Efeitos da irradiação na morfologia e estrutura do cabelo

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA

MARINA RICHENA

EFEITOS DA IRRADIAÇÃO NA MORFOLOGIA E ESTRUTURA DO CABELO

CAMPINAS 2015

MARINA RICHENA

EFEITOS DA IRRADIAÇÃO NA MORFOLOGIA E ESTRUTURA DO CABELO

Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Ciências

Orientadora: Profa. Dra. Camila Alves de Rezende Profa. Dra. Inés Joekes (in memoriam)

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA MARINA RICHENA E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. CAMILA ALVES DE REZENDE E PROFA. DRA. INÉS JOEKES (IN MEMORIAM)

CAMPINAS 2015

"For transmission electron microscope examinations of the internal structure of human hair sections of between 50 and 100 nm thickness are required. The cutting of these with the aid of an ultramicrotome is not an easy task (dare we say it’s an art!) on account of the hair’s inherent toughness and because embedding resins barely penetrate the fibre surface and do not readily key to it." Professor Dr. J. Allan Swift, in: Morphology and

histochemistry of human hair

Dedico à minha mãe, Lúcia Helena Guion.

Por me incentivar a estudar, ter uma profissão e ser independente.

Por ser um exemplo para mim de mulher forte, corajosa e que não mede esforços para fazer a sua história.

Por me mostrar que é possível se manter firme, persistir e recomeçar em momentos difíceis.

Pelo apoio incondicional,

enfim, por cumprir um papel que vai além do de ser mãe.

A primeira pessoa que eu quero agradecer é a profa. Dra. Camila Alves de Rezende. Agradeço pelo apoio, suporte e por todo o aprendizado que tenho adquirido. A profa. Camila me acolheu em um momento difícil do meu doutorado, direcionou o trabalho e deu uma orientação valiosa para o projeto acontecer.

À profa. Dra. Inés Joekes (in memoriam) por me orientar durante mais de cinco anos. Infelizmente a profa. Inés nos deixou muito cedo, mas levarei seus ensinamentos para sempre dentro de mim.

À profa. Dra. Iris Torriani pelos ensinamentos sobre a técnica de SAXS e por seu entusiasmo contagiante pela pesquisa.

À profa. Dra. Marina Silveira por dedicar bastante do seu tempo ao meu lado, mostrando como se faz cortes ultrafinos de amostras para a técnica de TEM.

Aos docentes do departamento de físico química do Instituto de Química da UNICAMP pelo cuidado e atenção após o falecimento da profa. Inés, em especial, à profa. Dra. Claudia Longo pelos conselhos tão sábios e preciosos.

Aos técnicos, Aline Dalmolin, Andreza Camilotti, Douglas Soares da Silva, Fabiana Favoretto, Simone Perche e Sonia Fanelli por todo o suporte.

Ao suporte técnico que recebi nos laboratórios e institutos de pesquisa: Instituto de ciência e tecnologia de materiais complexos funcionais do Instituto de Química da UNICAMP/SP (INOMAT); Laboratório de análise térmica do Instituto de Química da UNICAMP/SP; Laboratório de biologia celular do Buntantan/SP; Laboratório de espectroscopia no infravermelho e Raman do Instituto de Química da UNICAMP/SP; Laboratório de microscopia eletrônica do Instituto de Física da USP/SP; Laboratório nacional de luz síncrotron em Campinas/SP (LNLS); Laboratório nacional de nanotecnologia em Campinas/SP (LNNano).

Aos órgãos de fomento pelo auxílio financeiro prestado de forma direta ou indireta: CAPES, CNPq, FAPESP, FUNCAMP e FAEPEX.

Aos queridos amigos por compartilharem momentos de alegrias e tristezas.

À minha família, meu pai Benedito Marcos Richena (in memoriam), minha mãe Lúcia Helena Guion, meus irmãos Daniel Gustavo Richena e Lucas Guion Richena e meus sobrinhos Pedro Abruceze Richena e Samanta Richena, por terem me dado o auxílio e carinho necessários para trilhar meu caminho.

Meu agradecimento especial é para a minha cachorrinha Lilith, por me receber em casa todos os dias com tanta alegria, por me distrair das preocupações cotidianas, por todo afeto genuíno que tenho recebido.

Orientadora: Profa. Dra. Camila Alves de Rezende Profa. Dra. Inés Joekes (in memoriam)

Instituto de Química – Universidade Estadual de Campinas C.P.6154, CEP 13084-971, Campinas – SP, Brasil

Resumo

Nesse trabalho, estudou-se o efeito de processos de fotodegradação sobre a morfologia e a ultraestrutura de cabelos pigmentados e não pigmentados. Foram usados cabelos grisalhos e castanhos de dois tipos: 1) cabelo padrão (blenda de fios de várias cabeças) e 2) cabelo comum (fios provenientes de um indivíduo), que foram submetidos a três condições de tratamento: 1) irradiação solar por 75 h; 2) irradiação com lâmpada de mercúrio por 180 h ou mais; e 3) lavagens com solução de dodecil sulfato de sódio. As principais técnicas de análise utilizadas foram microscopia eletrônica de varredura (FESEM) e de transmissão (TEM), microscopia de força atômica (AFM), espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) e espectroscopia de refletância total atenuada na região do infravermelho (ATR-FTIR).

Os resultados de SAXS mostraram que os danos causados pela irradiação ocorrem, sobretudo, na região amorfa do cabelo, sendo que não foram percebidas alterações nas estruturas ordenadas. Além disso, mostraram que há uma estrutura ordenada com espaçamento de 4,8 nm presente em alguns tipos de cabelo. A ocorrência dessa estrutura independe da presença de pigmentos no cabelo e seu número aumenta após a irradiação. Imagens de TEM indicaram que monocamadas de lipídeos presentes na cutícula podem ser responsáveis por esse espalhamento em 4,8 nm.

Alterações na morfologia das camadas cuticulares foram observadas por imagens de FESEM, AFM e TEM. A irradiação danifica a cutícula do cabelo, podendo levar ao aparecimento de cavidades (Ø ~ 20-200 nm) na endocutícula e ao descolamento da camada β (uma das componentes do complexo da membrana celular). Quando lavagens foram feitas entre os ciclos de irradiação, observa-se, além dos danos sofridos pela irradiação, a separação e a retirada das camadas cuticulares dos fios. As imagens de AFM mostraram que a irradiação também leva ao aparecimento de protuberâncias pequenas (até 5 nm de altura) na camada mais superficial da cutícula. Essas protuberâncias podem ser causadas pela oxidação da cistina, presente em grande quantidade na camada mais externa da cutícula, em concordância com os resultados de ATR-FTIR, que mostraram que o principal dano causado pela irradiação é a oxidação da cistina. Os resultados desse trabalho permitem concluir, assim, que a irradiação causa diversos danos na estrutura amorfa do cabelo e que estes danos estão concentrados nas camadas cuticulares, que são as mais externas dos fios.

Abstract

In this work, the effect of photodegradation processes on the morphology and the ultrastructure of pigmented and non-pigmented hair were studied. Two types of gray and brown hair were used: 1) blended hair (including mixed strands from many people) and 2) one donor hair (strands from a single person), which underwent three treatment conditions: 1) solar irradiation for 75 h; 2) mercury lamp irradiation for 180 h or more; and 3) washing with sodium dodecyl sulfate solution. The main analysis techniques used were scanning (FESEM) and transmission (TEM) electron microscopy, atomic force microscopy (AFM), small angle X-ray scattering (SAXS) and attenuated total reflectance with Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR).

SAXS results showed that the damages caused by irradiation take place in the amorphous region of the hair mainly, and changes in the organized structures were not observed. Furthermore, an ordered structure with a 4.8 nm spacing appears in some types on hair. This structure occurs independently of the presence of pigments in hair and their number increases after irradiation. TEM images indicated that monolayers of lipids present in the cuticle may be responsible for this scattering at 4.8 nm.

