyny. Dzięki temu włos jest odporny na negatywne czynniki środowiskowe takie jak ciepło, zimno, światło, wodę, czy atak czynników biologicznych.

Włos ma budowę warstwową. Najbardziej zewnętrzna – osłonka (kutikula) składa się z ułożonych warstwowo łusek. Są one ułożone „na zakładkę”, podobnie jak dachówki. Powoduje to, że włos jest gładki w kierunku wzrostu, czyli od nasady ku końcowi. Ta cześć łodygi zbudowana jest z keratyny o dużej zawartości cysteiny.

Kutikula składa się z mniejszych warstw. Cienka, zewnętrzna warstwa nazywana jest epikutikulą, następnie położona jest warstwa A (zawartość cysterny do 30%). Dalej eksokutikula zwana także warstwą B oraz poniżej, endokutikula. Najniższą częścią osłonki jest tzw. epikutikula składająca się z wewnętrznych komórek.

Osłonka przykrywa wewnętrzną część włókna włosa – warstwę korową. Ten fragment łodygi zbudowany jest z włókien – makrofibryli. Każde z takich włókien składa się z małych włókienek, a każde włókienko zbudowane jest z łańcuchów alfa-keratyny. Warstwa korowa składa się z podłużnych komórek, ułożonych wzdłuż włókna włosa.

Blisko środka łodygi włosa znajduje się obszar zwany medullą.

Jako czwartą cześć struktury łodygi włosa wymienia się cement międzykomórkowy. Rolą cementu jest sklejanie, łączenie komórek w osłonce.

Właśnie cement jest jedną z głównych dróg przenikania substancji do łodygi włosa. Jest to związane z jego budową. Cement zbudowany jest z trzech warstw. Najważniejsza, centralnie położona – warstwa d, zbudowana jest z protein o niskiej zawartości aminokwasu – cysteiny, o dużym udziale aminokwasów polarnych, z czego 17% stanowią aminokwasy kwasowe, 12% zasadowe. Warstwa d otoczona jest przez tzw. warstwy b, zbudowane ze składników tłuszczowych takich jak skwalen, kwasy tłuszczowe (palmitynowy, stearynowy, oleinowy).

Cement razem z endokutikulą nazywane są „obszarami niekeratynowymi”. Warstwy te łatwo ulegają spęcznieniu. Właśnie to powoduje, iż jest to główna droga przenikania wewnątrz włosa.

Drugą częścią struktury włosa, która może decydować o dyfuzji do włosa jest kutikula. Obecność, stan łusek osłonki wpływa na przenikanie dużych cząsteczek (jak np. barwniki).

Przenikanie wewnątrz łodygi włosa

Procesy dyfuzji wewnątrz włosa można podzielić na trzy etapy. Pierwszy obejmuje transport cząsteczek substancji do granicy woda/włókno włosa (przy dyfuzji z roztworu wodnego). Następnie cząsteczki są absorbowane (w zewnętrznej warstwie osłonki włosa) – jest to drugi etap. Ostatni obejmuje wniknięcie cząsteczek wewnątrz włókna. Oczywiście substancja znajdująca się wewnątrz łodygi może uczestniczyć w reakcjach, zarówno między sobą jak i z fragmentami struktury włosa.

Teoretycznie możliwe są dwie drogi przenikania wewnątrz łodygi włosa. Droga przez komórki, transport tą drogą oznacza przenikanie przez obszary o dużym i małym usieciowaniu keratyny. Drugą drogą jest droga międzykomórkowa. Tutaj przenikanie odbywa się pomiędzy wysoko usieciowanymi komórkami osłonki, poprzez cement międzykomórkowy, obszar o małym stopniu usieciowania.

Pomimo że transport na podstawie obu mechanizmów przenikania jest możliwy, droga międzykomórkowa wskazywana jest jako główna dla związków o dużych rozmiarach. Właśnie ze względu na niską zawartość usieciowanej keratyny, która przez to łatwiej ulega spęcznieniu. W pewnych warunkach główną drogą przenikania jest droga poprzez komórki epikutikuli. Kiedy usieciowane komórki warstwy A i eksokutikuli są zniszczone małe cząsteczki mogą przenikać zgodnie z tym mechanizmem. Przenikanie zależy od stanu włosów, jest szybsze, gdy włosy są zniszczone.

Metody oceny procesów wnikania wewnątrz włosa

Opis czynników, dróg przenikania może być pomocny np. absorpcja składników farb do włosów może być efektywniejsza, przenikanie składników regenerujących, zawartych w kosmetykach do pielęgnacji włosów może wzrosnąć, powodując proces regeneracji bardziej efektywnym.

Badania opisujące drogi przenikania substancji chemicznych wewnątrz włosów mogą także pomóc w poznaniu mechanizmów dyfuzji we włosach.

