The potential of multifunctional proteins and peptides for hair protection and coloring

Abstract

O cabelo é um elemento importante na aparência das pessoas, sendo uma das características físicas que podemos controlar e alterar facilmente. No entanto, os procedimentos cosméticos em conjugação com as rotinas diárias e insultos ambientais podem danificar e enfraquecer irreversivelmente as fibras. A indústria cosmética utiliza diferentes formulações contendo proteínas, hidrolisados de proteínas, péptidos ou aminoácidos, com benefícios comprovados para o cabelo. Estes produtos, apesar de serem utilizados para alterar e/ou melhorar a forma, cor, volume, brilho e tato do cabelo, são limitados a uma única função. O desenvolvimento de formulações multifuncionais é então visto como uma etapa promissora para o desenho de produtos cosméticos avançados. As novas formulações vão transmitir mais que uma propriedade ao cabelo e vão responder às necessidades do mercado e dos consumidores. O objetivo principal desta tese foi o desenvolvimento de formulações multifuncionais à base de proteínas, capazes de alterar e/ou melhorar as propriedades do cabelo enquanto eliminam ou minimizam os potenciais danos causados às fibras. Neste trabalho, uma proteína de fusão baseada na sequência de um péptido derivado da queratina (KP) e numa proteína cromogénica ultramarina (UM), foi explorada com sucesso como agente para colorir cabelo. A proteína KP-UM mostrouse capaz de colorir cabelo descolorado, entre rosa e roxo dependendo da formulação base, enquanto melhorou as suas propriedades mecânicas, demonstrando assim o seu potencial para ser incorporada em novas formulações cosméticas sustentáveis O uso de proteínas para a proteção do cabelo contra procedimentos com altas temperaturas foi investigado através de proteínas baseadas na sequência da γD-cristalina (sequência original e mutante) e o péptido KP. Os cabelos tratados com as proteínas e depois sujeitos a temperaturas elevadas (200ºC), apresentaram resultados melhorados relativamente à perda de água e à conversão das estruturas da queratina de α-hélice para folhas-β, confirmando o carater protetor das proteínas. Partículas à base de proteínas foram também desenvolvidas para melhorar diferentes propriedades do cabelo. Partículas com queratina e fibroína de seda e Poloxamer 407 na sua constituição foram testadas em cabelo asiático virgem e descolorado, com um efeito positivo na proteção, recuperação de propriedades mecânicas, estabilidade térmica e na suavidade do cabelo. Partículas à base de queratina e zeína foram desenvolvidas para encapsular fragrâncias e serem utilizadas como perfume para o cabelo. As formulações libertaram a fragrância ao longo do tempo e melhoraram as propriedades mecânicas e o grau de hidratação do cabelo. Filmes preparados com queratina extraída de cabelo humano foram desenvolvidos no decorrer desta tese e o efeito de diferentes tratamentos térmicos (convencional e ohmico) nas propriedades dos filmes de queratina foi avaliado por diferentes técnicas. Os filmes apresentam diferenças de acordo com a origem da queratina, pH da solução de queratina e tratamento térmico. A aplicação das proteínas KP-Cryst sobre os filmes de queratina demonstrou a capacidade destes para serem usados como modelo de cabelo nas avaliações de novos produtos cosméticos. As novas formulações aqui desenvolvidas mostram um grande potencial para serem incluídas em novos produtos cosméticos para cabelo com grande impacto socioeconómico.

Hair is an important element of humans’ physical appearance, being one of the personal features that we can have direct control and easily change. However, cosmetic procedures, daily hair care routines and environmental insults can irreversibly damage and weaken the hair fibers. Hair cosmetic industry has developed several formulations containing proteins, proteins hydrolysates, peptides and amino acids, with proved benefits to the hair. These products despite being used to change and/or improve the hair shape, color, volume, gloss, shine and feel, are limited to one function. The development of new multifunctional formulations is thus seen as very promising for the design of advanced hair cosmetic products. The new formulations will impart more than one feature to the hair and will respond to the market and consumer’s needs. The main objective of this thesis was the development of advanced multifunctional protein-based formulations capable to change and/or improve several hair’s properties while avoiding or minimizing the damages potentially caused to the fiber. In this work, a fusion protein based on the sequences of a keratin-based peptide (KP) and an ultramarine chromogenic protein (UM), was successfully explored as a hair coloring agent. The KP-UM protein was able to color overbleached hair, from pink to purple depending on the base formulation, while recovering its mechanical properties, demonstrating its potential to be incorporated in new ecofriendly cosmetic formulations. The use of proteins for hair protection against high temperature procedures was investigated using fusion proteins based on the sequence of the human eye γD-crystallin (wild-type and mutant) and the KP peptide. Hair treated with the KPCryst Wt and KP-Cryst Mut proteins and then subjected to iron application (200ºC), presented an improved performance regarding water loss and conversion of keratin α-helix structure into β-sheets, confirming the protective character of the tested proteins. Protein-based particles were also developed to improve different hair properties. Particles with keratin, silk fibroin and poloxamer 407 in its constitution were tested on virgin and overbleached Asian hair, with a positive effect on the protection, recovery of hair mechanical properties, thermal stability and hair smoothness. Keratin and zein based particles were developed to encapsulate fragrances to be used as hair perfumes. These formulations released the fragrances over time and improved the hair’s mechanical properties and hair’s hydration degree. Films prepared with keratin extracted from human hair were also developed during this thesis and the effect of different heating treatments (conventional and ohmic) on the keratin films’ properties was evaluated by different techniques. The films presented different properties according the keratin source, keratin solution pH and heating treatment. The application of KP-Cryst proteins over the keratin films demonstrated their capacity to be used as a substitute to the hair when evaluating new cosmetic products. The new formulations here developed show great potential to be included in new hair cosmetic products with a high socio-economic impact.