Changes in the cuticle layers morphology were observed by FESEM, AFM and TEM images. The results showed that irradiation damages the hair cuticle, leading to the formation of cavities (Ø ~ 20-200 nm) in the endocuticle and to the detachment of the β layer (a component of the cell membrane complex). By including washing steps within the irradiation cycles, cuticle layers separation and removal are observed, besides the damages caused by irradiation. AFM images showed that the irradiation also resulted in the formation of small bumps (heights up to 5 nm) on the cuticle surface. These bumps may be formed due to the oxidation of cystine, present in large amounts in the outer cuticle layer, in agreement with the ATR-FTIR results, which showed that the main irradiation damage is caused by cystine oxidation. Therefore, the results of this work show that the irradiation causes different damages to the hair amorphous structure and that these damages are concentrated in the cuticle layers, which are the outer area of the hair strands.

Figura 1: Representação de um fio capilar dentro do folículo ... 30

Figura 2: Micrografia eletrônica de varredura de uma criofratura longitudinal de um fio de cabelo ... 31

Figura 3: Representação esquemática da estrutura morfológica do fio de cabelo, onde estão destacadas as camadas cuticulares e a constituição das células corticais. É importante notar nesse esquema, a escala de tamanhos das estruturas

observadas ... 34

Figura 4: Estrutura morfológica da cutícula. Representação esquemática das células cuticulares em (a) e uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de uma seção transversal ultrafina mostrando as camadas presentes em cada célula cuticular em (b). Na imagem de TEM (b) estão indicadas a endocutícula (E), a

exocutícula (exo), a camada-A (A), a epicutícula e o complexo da membrana celular (cmc), assim como as porcentagens de cistina em cada camada. ... 36

Figura 5: Representação esquemática do complexo da membrana celular que une as células cuticulares ... 38

Figura 6: Estruturas propostas para a eumelanina e para a feomelanina ... 39

Figura 7: Imagem de FESEM da região do córtex de cabelo castanho padrão após descoloração com solução de peróxido de hidrogênio 6% por 4 h. Destaque para os buracos escuros mostrando que os grânulos de melanina foram degradados no

processo de descoloração... 41

Figura 8: Micrografias de FESEM de fios de cabelo padrão castanho antes (a) e após exposição à radiação UV por 700 h e submetidas a ciclos de umidade (UR de 95% e 10%) ... 52

Figura 9: Imagens de AFM de fios de cabelo padrão preto antes (a) e após 160 h de exposição à radiação UV ... 52

cabelo caucasiano e (g-i) fios de cabelo africano. Amostras em (a), (d) e (g) antes da irradiação e em (b), (g) e (h) após 48 h de radiação UVA e em (c), (f) e (i) após 48 h de radiação UVB. ... 53 Figura 11: Mechas (≈ 0,5 g) de fios brancos e pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho. ... 57

Figura 12: Mechas de cabelo branco e preto expostas à radiação solar. ... 59

Figura 13: Espectro de emissão da lâmpada de vapor de mercúrio de 125W. ... 60

Figura 14: Sistema de irradiação com lâmpada de vapor de mercúrio. (a) Vista lateral do sistema; (b) Vista superior do sistema de irradiação. ... 61

Figura 15: (a) Rotor de acrílico usado na preparação das amostras de TEM e (b)

amostras de cabelo inseridas em blocos feitos com resina Spurr. ... 62

Figura 16: (a) Ultramicrótomo Sorvall Porter-Blum MT2-B e (b) navalha de diamante da Drukker com cortes depositados em água destilada. ... 63

Figura 17: Esquema mostrando a preparação de amostras para TEM visando

identificar variações preexistentes dos fios de cabelo. ... 64

Figura 18: Imagem dos três fios de cabelo com um nó em suas regiões centrais que foram colocados no porta-amostra para análise no FESEM. ... 65

Figura 19: (a) Garras pneumáticas especiais para cabelo utilizadas nos ensaios mecânicos de tração e (b) curva de tensão versus deformação típica para um fio de cabelo, com quatro regiões características delimitadas. ... 67

Figura 20: (a) Estação experimental de SAXS na linha SAXS2 do Laboratório

Nacional de Luz Síncrotron. (b) Esquema mostrando o feixe de raios-X incidindo nos fios de cabelo (≈ 100 fios) e sendo espalhado em reflexões equatoriais e

preto, ambos provenientes do cabelo grisalho, e em (c) um fio de cabelo castanho escuro. (Barra de escala: 1 μm.) ... 72

Figura 22: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas da área branca do cabelo grisalho padrão mostrando: (a) estrutura dos remanescentes nucleares (áreas escuras indicadas pelas setas); (b) um exemplo de grânulo de melanina que pode ser encontrado na área branca; (c) melanina fragmentada (indicada pela seta). (Barra de escala: 100 nm) ... 73

Figura 23: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas da área preta do cabelo grisalho padrão mostrando: (a) um grânulo de melanina típico; (b) agregados pequenos formados dentro do grânulo; (c) estrutura ordenada (microfibrilas) dentro do grânulo de melanina (indicada pela seta). (Barra de escala: 100 nm.) ... 73

Figura 24: Resultados de SAXS dos cabelos grisalho padrão e castanho escuro padrão. Difratogramas obtidos em (a) fios brancos e (b) fios pretos, ambos

provenientes do cabelo grisalho, e em (c) fios castanhos; (d) gráficos com valores das reflexões equatoriais dos fios brancos (—), dos fios pretos (—) e dos fios castanhos (—). O gráfico em (d) foi obtido a partir de cortes em regiões de

espalhamento equatorial (setores circulares vermelhos) nos difratogramas (a), (b) e (c). As setas em (b) e (c) indicam o espalhamento em forma de anel em 4,8 nm.

Distância amostra-detector de 0,5 m (faixa de q: 0-6 nm-1). ... 75

Figura 25: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas do córtex de cabelo castanho escuro padrão mostrando: (a) microfibrilas inseridas em uma matriz amorfa; (b) ordenação das microfibrilas. (Barra de escala: 50 nm em (a) e 100 nm

em (b).) ... 76

Figura 26: Resultados de SAXS mostrando a presença do anel em 4,2 nm em um tipo de cabelo branco proveniente do cabelo grisalho comum. (a) difratograma de SAXS; (b) gráfico com valores da integração total do difratograma. A seta em (a) indica o espalhamento em forma de anel em 4,2 nm. Distância amostra-detector de 0,5 m (faixa de q: 0-6 nm-1). ... 78

de SAXS de fios castanhos: (a) antes e (b) após extração dos lipídeos livres com éter por 72 h; (c) gráfico com valores da integração total dos difratogramas (a) e (b). Fios castanhos antes (—) e após a extração com éter (—). As setas em (a) e (b) indicam o espalhamento em forma de anel em 4,8 nm. Distância amostra-detector de 0,5 m (faixa de q: 0-6 nm-1). ... 78

Figura 28: Resultados de SAXS dos lipídeos extraídos. (a) difratograma dos lipídeos livres extraídos com éter do cabelo castanho padrão; (b) gráfico com valores da integração total do difratograma. A seta em (a) indica o espalhamento em forma de anel em 7,7 nm. Distância amostra-detector de 0,5 m (faixa de q: 0-6 nm-1). ... 79

Figura 29: Difratogramas de SAXS obtidos em (a), (d) e (g) fios brancos e (b), (e) e (h) fios pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho padrão, e em (c), (f) e (i) fios castanhos padrão. (a-c) Cabelo não irradiado; (d-f) fios expostos ao sol por 75 h; (g-i) fios expostos à lâmpada de mercúrio por 180 h. ... 81

Figura 30: Intensidade da reflexão equatorial nos difratogramas de SAXS em (a) fios brancos e (b) pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho padrão, e em (c) fios castanho padrão. Amostras de cabelo não irradiadas (—) e irradiadas (- - -) ao sol

por 75 h. ... 82

Figura 31: Intensidade da reflexão equatorial (a-c) e da integração total (d-f) nos difratogramas de SAXS em (a) e (d) fios brancos e (b) e (e) pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho padrão, e em (c) e (f) fios castanhos padrão. Amostras de cabelo não irradiadas (—) e irradiadas (- - -) por lâmpada de mercúrio durante 180 h. ... 82