Oczywiste jest, że wnikanie, absorpcja we włosie mogą być związane ze zmianą właściwości fizycznych, chemicznych włosów i w konsekwencji zmienić odczucia konsumentów dotyczące produktów do pielęgnacji, farbowania włosów (np. odczucia dt. koloru).

Konfokalna skaningowa mikroskopia świetlna

Jedną z metod stosowanych do badania absorpcji substancji we włosach jest skaningowa mikroskopia optyczna bliskiego pola (SNOM). Technika ta została tak udoskonalona, aby ominąć zależność długości fali promieniowania padającego na próbkę od rozdzielczości. Pozwala to otrzymywać obrazy bardzo małych obiektów (w tym przypadku elementów struktury włosa). W ten sposób można określić drogi dyfuzji wewnątrz trzonu włosa z rozdzielczością poniżej poziomu odbicia.

Próbki biologiczne mogą być również obserwowane przy użyciu mikroskopii optycznej. W praktyce tylko konfokalna skaningowa mikroskopia świetlna (CLSM) pozwala osiągnąć pożądaną rozdzielczość próbek o dużej gęstości. Zaletą mikroskopii konfokalnej jest również fakt, iż wymaga bardzo małej obróbki próbek, włosy mogą być badane w ich naturalnym środowisku, przy mniejszym zniszczeniu w porównaniu z innymi metodami mikroskopowymi.

Obie metody (SNOM i CLSM) używane są do badania dróg wnikania barwników, np. barwnika fluorescencyjnego (oktadekanoiloaminoflouresceiny) wewnątrz łodygi włosa. Otrzymane przekroje ludzkich włosów pozwalają otrzymać obrazy struktur we wnętrzu włosów, które pokazują drogi przenikania. Cząsteczki barwnika wnikały do osłonki przez endokutikulę i cement międzykomórkowy. Właśnie cement jest główną drogą dyfuzji barwników wewnątrz łodygi włosa.

Mikrospektrofotometria, mikroskopia optyczna

Mikrospektrofotometria jest metodą spektroskopową, łączącą cechy spektrofotometru UV-Vis, z mikroskopią optyczną. Jest często używaną metodą do oceny obecności substancji chemicznych we włosach.

Przykładem może być barwnik: rodamina B. Przenikanie tego związku określano we włosach rozjaśnianych, rozjaśnianych światłem słonecznym, włosach o startych łuskach osłonki, przy użyciu mikrospektrofotometrii.
Jak wskazały eksperymenty barwnik przenikał szybciej w kutikuli niż w warstwie korowej, czyli rodamina B przenika według mechanizmu międzykomórkowego, przez obszary o małej zawartości usieciowanej keratyny, czyli cement międzykomórkowy.

Mikrospetrofotometria jest także używana do badań dyfuzji innych związków np. Polietylenoiminy (PEI). Polietylenoimina używana jest w szamponach, odżywkach do włosów, kosmetykach modelujących, ponieważ silnie wiąże się ze strukturą włosów. PEI jest rozgałęzionym polimerem, z dużą liczbą atomów azotu w cząsteczce, co powoduje, że cząsteczki PEI posiadają dużo ładunków dodatnich. Pozwoliło to opracować metodę barwienia włosów przy użyciu barwników kwasowych (np. orange II) i właśnie PEI jako przeciwjonu. Polietylenoimina przenika do warstwy korowej, co jest czynnikiem decydującym o zwiększonej efektywności barwienia farbami kationowymi.

Kolejnym zastosowaniem mikrospektrofotometrii jest badanie dyfuzji substancji redukujących.

Redukcja jest procesem (zabiegiem kosmetycznym) stosowanym na szeroką skalę w kosmetyce, tj. zabiegiem stosowanym w trwałej ondulacji. Takie substancje jak kwas tioglikolowy, L-cysteina są odpowiedzialne za rozkład wiązań disiarczkowych (-S-S-), umożliwiając trwała zmianę ułożenia fryzury (po etapie redukcji „odtwarza się” wiązania –S-S za pomocą substancji utleniającej, wiązania –S-S powstają w innym miejscu w polimerze alfa-keratyny powodując trwała zmianę ułożenia włosów).

Przenikanie czynników redukujących we włosach może być obserwowane także za pomocą mikroskopii optycznej. Włosy nasącza się roztworem jodyny, następnie stosuje się substancje redukujące i obserwuje zanikanie koloru jodyny w strukturze włosa.

W eksperymentach stosuje się także inne metody barwienia – używa np. barwnika zasadowego.

