基于多巴胺自聚合与角蛋白相互作用的仿生黑色素染发技术研究进展

《Dyes and Pigments》：Research Progress on Biomimetic Melanin Hair Dyeing Technology Based on Dopamine Self-Polymerization and Keratin Interactions

　　

•全面综述：系统评估聚多巴胺（PDA）仿生黑色素染发剂，对比绿色合成与传统氧化剂的危险性。
•机理洞察：详述PDA与角蛋白界面的结合机制，包括非共价相互作用和共价迈克尔加成反应。
•关键安全性重估：强调永生化细胞系与原代角蛋白细胞之间的差异，质疑普遍宣称的生物相容性。
•产业化路线图：按技术就绪等级（TRL）对绿色聚合路线进行分类，并提出将PDA重新定位为可持续特种产品。

引言

染发作为一种基础的美容行为，已超越其最初掩盖白发的实用目的，成为个性化审美修饰的主要途径[1]、[2]。全球染发剂市场持续增长，受三个相互关联的因素驱动：人口老龄化、时尚偏好演变以及社交媒体平台上趋势的快速传播。值得注意的是，永久性氧化染发剂仍占主导地位，占市场超过80%，并广泛应用于家用和专业沙龙场景[2]、[3]、[4]、[5]。染发剂产品的消费格局已发生显著转变，不再局限于基本遮盖颜色，而是优先考虑毒理学安全性、环境可持续性和多功能性能属性。

永久性氧化染发系统通常依赖过氧化氢、氨和芳香胺前体（如PPD）来引发氧化聚合。虽然这些配方在提供持久着色方面效果显著，但存在重大的健康和环境风险[2]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。PPD及其衍生物被确认为化妆品成分中导致过敏性接触性皮炎的主要原因，它们经氧化转化生成活性物种，共价修饰皮肤蛋白，从而引发免疫致敏反应[12]、[13]。近年来，慢性染发剂暴露与癌症风险之间的可能关联已成为广泛流行病学家研究的焦点。Towle等人进行的系统分析表明，长期频繁使用永久染发剂可能增加某些血液系统恶性肿瘤的易感性；而Ahmadi等人的荟萃分析则报告了与特定女性相关癌症之间存在弱但具有统计学意义的关联。尽管如此，累积证据仍不确定，存在较大异质性且各项研究结果不一[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。

随着绿色化学和可持续发展框架的推进，天然来源的染发颜料在科学研究中重新受到关注。植物染料尤其值得关注，主要依赖于从各种植物器官（如花朵、果实、树皮、叶子和根茎）中提取的天然色素。这些天然着色剂主要由活性植物化学物质组成，包括花青素、鞣质、多酚、黄酮类和醌类[15]、[16]。与传统氧化染发剂相比，天然色素系统在资源丰富性、可生物降解性和降低毒理学风险方面具有显著优势[15]。然而，其商业可行性仍受到持续挑战的阻碍，主要体现在颜色稳定性欠佳、耐洗性差以及色彩范围相对有限等问题上[17]。

并行的研究工作致力于阐明黑色素生成的内在机制，以指导新型染发剂的开发。作为一种普遍存在于生物系统中的天然色素，黑色素是决定头发颜色的主要因素。其宽谱光学吸收、强抗氧化活性和高生物相容性共同使其成为制定环境可持续染发系统的高度有希望的候选材料[18]、[19]、[20]。基于生物模拟黑色素的染发技术在近年来受到广泛关注，日益被认为是领先的生态友好型下一代策略，有可能替代传统氧化染发剂[21]、[22]。

然而，对快速扩大的PDA文献进行关键性重估揭示了一个重大差异：尽管许多研究在其摘要中强调"出色耐久性"和"头发修复"，但相应的实验数据在受控实验室条件下往往仅表现出中等性能。

与以往主要重复PDA"出色耐久性"和"头发修复"乐观主张而缺乏对基础证据的批判性审查的综述不同[17]、[22]，本综述采用循证、问题导向的视角，具有三项独特贡献：(i) 我们系统区分了证据充分的功效（如紫外线防护和生物相容性）与需要进一步验证的功效（如机械增强和长期抗氧化保护），提供了对每项声称功效的证据质量的初步关键评估；(ii) 我们建立了定量比较矩阵，针对反应动力学、成本效益、pH兼容性、色域和批次间重现性等关键工业标准评估各种绿色聚合策略——超越实验室规模的演示，解决商业化转化问题；(iii) 我们引入了基于TRL的产业化路线图，明确区分技术可行性与监管准备度，为配方化学家和监管科学家提供了从实验室到市场的务实框架。这种三重贡献——批判性证据评估、定量技术基准和产业化路线图——使本综述区别于以往主要关注机理或材料化学方面而未涉及转化差距的调查[2]、[18]。

PDA是研究最为深入的生物模拟黑色素衍生物之一，通过类似天然黑色素生成的途径形成。具体而言，在碱性条件或氧化刺激下，多巴胺发生自聚合，生成具有天然黑色素标志性结构基团的大分子网络[18]。PDA的强粘合特性和多功能化学特性归功于其聚合物骨架中同时存在的对苯二酚、氨基和吲哚基团[15]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。