Figura 32: Difratogramas de SAXS em (a) e (d) fios brancos e (b) e (e) pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho padrão, e de (c) e (f) fios castanhos padrão. (a-c) cabelo não irradiado e (d-f) cabelo irradiado por 600 h com lâmpada de

mercúrio. Distância amostra-detector de 1,5 m (faixa de q: 0–3 nm-1

provenientes do cabelo grisalho padrão, e em (c) e (f) fios castanhos padrão. Amostras de cabelo não irradiadas (—) e irradiadas (- - -) por lâmpada de mercúrio durante 600 h. ... 84

Figura 34: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de um fio de cabelo castanho padrão, mostrando o córtex do mesmo fio em (a) antes e em (b) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio. As imagens mostram a morfologia

dos grânulos de melanina, das microfibrilas e da matriz. (Barra de escala: 200 nm.) .... 86

Figura 35: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de um fio de cabelo castanho padrão, mostrando o córtex do mesmo fio em (a) antes e em (b) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio. Destaque para a morfologia dos

grânulos de melanina. (Barra de escala: 100 nm.) ... 87

Figura 36: Difratogramas de SAXS em (a) e (d) fios brancos e (b) e (e) fios pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho padrão, e em (c) e (f) fios castanhos padrão. (a-c) cabelo sem tratamento; (d-f) cabelo descolorido com solução de peróxido de

hidrogênio de pH = 9,5 por 2 h e 30 min ... 89

Figura 37: Intensidade da reflexão equatorial (a-c) e da integração total (d-f) dos difratogramas de SAXS em (a) e (d) fios brancos e (b) e (e) pretos, ambos provenientes do cabelo grisalho padrão e em (c) e (f) fios castanhos padrão.

Amostras de cabelo não tratadas (—) e descoloridas (- - -) com solução de peróxido de hidrogênio de pH = 9,5.por 2 h e 30 min ... 89

Figura 38: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de fios de cabelo castanho padrão, mostrando o córtex em (a) antes e em (b) após descoloração com solução de peróxido de hidrogênio de pH = 9,5 por 2 h e 30 min. As setas apontam para os grânulos de melanina. (Barra de escala: 500 nm.) ... 91

solução de peróxido de hidrogênio de pH = 9,5 por 2 h e 30 min. As setas mostram em (a) grânulos de melanina intactos e em (b) grânulos de melanina degradados.

(Barra de escala: 200 nm.) ... 92

Figura 40: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de fios de cabelo castanho padrão, mostrando o córtex em (a) antes e em (b) após descoloração com solução de peróxido de hidrogênio de pH = 9,5 por 2 h e 30 min. As imagens

mostram principalmente a morfologia das microfibrilas. (Barra de escala: 200 nm.) ... 93

Figura 41: Imagens de FESEM de cabelo castanho escuro comum: (a) antes do tratamento; (b) após 230 h de irradiação com lâmpada de mercúrio; (c) após 230 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação; (d) após 23 lavagens, mas não irradiado. As setas em (a) e (d) indicam algumas cutículas arrancadas, embora a superfície geral do fio apresente cutículas em bom estado; em (b) e (c) as setas destacam endocutículas expostas na

superfície do fio. (Barra de escala: 20 μm.) ... 98

Figura 42: Imagens de FESEM de cabelo castanho escuro comum: (a) antes do tratamento; (b) após 230 h de irradiação com lâmpada de mercúrio; (c) após 230 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação; (d) após 23 lavagens, mas não irradiado. Setas pretas indicam

endocutículas expostas na superfície do cabelo; Em (a) e (d), os retângulos mostram rachaduras pequenas na superfície do cabelo e em (c) o retângulo destaca uma

célula cuticular se rompendo. (Barra de escala: 5 μm.) ... 99

Figura 43: Imagens de FESEM de cabelo castanho escuro comum: (a) antes do tratamento; (b) após 230 h de irradiação com lâmpada de mercúrio; (c) após 230 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de

irradiação; (d) após 23 lavagens, mas não irradiado. A letra E indica a endocutícula nessas imagens, que é lisa em (a) e (d) e possui cavidades em (b) e (c). (Barra de escala: 2 μm.) ... 100

de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação; (d) após 60 lavagens, mas não irradiado. Destaque para as diferentes

morfologias das endocutículas (E). (Barra de escala: 2 μm.) ... 102

Figura 45: Imagens de FESEM de nós feitos em cabelo castanho escuro comum: (a) antes do tratamento; (b) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio; (c) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação; (d) após 60 lavagens, mas não irradiado. (a) observam-se cutículas fechadas em geral, mas quebradas em algumas regiões (setas); (b) setas indicam endocutículas expostas na superfície do cabelo e o retângulo indica cutículas levantadas; (c) e (d) setas indicam rachaduras grandes presentes nas células

cuticulares. (Barra de escala: 20 μm.) ... 104

Figura 46: Imagens de FESEM de cabelo castanho escuro comum com destaque para as rachaduras grandes presentes na região do nó, mostrando o córtex: (a) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado a cada ciclo de 10 h de

irradiação; (b) após 60 lavagens, mas não irradiado. (Barra de escala: 2 μm.) ... 105

Figura 47: Imagens obtidas por FESEM da superfície de fios de cabelo branco provenientes do cabelo grisalho comum: (a) antes do tratamento; (b) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio; (c) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação; (d) após 60 lavagens, mas não irradiado. Destaque para as diferentes morfologias das endocutículas (E). (Barra de escala: 2 μm.) ... 106

Figura 48: Imagens obtidas por FESEM da superfície de fios de cabelo preto proveniente do cabelo grisalho comum: (a) antes do tratamento; (b) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio; (c) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação; (d) após 60 lavagens, mas não irradiado. Destaque para as diferentes morfologias das endocutículas (E). (Barra de escala: 2 μm.) ... 107

em (b) e (c) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio. Destaque para a morfologia da endocutícula (E). O número 1 representa a célula cuticular mais

externa e o número 2 representa a segunda célula cuticular mais externa em (c) que se torna a mais externa em (b). (Barra de escala: 500 nm.) ... 111

Figura 50: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de um mesmo fio de cabelo castanho comum (fio 1), mostrando as duas últimas camadas cuticulares em (a) antes e em (b) após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio. Destaque para a endocutícula (E) e o complexo da membrana celular (cmc) que une as células cuticulares. (Barra de escala de 200 nm.) ... 112

Figura 51: Micrografia obtida por TEM de seções ultrafinas de cabelo castanho comum irradiado por 600 h com uma lâmpada de mercúrio. As setas indicam a degradação da camada β mais interna presente no complexo da membrana celular (cmc). (Barra de escala de 200 nm.) ... 113

Figura 52: Micrografia obtida por TEM de seções ultrafinas de um mesmo fio de cabelo castanho comum (fio 1): (a) antes e (b) após 600 h de irradiação com uma lâmpada de mercúrio. Destaque para a degradação nas células cuticulares em (b). (Barra de escala de 1 μm.). ... 114

Figura 53: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de um mesmo fio de cabelo castanho comum (fio 1), mostrando as camadas cuticulares em (a) antes e em (b) após 60 lavagens. A letra E indica a posição da endocutícula. (Barra de

escala de 500 nm.) ... 115

Figura 54: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de um mesmo fio de cabelo castanho comum (fio 1), mostrando as camadas cuticulares em (a) antes e em (b) e (c) após 60 lavagens. As setas indicam o complexo da membrana celular (cmc) que possui a função de unir as células cuticulares e a letra E indica a

em (b) após 600 h de irradiação com uma lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação. A letra E indica a posição da endocutícula e as setas em (b) indicam regiões que foram degradadas. (Barra de escala de 500 nm.) ... 117

Figura 56: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de um mesmo fio de cabelo castanho comum (fio 1), mostrando as camadas cuticulares em (a) antes e em (b) e (c) após 600 h de irradiação com uma lâmpada de mercúrio e lavado após cada ciclo de 10 h de irradiação. As setas indicam o complexo da membrana celular (cmc), que possui a função de unir as células cuticulares e a letra E indica a

endocutícula. (Barra de escala de 200 nm.) ... 118

Figura 57: Micrografias obtidas por TEM de seções ultrafinas de fios de cabelo castanho padrão, mostrando as células cuticulares do fio descolorido com solução de peróxido de hidrogênio de pH = 9,5 por 2 h e 30 min. Destaque para a morfologia das endocutículas. (Barra de escala: 500 nm em (a) e (b) e 200 nm em (c) e (d).) ... 120