Tak, więc w pierwszym etapie bada się za pomocą mikroskopii optycznej próbki włosów nasączone roztworami kwasu tioglikolowego, czy L-cysteiny oraz barwnika: błękitu metylenowego (methylene blue). Przekroje włosów, które były wcześniej nasączone czynnikami redukującymi absorbują barwnik w warstwie korowej i medulli, co oznacza, iż kwas tioglikolowy, L-cysteina wnikają w łodygę włosa. Obserwacja tak otrzymanych obrazów umożliwia określenie drogi ich przenikania.

Techniki oznaczania substancji, skaningowa elektronowa mikroskopia

Obok przenikania barwników i innych substancji stosowanych w produktach do farbowania włosów, bada się także wnikanie związków stosowanych w kosmetykach regenerujących, kondycjonujących.

Substancje kondycjonujące, regenerujące są używane na szeroką skalę w kosmetykach do pielęgnacji włosów.

Zabiegi takie jak trwała ondulacja, rozjaśnianie włosów związane są ze zmianami kondycji włosa, na skutek częściowego zniszczenia aminokwasu cysteiny. Ma to swoje odzwierciedlenie w zmianie właściwości fizycznych włosów, jak np. w spadku odporności na zrywanie. Dlatego składniki regenerujące powinny wnikać do wnętrza łodygi włosa.

Hydrolizaty protein, w szczególności niskocząsteczkowe, bądź aminokwasy (w przypadku pełnej hydrolizy protein) mogą oddziaływać na właściwości mechaniczne włosów, co jest właśnie związane z ich obecności – przenikaniem do wnętrza łodygi włosa.

Znaczenie izotopami jest techniką, która może być zastosowana do badania przenikania aminokwasów do wnętrza włosa. Aminokwasy znaczone izotopem węgla 14C mogą posłużyć zarówno do badań przenikania, jak i badań substantywności do włosów.

Aminokwasy znaczone izotopem węgla 14C aplikowane z szamponów, także z odżywek do włosów wnikają do wnętrza łodygi włosa, mniejsza ilość aminokwasów wiąże się natomiast z jego powierzchnią. W badaniach takich wykorzystuje się właściwości izotopu węgla 14C, emituje on charakterystyczne promieniowanie (alfa), które można wykryć stosując odpowiednią aparaturę (licznik scyntylacyjny – fotokomórkę).

Technika z wykorzystaniem znaczenia związków modelowych może być również wykorzystywana do określania drogi dyfuzji cząsteczek środków powierzchniowo czynnych (spc)., surowców stosowanych w prawie każdym rodzaju kosmetyków, odpowiedzialnych m.in. za zwilżanie powierzchni włosa w farbach do włosów.

W eksperymentach stosuje się znaczenie atomem chloru. Chlor przyłącza się do cząsteczki środka powierzchniowo czynnego (np. soli sodowej siarczanu alkoholu dodecylowego oraz soli sodowej oksyetylenowanego siarczanu alkoholu laurylowego). Dyfuzje zmodyfikowanych cząsteczek spc można określić za pomocą elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM) z wykorzystaniem mikroanalizatora rentgenowskiego (EDX).

Mikroskopia elektronowa oparta jest na oddziaływaniu strumienia elektronów z badaną próbką. Podczas kontaktu elektrony (tzw. główne – padające) zostają odbite, bądź wnikają wewnątrz próbki pobudzając tak zwane elektrony drugiego rzędu, oraz promieniowanie rentgenowskie (X). Do obrazowania wykorzystuje się zarówno elektrony główne, jak i elektrony drugiego rzędu. Charakterystyczne dla badanej substancji promieniowanie X może być następnie analizowane przy użyciu metody EDX. Określić można w ten sposób zarówno stężenie, rozkład cząsteczek w próbce. Analizy EDX pozwalają otrzymać profil stężeń w przekrojach łodygi włosów.

Technika SEM/EDX, jak inne opisane powyżej metody, pozwala uzyskać dużą rozdzielczość przestrzenną na obrazie badanej próbki.

Spektroskopia w podczerwieni

Spektroskopia w podczerwieni także jest metodą, która może być wykorzystana w ocenie przenikania substancji chemicznych wewnątrz włosów.

Technika ta pozwala na ominięcie wielu ograniczeń, jak np. brak kontrastu wielu związków organicznych, co uniemożliwia badanie za pomocą mikroskopii optycznej.

Spektroskopia w podczerwieni (IR) w połączeniu z metodą kontrastowania chemicznego pozwala na otrzymanie obrazu przekrojów włosów, bez zmian w strukturze badanych związków. Mikroskopia w podczerwieni łączy spektroskopię IR z mikroskopią optyczną (MS). Metoda ta może być zastosowana do identyfikacji substancji chemicznych oraz przestrzennego rozkładu ich stężenia we włosach. Tradycyjne, cieplne źródło w mikrospektroskopie IR zostaje coraz częściej zastępowane przez źródło promieniowania synchrotronowego, które zapewnia większą jasność. Wewnętrzna struktura łodygi włosa nie może być badana za pomocą tradycyjnego IR, ponieważ takie fragmenty wewnętrznej struktury włosa jak osłonka, medulla są zbyt małe.