自2019年以来，有报告一致指出PDA能快速自组装到头发基质上形成均匀涂层，提供了一条无需PPD和强氧化剂的着色途径[32]、[33]。此外，越来越多的证据表明，调节金属离子、氧化参数和共聚单体配方可产生广泛的颜色调色板，涵盖黑色、棕色、栗色和红棕色[34]、[35]。DNAzyme催化系统[30]、漆酶催化系统[33]、超声波辅助聚合系统[34]以及新型i-黑色素生物合成系统[36]的出现，进一步提高了PDA染发的效率和功能可控性[37]、[38]。

PDA基系统相比传统氧化染发剂具有优势，包括降低皮肤刺激风险和多功能益处，如紫外线防护、抗氧化活性和抗菌特性[39]。例如，基于乌贼墨黑色素纳米颗粒（SIMNPs）的染发系统在HaCaT角蛋白细胞（一种常用于初步毒性筛选的永生化细胞系）中表现出超过95%的细胞活力，并在动物模型中达到Draize评分0分。这些发现表明其具有良好的初步安全性，需在更生理相关的模型中进一步验证[38]。同样，硅藻土负载银纳米颗粒（Ag/DTm）系统在重构人表皮（RhE）模型中显示出可忽略的刺激性潜力[37]。这些研究发现表明，仿生黑色素染发技术具有显著的安全性优势。

中国研究团队也为仿生黑色素染发做出了贡献。Yang等人开发了一种基于5,6-二羟基吲哚的着色剂，可在空气中聚合，无需强碱或添加金属离子。处理后头发的初始L*值为21，接近天然黑发的水平，在30次洗涤循环后仍保持L*值为25。Zheng等人使用半胱氨酸作为中间体将多巴胺接枝到头发上，加强了PDA网络与角蛋白之间的结合，改善了着色沉积和耐洗性[40]。在本综述中，"仿生黑色素"广泛指代旨在重现天然黑色素选定特性的合成色素。PDA特指作为主要模型系统的多巴胺衍生物材料，而i-黑色素指代不同的5-羟基吲哚衍生物类似物，并单独讨论[41]。

小节摘要

临时和半永久染发剂：临时染发剂通过物理沉积产生颜色，在头发纤维外表面形成薄膜。这些配方主要由水溶性染料、胶体色素或包封染料系统组成，通过静电力和范德华相互作用粘附于毛鳞片上[2]、[42]。临时染发剂配方无法渗透毛鳞片屏障，导致暂时性着色，通常在一到三次洗发后褪色。

天然黑色素：生物合成、结构和类型：黑色素是天然生物色素，具有抗氧化活性、自由基清除活性和紫外线（UV）光防护功能。根据组成和结构差异，天然黑色素主要分为真黑色素和褐黑色素。真黑色素赋予黑色到深棕色的色调，而褐黑色素产生黄色到红棕色的色调；最终，这两种色素类型的相对比例和结构相互作用决定了广泛的色彩谱系。

聚多巴胺与头发角蛋白的相互作用：涂层形成与结构增强：染发研究传统上侧重于实现高着色效率和持久的颜色保持。然而，随着向多功能染发材料转变，PDA不仅作为黑色素模拟着色剂，还因其独特的物理化学特性，成为与头发角蛋白稳定相互作用的介导剂。这些可靠的相互作用赋予有价值的辅助功能，包括头发结构修复、抗氧化保护等。

着色性能和耐洗性：在解释文献中报告的着色性能和耐洗性数据时，重要的是要认识到不同研究间的底层头发基质存在显著差异——包括孔隙率、前期损伤历史和天然黑色素含量等方面的差异[63]。这些变量可能会显著影响PDA沉积动力学和表观着色，可能解释了报告耐洗性值（10次洗涤后保留40%到70%）中的一些差异。

挑战：色彩范围扩展、工业规模化、长期安全性和监管标准化：尽管PDA基仿生黑色素染发系统已显示出可持续染发的巨大潜力，但将该方法从学术研究转化为商业制造需要解决若干未决技术挑战。因此，成功的工业部署需要在以下关键领域进行有针对性的创新[2]、[64]。主要挑战包括色彩可调性和可及光谱范围的扩展。

CRediT作者贡献声明：Chuntao Zhai：方法论。Chengliang Li：写作 – 审阅与编辑，方法论，资金获取。Xiao Wang：数据整理。Fangpei Zhong：数据整理。Jing Xu：写作 – 审阅与编辑，资金获取。Bei Feng：方法论。Jiakun Huang：形式分析。Xiaohan Zhang：写作 – 原创草稿。

利益冲突声明：无利益冲突需要声明。

数据可用性声明：未生成新数据；所有数据来源均引用自参考文献。

资助信息：本工作得到国家自然科学基金（编号：22678308，22178184）、中央国家机关重大支出增减项目（编号：2060302-2601-13）以及齐鲁工业大学（山东省科学院）科教产业国际合作项目（2026GH32）的资助。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文中报告的工作。

致谢：本工作得到国家自然科学基金（编号：22678308，22178184）、中央国家机关重大支出增减项目（编号：2060302-2601-13）以及齐鲁工业大学（山东省科学院）科教产业国际合作项目（2026GH32）的资助。

作者：Xiaohan Zhang | Jiakun Huang | Fangpei Zhong | Xiao Wang | Chengliang Li | Chuntao Zhai | Bei Feng | Jing Xu