Figura 58: Resultados de AFM obtidos em dois fios de cabelo castanho escuro padrão antes e após 500 h de irradiação com uma lâmpada de mercúrio: (a) Topografia antes e (b) após a irradiação na mesma área do fio 1; (c) Topografia antes e (d) após a irradiação na mesma área do fio 2; (e) Gráficos da altura da borda da cutícula em posições indicadas pelas linhas numeradas no fio 1 e 2, antes (—) e depois (- - -) irradiação. ... 125

Figura 59: Resultados de AFM da mesma área de um fio de cabelo castanho escuro padrão, antes e após a irradiação com uma lâmpada de mercúrio: (a-c) Imagens de topografia; (d-f) contraste de fase; e (g-i) amplitude obtidos antes (a, d, g), depois de 230 h de irradiação (b, e, h); e depois de 500 h de irradiação (c, f, i). (j-l) gráficos de altura obtidos em (a); (b); e (c). As linhas 1 em (a), 2 em (b) e 3 em (c) indicam a posição dos gráficos de altura obtidos na mesma linha de varredura em (j), (k) e (l), respectivamente. ... 128

de mercúrio: (a) topografia; (b) contraste de fase; e (c) gráfico de altura obtido na

linha preta indicada em (a). A altura das protuberâncias está na faixa de 1 a 5 nm. ... 129

Figura 61: Resultados de AFM obtidos em uma mesma região de um fio de cabelo castanho padrão: Imagens de topografia em (a) antes e após a irradiação com uma lâmpada de mercúrio por (b) 230 h e (c) 500 h, mostrando o aumento das cavidades (indicadas por setas) devido à irradiação. Gráficos de altura em (d), (e) e (f) que foram medidos nos cavidades 1, 2 e 3, respectivamente, antes (—) e após 230 h (—) e 500 h de irradiação (—). A letra R em (a) indica que o mesmo defeito na superfície está presente em todas as imagens. ... 131

Figura 62: Resultados de AFM da mesma área de um fio de cabelo castanho padrão antes e após a irradiação com uma lâmpada de mercúrio: (a-c) Imagens de

topografia; (d-f) amplitude; e (g-i) gráficos de altura. Resultados obtidos antes (a, d, g) e após 230 h (b, e, h) e 500 h de irradiação (c, f, i). A linha 1 em (a), 2 em (b) e 3 em (c) indicam a posição dos gráficos de altura referentes a mesma linha de

varredura em (g), (h) e (i), respectivamente. A letra M em (a) indica um resíduo que é parcialmente degradado pela fotodegradação. ... 132

Figura 63: Espectro de ATR-FTIR para um fio de cabelo castanho escuro comum

antes da irradiação, com as bandas características do cabelo indicadas no espectro. 134

Figura 64: Espectros de ATR-FTIR de fios de cabelo. (a) e (b) Espectros não

normalizados na faixa de 800 - 1350 cm-1 e 1350 - 3000 cm-1 comparando o cabelo antes (—) e após 500 h de irradiação com uma lâmpada de mercúrio (—); (c) e (d) espectro da diferença entre o cabelo sem irradiar e o cabelo irradiado por 500 h. Dois tipos de cabelo foram usados: cabelo castanho padrão (linhas 1) e cabelo castanho comum (linhas 2). Esses espectros são a média obtida para 5 fios de

Tabela 1: Estruturas hidrolisadas dos aminoácidos presentes no fio capilar ... 32

Tabela 2: Quantidades de aminoácidos presentes no fio capilar inteiro e nas regiões da cutícula e do córtex (em µmoL/g de cabelo seco). ... 33

Tabela 3: Valores de distância amostra-detector (D) utilizados e suas respectivas faixas valores de vetor de espalhamento (q) e distância de repetição (d) ... 69

Tabela 4: Diâmetros de fios medidos nas áreas brancas e pretas de um mesmo fio de cabelo grisalho padrão ou comum. Os valores obtidos são médias de 3 pontos medidos em cada região (branca ou preta) e de 35 fios no total. ... 74

Tabela 5: Medidas de tensão máxima, alongamento máximo e módulo de

elasticidade em fios brancos e pretos (provenientes de cabelo grisalho padrão) e de fios de cabelo castanho escuro padrão, obtidas antes e após 600 h de irradiação com lâmpada de mercúrio. Os valores apresentados são médias de ensaios

realizados em 55 fios de cada amostra. ... 95

Tabela 6: Quatro tipos de morfologia de endocutículas (E) observadas em cabelo castanho comum e cabelo grisalho comum. Os quatro tipos de endocutículas representam estágios de degradação de cabelos sem tratamento, irradiados por 230 h ou 600 h, irradiados e lavados e somente lavados. ... 109

18-MEA ácido 18-metileicosanóico

A camada-A

a.a. ao ano

ABIHPEC associação brasileira de indústria de higiene pessoal, perfumaria e cosméticos

AFM microscopia de força atômica

ATR-FTIR espectroscopia de refletância total atenuada na região do infravermelho com transformada de Fourier

cmc complexo da membrana celular

d distâncias de repetição entre elementos estruturais da amostra

dmax valor mínimo de distâncias de repetição entre elementos estruturais da amostra

dmin valor mínimo de distâncias de repetição entre elementos estruturais da amostra

E endocutícula

exo exocutícula

FESEM microscopia eletrônica de varredura com fonte de emissão de campo

HPPC higiene pessoal, perfumaria e cosméticos

IV infravermelho

PVDF fluoreto de polivinilideno

qmin valor mínimo do vetor de espalhamento

RMS rugosidade quadrática média

SAXS espalhamento de raios-x a baixo ângulo

SDS dodecil sulfato de sódio

SEM microscopia eletrônica de varredura

T temperatura

TEM microscopia eletrônica de transmissão

UR umidade relativa

UV ultravioleta

UVA ultravioleta A

UVB ultravioleta B

Vis visível

Θ ângulo de incidência do feixe de raios x

1. Introdução ... 26 1.1. Estrutura e morfologia do fio de cabelo humano ... 29 1.1.1. O córtex ... 33 1.1.2. A cutícula ... 36 1.1.3. O complexo da membrana celular ... 37 1.2. A pigmentação do cabelo ... 39 1.3. Principais modificações do cabelo através de reações de oxidação ... 40 1.3.1. Descoloração com solução de peróxido de hidrogênio ... 40 1.3.2. Fotodegradação com radiação UV ... 41 1.3.3. Revisão bibliográfica sobre o efeito da irradiação no fio capilar ... 45 2. Objetivos ... 55 3. Parte Experimental ... 56 3.1. Preparação e limpeza das amostras... 56 3.2. Medidas do diâmetro do fio ... 57 3.3. Descoloração com solução de peróxido de hidrogênio... 57 3.4. Extração dos lipídeos livres presentes na estrutura do cabelo ... 58 3.5. Irradiação com luz solar ... 58 3.6. Irradiação com lâmpada de vapor de mercúrio ... 59 3.7. Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) ... 61

3.7.1. Preparação das amostras de TEM para identificar variações

pré-existentes dos fios de cabelo ... 63 3.8. Microscopia eletrônica de varredura com fonte de emissão de campo

(FESEM) ... 64 3.9. Microscopia de força atômica (AFM) ... 65 3.10. Ensaios de tração ... 66 3.11. Espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) ... 67 3.12. Espectroscopia de refletância total atenuada na região do infravermelho com transformada de Fourier (ATR-FTIR) ... 69 4. Resultados e discussão ... 70 4.1. Caracterização dos cabelos antes da irradiação ... 71 4.1.1. Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) ... 71 4.1.2. Análise de diâmetros de fios em cabelo grisalho ... 74 4.1.3. Espalhamento de raios-x a baixo ângulo (SAXS) ... 74

4.2.2. Imagens de TEM da região do córtex ... 85 4.2.3. Comparação do córtex dos cabelos descoloridos com os cabelos

irradiados (SAXS e TEM). ... 88 4.3. Efeito da fotodegradação e de lavagens nas camadas cuticulares ... 96

4.3.1. Microscopia eletrônica de varredura com fonte de emissão de campo (FESEM) ... 96 4.3.2. Imagens de TEM das células cuticulares ... 110 4.3.3. Comparação da cutícula dos cabelos descoloridos com os cabelos

irradiados (TEM). ... 119 4.4. Efeito da fotodegradação na superfície da cutícula do cabelo ... 122 4.4.1. Microscopia de força atômica (AFM) ... 122 4.5. Modificações químicas na estrutura da cutícula de cabelos irradiados ... 133

4.5.1. Espectroscopia de refletância total atenuada na região do infravermelho com transformada de Fourier (ATR-FTIR) ... 133 5. Conclusões ... 137 6. Referências bibliográficas ... 141

1.

