Evaluation of chemical and physical alterations in hair fibres with different techniques

Abstract

The human hair is constantly exposed to external aggressions by environmental factors or hair treatments that damage the hair fibres, affecting their physicochemical properties, mainly at the cuticle level. Therefore, there is a great need of preventing and repairing the hair fibres from these type of damages and the cosmetic industry keeps progressing in that direction. However, the majority of the techniques used for the evaluation of the hair damage are not sensitive nor precise enough to show damages on the hair surface, only showing drastic damages that reach the cortex of the hair fibres and giving images of the surface of the hair, not providing quantitative information. The aim of this study was to develop and validate cutting-edge techniques, not yet explored for hair analysis, to analyse the chemical and physical alterations occurring on the hair cuticle after chemical, heat and chemical + UV + pollution damage. When damaged, the surface of the hair becomes more irregular, having consequently an increase of the surface roughness. So, the hair surface roughness was analysed by Optical Profilometry and mainly two types of damage were analysed: chemical and heat. After testing and designing the methodology to evaluate the hair fibres surface through this technique, the final results showed an increase of the surface roughness for both types of damage when compared with normal hair. However, the differences were not statistically significant in the test conditions, not validating the methodology; still, it has a great potential and a higher number of samples could probably increase the results’ significance. Hair damage was also evaluated by ToF-SIMS and the protocol was designed to calculate the damage degree of the hair fibres through the methyl eicosanoic acid (18-MEA) level of degradation. The three types of damage prepared were analysed. Results showed a significant decrease of the mean peak intensity ratio 18-MEA/CN- on the damaged hair compared to normal hair for all three types of damage. The protocol designed for the ToF-SIMS was validated, showing to be a very sensitive, accurate and precise technique to evaluate the lipid changes on the hair surface induced by the different damages, showing significant differences that are not detected with the traditional techniques normally used.

O cabelo humano está constantemente exposto a agressões externas provocadas por fatores ambientais ou tratamentos capilares que danificam as fibras capilares, afetando as suas propriedades físicoquímicas, principalmente ao nível da cutícula. Pelo exposto, existe uma grande necessidade de prevenir e reparar o cabelo destes tipos de dano e a indústria cosmética progride nessa direção. Contudo, a maioria das técnicas utilizadas atualmente para a avaliação de possíveis danos no cabelo não são suficientemente sensíveis nem precisas para demonstrar o que acontece na superfície das fibras. Estas permitem apenas identificar danos drásticos que atingem o córtex das fibras ou apresentam somente imagens da superfície das fibras, não fornecendo informação quantitativa. O objetivo deste estudo foi desenvolver e validar técnicas inovadoras que ainda não tinham sido exploradas para a análise de cabelo, para estudar as alterações químicas e físicas que ocorrem na cutícula do cabelo após um dano químico, após um dano por calor e após um dano químico, por exposição à radiação UV e à poluição. Quando danificado, a superfície do cabelo torna-se mais irregular, havendo consequentemente um aumento da rugosidade. Assim, a rugosidade da superfície de fibras capilares foi analisada por Profilometria Ótica e sobretudo dois tipos de danos foram analisados: químico e por calor. Após testar e desenhar a metodologia para a avaliação da superfície das fibras capilares através desta técnica, os resultados finais mostraram um aumento da rugosidade da superfície para ambos os tipos de dano quando comparando com cabelo normal. As diferenças obtidas não foram estatisticamente significativas nas condições testadas, não validando a metodologia. Porém, esta técnica tem um grande potencial e um maior número de amostras poderá aumentar a significância dos resultados. Foi também estudada a avaliação por ToF-SIMS. O protocolo foi desenvolvido de forma a calcular quantitativamente o grau de dano das fibras através do nível de degradação do ácido 18-metil-eicosanóico (18-MEA), sendo que foram analisados os três tipos de dano. Os resultados mostraram uma diminuição do rácio do pico de intensidade 18-MEA/CN- no cabelo danificado comparado com cabelo normal para todos os três tipos de dano. Este protocolo foi validado, apresentando ser uma técnica muito sensível, exata e precisa para a avaliação de mudanças em lípidos na superfície do cabelo induzidas por diferentes danos.