Przy użyciu IRMS bada się m.in. obecność peptydów oraz składników lipidowych w strukturze włosa. Na podstawie takich badań widać np., iż stężenie protein w próbce jest mniejsze w medulli niż w warstwie korowej. Otrzymanie takiego wyniku jest możliwe, gdyż kontrast na obrazie pozwala określić rozkład stężeń w badanym przekroju. Także składniki lipidowe, które znajdują się w cemencie międzykomórkowym mogą być oznaczone przy pomocy IRMS.

Utlenianie keratyny, proces chemiczny występujący podczas rozjaśniania włosów także jest badane za pomocą tej metody. Podczas rozjaśniania włosów, cysteina ulega utlenieniu, tworząc charakterystyczne ugrupowanie chemiczne w strukturze włosa. Tak, więc w łatwy sposób można wykryć rozjaśnione (zniszczone) fragmenty włosów z bardzo dużą dokładnością.

Mikroskopia w podczerwieni służy także do badania wpływ innych substancji na włosy, m.in. surowców tłuszczowych pochodzenia roślinnego. Takie produkty są wykorzystywane do regeneracji włosów zniszczonych – wbudowują się w „ubytki” w strukturze włosa.

Podsumowanie

Istnieje wiele prac poświeconych przenikaniu substancji chemicznych w trzon włosa. Opis czynników, dróg przenikania może być pomocne, np. absorpcja składników farb do włosów może być efektywniejsza, przenikanie składników regenerujących, zawartych w kosmetykach do pielęgnacji włosów może wzrosnąć, powodując proces regeneracji bardziej efektywnym.

Badania opisujące drogi przenikania substancji chemicznych wewnątrz włosów mogą także pomóc w poznaniu mechanizmów dyfuzji we włosach.

Istnieją dwie możliwe drogi przenikania wewnątrz włosa. Główna droga przenikania jest droga przez cement międzykomórkowy.

Do oceny tych procesów może być zastosowanych wiele metod analitycznych. Ogólnie, techniki można podzielić na dwie grupy. Metody służące badaniu przenikania, oraz techniki pozwalające określić mechanizmy dyfuzji wewnątrz włosa.

Do pierwszej grupy zaliczają się takie metody jak: skaningowa mikroskopia optyczna bliskiego pola (SNOM), konfokalna skaningowa mikroskopia Świetlna (CLSM) Porównując te metody SNOM pozwala określić drogi dyfuzji wewnątrz trzonu włosa z rozdzielczości poniżej poziomu odbicia (10nm). Stosując CLSM uzyskuje się obrazy o gorszej rozdzielczości. Z drugiej strony CLSM wymaga bardzo małej obróbki próbek, włosy mogą być oglądane w ich naturalnym środowisku, przy mniejszym zniszczeniu w porównaniu z innymi metodami mikroskopowymi, jak np. SEM.

Kolejna opisaną techniką jest wykorzystanie znaczenia związków izotopem węgla 14C. Wadą tej techniki jest to, iż cząsteczki oznaczone izotopami mogą w inny sposób oddziaływać z włosami, niż związki nieoznaczone.

Także spektroskopia w podczerwieni daje możliwość badania dróg przenikania, co ważne bez zmian w cząsteczkach badanych substancji. Metoda ta może być zastosowana do identyfikacji substancji chemicznych oraz miejsca ich występowania w łodydze włosa.

Najbardziej rozpowszechnioną technika badania procesów transportu wewnątrz łodygi włosa jest mikroskopia optyczna. Połączenie tej metody z barwieniem próbek pozwala na obserwacje dróg wnikania substancji do włosa. Co ważne, jest to metoda stosunkowo niedroga.

Druga przedstawiona grupa, to metody, które wykorzystuje się do badania mechanizmów dyfuzji.

Mikrospektrofotometria jest bardzo często wykorzystywana. Możliwe jest otrzymanie profili stężeń, dzięki czemu można obliczyć współczynniki dyfuzji.

Dyfuzje zmodyfikowanych cząsteczek można określić za pomocą elektronowej mikroskopii skaningowej z wykorzystaniem mikroanalizatora rentgenowskiego (EDX). Co także pozwala otrzymać profile stężeń w badanej próbce.

Oczywiście do badania procesów przenikania substancji chemicznych wewnątrz łodygi włosa wykorzystywanych jest wiele innych metod. Praca wskazuje tylko niektóre z nich.

Przedruk z Cosmetic Reporter 9/10 (18/19) październik 2007 (za zgodą Redakcji)