Introdução

A exposição do cabelo à radiação solar pode causar danos a sua estrutura e morfologia, degradando proteínas, lipídeos e pigmentos presentes no fio capilar. As consequências desse processo são ressecamento, opacidade, perda de resistência mecânica, mudança de cor e o aparecimento de rugosidade na superfície [1]. Esses efeitos são acumulativos, uma vez que o cabelo é formado por tecido morto e não possui a capacidade de se regenerar. Assim, danos à estrutura do fio capilar são indesejáveis, já que a boa aparência do cabelo está relacionada com a autoestima e a sensação de higiene e bem estar de cada indivíduo.

A preocupação das pessoas com a boa aparência é indicada pelos dados do mercado brasileiro no setor de higiene pessoal, perfumaria e cosméticos (HPPC). Segundo dados da Associação Brasileira de Indústria de Higiene Pessoal, Perfumaria e Cosméticos (ABIHPEC), o setor de HPPC apresentou crescimento bem mais vigoroso no período de 2007-2013 do que o restante da indústria brasileira (9,2% a.a. de crescimento médio nesse setor contra 2,8% a.a. do produto interno bruto (PIB) total e 1,9% a.a. da indústria em geral) [2]. Em 2014, o Brasil ocupou o terceiro lugar global no mercado consumidor de itens de HPPC, atrás da China (2°) e dos Estados Unidos (1°), representando 9,5% do consumo mundial e 54,5% do mercado latino americano. Além disso, o Brasil ocupa, desde 2010, o segundo lugar global no consumo de produtos para o cabelo [3].

Alguns dos produtos para cabelo alegam ter atributos de protetor solar, embora sua eficácia ainda não tenha sido comprovada e haja poucos artigos científicos relevantes que caracterizam os cabelos irradiados [4, 5]. Assim, ainda não se sabe quais são todas as reais alterações ocasionadas no fio capilar devido à exposição solar, o que dificulta a adoção de medidas preventivas. O grupo de pesquisa em físico química aplicada que foi coordenado pela professora Inés Joekes (Instituto de Química (IQ) da UNICAMP) iniciou o estudo do efeito da radiação solar no cabelo nos anos 80 e três trabalhos relevantes [6, 7, 8] nessa área de fotodegradação capilar foram publicados pelo grupo na década de 2000, que se encontram entre os mais citados da pesquisadora.

A pesquisadora Ana Marta Fernandes Tucci, em seu trabalho de mestrado [9], fez o primeiro estudo na área de fotodegradação capilar no grupo de físico química aplicada do IQ. Tucci irradiou amostras de cabelos padrão castanho e loiro caucasianos (De Meo Brothers Inc.)I com uma lâmpada de vapor de mercúrio sem o bulbo externo por até 120 h. A retirada do bulbo externo da lâmpada foi realizada porque se acreditava que ele barrava a radiação UVB. Os resultados mostraram que, quando os desvios padrão das medidas são considerados, os cabelos irradiados não perdem a resistência mecânica à tração quando comparados aos cabelos não tratados. Essas medidas foram realizadas a 100% de umidade relativa (UR) em máquina universal de ensaios com garras de PVC, que permitiram a realização de testes com fios individuais. Também nesse trabalho, foi realizado o estudo de alterações estruturais do cabelo por processos de irradiação através de difração de raios-X e uma pequena variação nas distâncias de separação das cadeias polipeptídicas foi detectada. Esse trabalho sugere, assim, que a irradiação pode causar alterações nas estruturas ordenadas do fio capilar.

Outro trabalho do grupo da professora Inés Joekes que aborda o efeito da radiação no cabelo é a tese de doutorado da pesquisadora Carla Scanavez [10]. Scanavez explorou a alteração de cor do cabelo castanho caucasiano de um indivíduo após irradiação com uma lâmpada de mercúrio sem o bulbo externo por até 48 h. Nesse trabalho, comparou-se pela primeira vez no grupo a intensidade de radiação da lâmpada e a do sol, mostrando que a radiação UVA emitida pela lâmpada é cerca de seis vezes menor que a mesma emitida pelo sol (valor medido em  = 365 nm). Os resultados desse trabalho mostraram que o cabelo varia significativamente de cor após ser irradiado, assumindo tons amarelados principalmente.

Um estudo mais detalhado sobre a variação de cor de cabelos após a exposição à radiação solar e a uma lâmpada de mercúrio foi realizado pela pesquisadora Ana Carolina Nogueira dos Santos em seus trabalhos de mestrado e

I_{O cabelo padrão é universalmente utilizado em pesquisas na área de cabelo e as empresas} que o comercializam garantem que ele nunca foi submetido a qualquer tratamento químico. Cada mecha de cabelo padrão é uma junção de fios de vários indivíduos com cabelos de características semelhantes, o que faz com que a mecha contenha fios com genótipos diferentes. Esse tipo de cabelo é utilizado para garantir a reprodutibilidade dos resultados obtidos no conjunto da mecha, independente da variabilidade genética dos fios.

doutorado [11, 12]. Nogueira estudou cabelos padrão caucasianos de diferentes pigmentações (castanho, ruivo, loiro e grisalho) e expôs esses cabelos à radiação de diferentes comprimentos de onda. Também, fez um estudo detalhado comparando a intensidade da radiação emitida pela lâmpada com a do sol. A pesquisadora mostrou que a lâmpada sem o bulbo externo não estabiliza sua intensidade de radiação mesmo após permanecer por 1 h ligada, pois a função do bulbo é manter uma alta temperatura no tubo de descarga da lâmpada, reduzindo sua perda de calor para o exterior. Além disso, a radiação UVB emitida pela lâmpada com o bulbo externo foi de ≈ 0,73 mW cm-2

(valor medido na faixa de 260 a 330 nm), mostrando que essa lâmpada emite UVB, embora a emissão seja de baixa intensidade. Assim, após esses experimentos, a lâmpada de mercúrio passou a ser usada nos estudos de irradiação de cabelo sempre com o bulbo externo. Outro benefício da lâmpada de mercúrio é que ela não esquenta tanto (T ≈ 30 °C) quanto à lâmpada de xenônio (T ≈ 50 °C). Embora a lâmpada de Xe apresente um espectro mais parecido com o espectro solar e seja bastante utilizada como simulador desse tipo de radiação, ela pode danificar as amostras de cabelo por alta exposição ao calor. Por fim, nesse trabalho, foi estabelecido que oito horas de exposição à lâmpada de mercúrio equivalem a um dia de exposição ao sol.

Os resultados de Nogueira mostraram que a variação de cor é observada para todos os tipos de cabelo a partir de 224 h de exposição à lâmpada e 91 h de exposição ao sol, sendo a radiação UVA a principal responsável pela alteração na cor dos cabelos. Verificou-se também que cabelos claros são mais sensíveis à variação de cor devido a processos de fotodegradação do que cabelos escuros. Outro ponto importante desse trabalho foi mostrar que as tendências de variação de cor dos cabelos após exposição a uma lâmpada de mercúrio são as mesmas observadas após exposição ao sol. Além disso, um resultado surpreendente que aparece no trabalho da pesquisadora é o desamarelecimento do cabelo branco após a radiação solar, quando se acreditava que ele iria amarelar nesse processo.

Meu trabalho de mestrado investigou mais profundamente o comportamento do cabelo branco irradiado [13]. Foram utilizados cabelos brancos de dois tipos: 1) cabelo padrão caucasiano (mais amarelado); e 2) cabelo comum de um indivíduo (menos amarelo), que foram submetidos à lâmpada de mercúrio e ao sol. Os resultados mostraram que o amarelecimento inicial do cabelo branco é um

fator determinante na sua variação de cor após irradiação. O cabelo branco inicialmente pouco amarelado tornou-se mais amarelado após irradiação, enquanto o cabelo branco que se encontrava mais amarelado inicialmente, desamarelece com a irradiação. Os resultados de variação de cor do cabelo branco exposto ao sol concordaram com os resultados de exposição à lâmpada de mercúrio. Nesse trabalho, tentou-se identificar também os cromóforos amarelos presentes no cabelo branco amarelado através de hidrólise básica, uma técnica muito utilizada para solubilizar estruturas formadas por queratina. A tentativa, no entanto, não foi bem sucedida, e os cromóforos não foram detectados, provavelmente porque as condições severas requeridas para a hidrólise básica do cabelo resultaram na decomposição de produtos de degradação instáveis.

As variações de cor do cabelo após irradiação foram assim bastante estudadas pelo grupo de pesquisa de físico química aplicada [6, 7, 8, 14], mostrando que o fio capilar interage com a radiação solar. Porém, existia uma falta de conhecimento sobre alterações morfológicas e estruturais dos fios irradiados, de onde surgiu o objetivo de pesquisa dessa tese de doutorado. A grande dificuldade em estudos morfológicos de cabelo é a variabilidade preexistente presente nas amostras, pois, é muito difícil comprovar que as alterações foram causadas por um tratamento e não são variações já existentes na amostra. O objetivo desse trabalho foi, assim, investigar a morfologia e a ultraestrutura de cabelos pigmentados e não pigmentados, submetidos a processos de irradiação. Para essa finalidade, utilizou-se o conhecimento de 15 anos de estudo na área adquirido pelo grupo pesquisa da professora Inés Joekes e, também, procurou-se metodologias experimentais que superassem a dificuldade de analisar uma amostra tão heterogênea como o cabelo humano.

1.1. Estrutura e morfologia do fio de cabelo humano

O fio de cabelo é formado a partir da papila dérmica e cresce em regiões chamadas folículos. Estes folículos estendem-se pela derme e passam pela epiderme até atingirem a superfície da pele (Figura 1). O fio capilar de pessoas adultas pode possuir diâmetro entre 40 e 120 μm e, também, pode ser liso, crespo ou ondulado, dependendo da genética de cada indivíduo. Ademais, existem cabelos de cores diferentes devido a diferentes tipos e quantidades de pigmentos formados

nos melanócitos. Os fios de cabelo são anexos cutâneos que possuem função de regulação térmica, protegendo a cabeça contra a radiação solar [15].

Figura 1: Representação de um fio capilar dentro do folículo. Adaptado de Robbins [15].

Cada fio de cabelo (Figura 2) é formado principalmente por uma região interna, o córtex, protegido por uma camada externa de células cuticulares. Outra região que pode estar presente nos fios é a medula, que se localiza no centro do fio e é formada por vacúolos preenchidos de ar [15]. Nem todos os fios possuem medula e sua função ainda não está bem estabelecida na literatura.

Figura 2: Micrografia eletrônica de varredura de uma criofratura longitudinal de um fio de cabelo [16].

As estruturas das cutículas, córtex e medula são formadas majoritariamente por proteínas, principalmente por queratina, que compõe de 65 a 95% do fio [15]. A Tabela 1 mostra as estruturas hidrolisadas dos aminoácidos constituintes das proteínas do fio capilar. As queratinas se distinguem de outras proteínas por seu alto teor de ligações de dissulfeto (S-S), provenientes do aminoácido cistina. Estas ligações formam uma rede de ligações cruzadas e conferem ao material certa resistência mecânica e química [17]. Essas ligações cruzadas estão presentes extensivamente na cutícula, como pode ser observado na Tabela 2, já que nessa região está presente a maior quantidade de cistina. Ademais, observa-se na região da cutícula uma maior quantidade de serina, glicina e prolina do que no córtex. Sendo constituídos por quantidades diferentes de aminoácidos, as cutículas e o córtex possuem reatividades químicas diferentes. Além de proteínas, há também água (≈ 15% do fio), lipídeos (≈ 2% do fio) e traços de metais no cabelo [15].

Tabela 1: Estruturas hidrolisadas dos aminoácidos presentes no fio capilar [15]. A lifá tico s A romát icos Het e rocí cli co s Di b á sicos Di á cido s P o ssu i OH P o ssu i S

Tabela 2: Quantidades de aminoácidos presentes no fio capilar inteiro e nas regiões da cutícula e do córtex (em µmoL/g de cabelo seco) [15, 18].

Aminoácido Fio capilar inteiro (µmol g-1) [15] Região da cutícula (µmol g-1) [18] Região do córtex (µmol g-1) [18] Glicina 463-560 836 368 Alanina 314-384 500 370 Valina 470-513 644 374 Isoleucina 244-366 186 172 Leucina 489-529 404 466 Fenilalanina 132-226 115 126 Tirosina 121-195 134 162 Prolina 374-708 900 532 Triptofano 20-64 - - Lisina 130-222 331 172 Arginina 499-620 289 496 Histidina 40-86 53 65 Ácido aspártico 292-578 300 416 Ácido glutâmico 930-1036 848 930 Treonina 588-714 412 580 Serina 705-1091 1628 850 Cisteína 41-66 - - Cistina 1380-1512 1880 1350 Metionina 47-67 39 9

1.1.1. O córtex

O córtex constitui cerca de 80% da massa do fio capilar e é responsável pelas propriedades mecânicas do cabelo [15, 19]. É formado por queratina ordenada inserida em uma matriz de queratina amorfa, sendo que a razão entre queratina amorfa e ordenada é geralmente maior do que 1,0 [15]. O córtex contém também remanescentes nucleares, grânulos de melanina e o complexo da membrana celular (cmc). Os remanescentes nucleares são regiões derivadas da extinção do núcleo celular no processo de fibrilação da célula epitelial (local onde são originadas as

estruturas capilares). Os grânulos de melanina ficam dispersos pela estrutura do córtex e são responsáveis pela coloração do cabelo. Por fim, o cmc tem a função de unir as células corticais vizinhas.

A queratina ordenada é formada por macrofibrilas (≈ 200 nm de diâmetro) alinhadas na direção do fio, que consistem de microfibrilas (≈ 7 nm de diâmetro), que por sua vez, são formadas por protofibrilas (diâmetro de 4,5 nm) [20, 21]. Já as protofibrilas são formadas por protofilamentos (≈ 2 nm de diâmetro) e cada protofilamento é formado por queratinas em α-hélices, como está representado na Figura 3 [22, 23, 24]. Entre essas estruturas existe uma matriz de queratina amorfa que possui a função de manter as estruturas fibrilares unidas.

Figura 3: Representação esquemática da estrutura morfológica do fio de cabelo, onde estão destacadas as camadas cuticulares e a constituição das células corticais. É importante notar nesse esquema, a escala de tamanhos das estruturas observadas. Adaptado de Popescu e colaboradores [25].

Microscopia eletrônica e difração de raios-X foram as principais técnicas usadas para elucidar a estrutura ordenada da queratina. Street e Astbury [22], na década de 1930, realizaram os primeiros estudos sobre a estrutura da queratina, utilizando difração de raios-X e ensaios mecânicos de tração. Os pesquisadores

estudaram mudanças nos difratogramas de raios-X de acordo com o estiramento de fios capilares. Esses trabalhos mostraram que a queratina do cabelo pode se organizar de duas maneiras, denominadas α e β. A estrutura β contém cadeias estendidas em um arranjo de lâminas pregueadas, enquanto a estrutura α é helicoidal. Além disso, mostraram que a estrutura α é mais elástica do que a estrutura β.

Pauling e colaboradores [23] publicaram, na década de 1950, um dos primeiros trabalhos relacionando as reflexões observadas nos difratogramas de raios-X com a estrutura ordenada das queratinas. O modelo proposto por esses pesquisadores sugere que a estrutura secundária das queratinas é baseada na α-hélice. Nesse mesmo período, Rogers [20] foi um dos pioneiros a mostrar, por imagens de microscopia eletrônica de transmissão, a presença de estruturas fibrilares alinhadas na direção do eixo do fio capilar e inseridas em um material amorfo. Essas estruturas fibrilares são denominadas de microfibrilas. Também, por imagens de microscopia eletrônica de transmissão, Fraser e colaboradores [26] observaram que as microfibrilas são formadas por estruturas menores, denominadas protofibrilas.

Os artigos mais recentes [21, 27] utilizaram a técnica de espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS) para estudar a estrutura ordenada da queratina. Essa técnica fornece informações sobre as periodicidades mais relevantes da estrutura, sendo possível estudar microfibrilas, protofibrilas e protofilamentos. Os pesquisadores Jean Doucet e Fátima Briki possuem trabalhos importantes nessa área [28, 29, 30, 31], sendo que um de seus trabalhos propõe uma modelagem matemática baseada no conceito de paracristal para descrever os resultados dos difratogramas de SAXS do cabelo. Deve-se ressaltar que o espalhamento coerente (ou seja, o sinal de difração) de todas as estruturas (ordenadas e desordenadas) presentes em um fio de cabelo somam-se em um mesmo difratograma e a análise requer experimentos cuidadosamente planejados e métodos matemáticos complexos para diferenciar os diferentes sinais. O modelo matemático usado por esses pesquisadores traz informações sobre a porcentagem de material desordenado e ordenado presente no fio capilar, além de informações sobre como essas estruturas estão organizadas [28].

1.1.2. A cutícula

A cutícula [15] é a camada mais externa do fio capilar e representa aproximadamente 15% de sua massa. Ela é constituída por material proteico e amorfo [18], e possui um grande teor de cistina, conforme pode ser observado na penúltima linha da Tabela 2. Cada fio capilar é formado por 5 a 10 células cuticulares sobrepostas, como mostra a representação esquemática na Figura 4(a). Cada célula cuticular possui ≈ 60 μm de comprimento, porém, apenas ≈ 5 μm ficam expostos na superfície (Figura 4(a)), sendo que as margens livres estão orientadas em direção à ponta do fio [32]. As funções da cutícula incluem regular a entrada e a saída de água, permitindo manter as propriedades físicas do fio, além de formar uma barreira protetora, o que pode, por exemplo, minimizar processos químicos e físicos agressivos ao córtex. Além disso, ela influencia as propriedades superficiais do cabelo, como o brilho e o coeficiente de atrito entre os fios capilares e, por ser transparente e não pigmentada, nos permite ver a cor do fio [15, 33].

Figura 4: Estrutura morfológica da cutícula. Representação esquemática das células cuticulares em (a) [32] e uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de uma seção transversal ultrafina mostrando as camadas presentes em cada célula cuticular em (b). Na imagem de TEM (b) estão indicadas a endocutícula (E), a exocutícula (exo), a camada-A (A), a epicutícula e o complexo da membrana celular (cmc), assim como as porcentagens de cistina em cada camada.

Cada uma das células cuticulares está dividida em quatro camadas que possuem uma composição química distinta e que são indicadas na Figura 4(b): 1) a endocutícula (E), que é a camada mais interna, feita de material não-queratinizado e que possui baixa quantidade de cistina (≈ 3% m/m); 2) a exocutícula (exo) e 3) a camada-A (A), que são camadas mais reticuladas e com alto conteúdo de cistina (≈ 15% e ≈ 30% m/m, respectivamente) e 4) a epicutícula, que é a camada mais externa da célula cuticular, fina (≈ 10 nm), rica em cistina (≈ 12% m/m) e que possui lipídeos livres (≈ 25% m/m). É importante ressaltar que, quanto maior o teor de cistina nessas camadas, maior a sua hidrofobicidade. Além dos lipídeos livres, lipídeos ligados (ácido 18-metil eicosanóico, 18-MEA) também podem estar presentes na superfície da epicutícula, formando uma monocamada lipídica [15, 33, 34, 35]. Nas células cuticulares mais externas, essa monocamada é superficial, enquanto nas células mais internas, os lipídeos ligados formam uma camada, chamada de camada , que compõe o complexo da membrana celular (cmc). O cmc possui a função de unir células cuticulares vizinhas e sua estrutura será mais detalhada a seguir. O estudo do efeito da radiação sobre as diferentes camadas da cutícula é extremamente importante, devido ao seu papel de proteção para as estruturas internas do cabelo.

1.1.3. O complexo da membrana celular

O complexo da membrana celular [15] representa cerca de 2% em massa do fio e possui a função de unir as células do cabelo. Dessa maneira, a literatura descreve a presença de três tipos de cmc presentes no fio capilar: 1) cmc entre cutículas; 2) cmc entre células do córtex; e 3) cmc entre células da cutícula e do córtex [35]. A estrutura geral do cmc é formada por duas camadas: a camada δ (15 nm), composta principalmente por proteínas e polissacarídeos, e as camadas β (2,5–5,0 nm de espessura cada), formadas por lipídeos. A camada δ está intercalada entre as duas camadas β, uma mais interna e outra mais externa [35]. Sendo que a camada β mais interna se situa mais perto da região central do fio e a camada β mais externa encontra-se mais próxima da superfície.

A composição da camada δ ainda não está totalmente determinada, mas há evidências da presença de glicoproteínas nessa camada. As glicoproteínas são

substâncias geralmente encontradas em membranas por possuírem uma função adesiva entre camadas adjacentes. As duas camadas β presentes entre as cutículas são formadas por lipídeos covalentemente ligados à epicutícula do cabelo. A epicutícula é uma fina camada que cobre toda a parte externa de cada célula cuticular. A diferença entre as duas camadas β são os tipos de lipídeos que as compõem. A camada β mais interna é formada por lipídeos 18-MEA covalentemente ligados à queratina do cabelo por ligações tioéster (conforme representado pela região tracejada em vermelho na Figura 5). Já a camada β mais externa não contém o 18-MEA e é formada por outros lipídeos (palmíticos, esteáricos, oleicos e outros) ligados à queratina do cabelo através de ligações éster e/ou amida (região tracejada em azul na Figura 5). Esses lipídeos ligados covalentemente formam uma monocamada na camada β, sendo que a distância estimada entre as cadeias de 18-MEA é de aproximadamente 1 nm, como proposto por Negri e colaboradores [36]. Entre as cadeias de lipídeos ligados, encontram-se também lipídeos livres, como representado na Figura 5. Por fim, as camadas β da cutícula interagem com a camada δ (central) através da parte apolar das cadeias lipídicas, mantendo-as unidas por interações de van der Waals.

Figura 5: Representação esquemática do complexo da membrana celular que une as células cuticulares. Adaptado de Robbins [35].

As camadas β presentes entre as células corticais são formadas por lipídeos livres, não covalentemente ligados à queratina do cabelo. Esses lipídeos

são ácidos graxos, colesterol, sulfato de colesterol e ceramida e formam uma bicamada. No caso das camadas β entre cutículas e córtex, a camada β mais interna é formada por lipídeos não ligados organizados em bicamadas, como no córtex, mas com a camada β mais externa formada por lipídeos ligados, como na cutícula.

1.2. A pigmentação do cabelo

A cor do cabelo baseia-se majoritariamente na presença de grânulos de melanina que representam cerca de 3% em massa do fio capilar. Esses grânulos se encontram aleatoriamente distribuídos no córtex e possuem formato oval ou esférico de 0,05 a 0,8 µm de diâmetro [15]. Podem ser observados dois tipos de melanina no córtex: 1) a eumelanina, cuja cor varia do preto ao marrom; e 2) a feomelanina, cuja cor varia do amarelo ao marrom-avermelhado. As estruturas químicas da eumelanina e da feomelanina ainda não estão bem definidas, devido à dificuldade em isolar os grânulos. Apesar dessa dificuldade, existem algumas propostas na literatura, como as mostradas na Figura 6 [37, 38].

Figura 6: Estruturas propostas para a eumelanina e para a feomelanina. Adaptado de Ito e Wakamatsu [39].

Tanto as eumelaninas quanto as feomelaninas são produzidas nos melanócitos localizados no bulbo do folículo (Figura 1). Começando com o aminoácido tirosina, são produtos de um complexo caminho bioquímico chamado

melanogênese. Os melanócitos transferem melanina para os queratinócitos corticais da haste do cabelo. Este processo envolve pelo menos três enzimas: 1) tirosinase; 2) ácido 5,6-diidroxindol-2-carboxílico oxidase; e 3) tautomerase de diihidroxifenilalanina [40]. Observou-se que a atividade do melanócito no bulbo capilar é um processo cíclico e a melanogênese ocorre simultaneamente ao ciclo de crescimento do cabelo, a queratinização [41].

1.3. Principais modificações do cabelo através de reações de

oxidação

Reações de oxidação ocorrem quando espécies reativas de oxigênio estão envolvidas no processo de degradação do cabelo. Esse processo pode acontecer principalmente via oxidação química, utilizando-se, por exemplo, solução de peróxido de hidrogênio, ou via oxidação fotoquímica, através da exposição do cabelo à radiação proveniente de fontes artificiais ou naturais. Esses são os dois processos de degradação por reações de oxidação mais estudados e relatados na literatura de cabelo.

1.3.1. Descoloração com solução de peróxido de hidrogênio

O peróxido de hidrogênio (H2O2) é um agente oxidante utilizado para clarear o cabelo, cuja ação degrada os grânulos de melanina [15, 42]. A Figura 7 mostra um exemplo do efeito da descoloração de um cabelo castanho padrão com solução de peróxido de hidrogênio 6% por 4 h, em que os buracos escuros na imagem de microscopia eletrônica de varredura são consequência da degradação dos grânulos de melanina [43]. Para que isso aconteça, são necessárias condições drásticas (pH entre 9 e 11) e, simultaneamente, ocorrem reações com as proteínas e lipídeos do cabelo.

Uma rota para a degradação dos grânulos de melanina foi proposta por Thiyagarajan e colaboradores [44]. Essa rota consiste na desaglomeração da estrutura das melaninas pela solução de H2O2, fazendo com que o grânulo se torne menor e o fio capilar mais claro. Além dos grânulos de melanina, as proteínas do cabelo possuem grande quantidade de grupos oxidáveis, por exemplo, ligações dissulfídicas (como mostra o esquema 1 a seguir) [15], por este motivo, as proteínas

também são degradadas durante o clareamento do cabelo [42]. Além disso, o tratamento feito com esse produto causa danos em componentes como o complexo da membrana celular, a matriz, a camada A, a exocutícula e a endocutícula [15].

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Figura 7: Imagem de FESEM da região do córtex de cabelo castanho padrão após descoloração com solução de peróxido de hidrogênio 6% por 4 h. Destaque para os buracos escuros mostrando que os grânulos de melanina foram degradados no processo de descoloração [43].

1.3.2. Fotodegradação com radiação UV

A fotoquímica pode ser responsável pela iniciação das reações de degradação, pois a radiação ultravioleta (UV) possui energia suficiente para romper ligações covalentes e formar radicais livres, que são compostos muito reativos. Por este motivo, há muitos estudos focados na fotodegradação de materiais [45].

As reações fotoquímicas ocorrem com a participação de uma molécula ou espécie química em um estado eletrônico excitado (substância iniciadora* no esquema 2) [45]. Estes estados excitados podem ser gerados pela absorção de luz (hʋ) nas faixas de comprimento de onda que vão do UV ao visível (Vis) ou pela energia liberada em reações químicas [46]. Portanto, o mecanismo de fotodegradação envolve a formação de radicais livres como uma consequência da excitação de cromóforos, conforme mostra o esquema 3. Além disso, quando a molécula está no seu estado excitado, também pode decair para o seu estado fundamental dissipando energia, com ou sem emissão de luz, ou sofrer reações químicas.

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O comportamento mais comum observado em materiais é a cisão homolítica, que corresponde à quebra da ligação covalente, com um elétron permanecendo ligado a cada fragmento, formando dois radicais livres (A● e B● no esquema 3) [45]. Este rompimento pode ocorrer na cadeia principal ou em grupos laterais. Após a formação dos radicais livres, a reação radicalar pode se propagar ou pode haver recombinação intra ou intermolecular dos radicais.

Na ausência de oxigênio, existem dois mecanismos de propagação: 1) a reticulação; e 2) a cisão-β [46]. A primeira ocorre com a recombinação intermolecular dos radicais, resultando em um aumento da massa molar, um exemplo em uma cadeia carbônica, em que R representa um grupo lateral, é mostrado no esquema 4. A segunda consiste em uma redução acentuada da massa molar acompanhada da formação de insaturações terminais, esquema 5.

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Os materiais orgânicos, também, podem passar por reações de degradação pelo mecanismo de eliminação [46]. Neste tipo de reação, ocorre o rompimento da ligação do átomo da cadeia principal com um substituinte (-C-R), seguido da quebra de uma ligação C–H e formação de uma ligação dupla C=C. Dessa forma, não se observa uma redução da massa molar média do material, esquema 6. A reação se propaga formando uma sequência de ligações duplas conjugadas. O efeito macroscópico mais evidente é a formação de cor.

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6 e inação

Esquema

Na presença de oxigênio ocorre a auto-oxidação [46]. Ela se iniciará a partir de uma reação de um radical com a molécula de O2, composto altamente reativo, formando o radical peroxila (AOO● ou BOO●), um exemplo em uma cadeia carbônica é mostrado no esquema 7. Na propagação, o radical peroxila reagirá com outra cadeia, esquema 8, ou outro segmento da mesma cadeia polimérica, abstraindo um hidrogênio, formando um hidroperóxido (AOOH ou BOOH) e um novo

radical. A energia da ligação O–O do hidroperóxido é muito baixa e, assim, ele se decompõe facilmente formando, por exemplo, AO● e ●OH.

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A terminação destas reações [45] ocorrerá pela recombinação de dois radicais livres, esquema 9. Por exemplo:

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A absorção de luz é necessária para a ocorrência de reações fotoquímicas em materiais orgânicos e ligações como, C–C, C–H, O–H absorvem luz abaixo de 200 nm, portanto, não são responsáveis pela iniciação das reações de degradação devido a exposição à radiação solar. Os grupos químicos mais comuns que serão responsáveis pela absorção de luz na região do espectro solar são as ligações duplas conjugadas, os anéis aromáticos e as carbonilas [46].

1.3.3. Revisão bibliográfica sobre o efeito da irradiação no fio

capilar

No site da “web of science” foram encontrados 196 artigos e 106 patentes com as palavras-chave “cabelo humano” e “radiação solar” e 780 artigos e 356 patentes com as palavras-chave “cabelo humano” e “ultravioleta” II, mostrando que há uma quantidade significativa de trabalhos que estudam o efeito da irradiação no fio capilar [47]. As patentes [48, 49, 50, 51] mostram diferentes substâncias químicas que podem ser inseridas em formulações cosméticas e usadas com a finalidade de proteger o cabelo ou a pele da radiação solar. Essas substâncias absorvem radiação na faixa do ultravioleta ou são antioxidantes. As patentes, porém, não descrevem testes sobre a eficiência desses ativos na proteção dos fios capilares. Os artigos para a revisão bibliográfica foram escolhidos de acordo com os avanços científicos que eles geraram na área de fotodegradação capilar. Também, tentou-se dar um enfoque para a literatura mais recente. Importantes modificações químicas e físicas são descritas nesses artigos, deixando bem claro que a radiação solar causa danos à estrutura capilar.

Alterações químicas causadas no cabelo devido a processos de irradiação

O processo mais descrito na literatura de fotodegradação capilar é a oxidação do aminoácido cistina e formação de ácido cisteico. Bahl e Robbins em 1984 [52] investigaram essa reação de oxidação através da técnica de espectroscopia eletrônica por análise química (ESCA). Essa técnica foi utilizada para estudar alterações químicas no fio intacto, sem a necessidade de solubilizar o cabelo, sendo que as medidas atingem uma profundidade de 20 a 30 Å. Dessa maneira, foram realizadas medidas na superfície do fio capilar e nas regiões internas através de cortes transversais do fio. Para esse trabalho, foram utilizadas amostras de cabelo comum, que foram irradiadas por duas lâmpadas (modelo XX 15C da Ultra-Violet Products, Califórnia/ EUA), que emitem radiação na faixa UV, com

II _{Busca de artigos usando as estratégias: 1) tópico “human hair” AND tópico “sun} radiation”; e 2) tópico “human hair” AND tópico “ultraviolet”.