Teindre les cheveux via une chimie douce et bio-inspirée

La teinture des cheveux n’est pas sans risques : allergies et irritations de la peau surviennent parfois à cause des composés chimiques employés, dont l’usage très fréquent est de plus considéré comme potentiellement carcinogène. Et si l’on s’inspirait de processus naturels de pigmentation pour éviter ces risques ? C’est précisément ce que proposent Claudia Battistella, Nathan Gianneschi et leurs collègues de la Northwestern University (États-Unis). Les nouveaux procédés qu’ils ont mis au point permettent d’enrober les cheveux de pigments synthétiques de type mélanine en créant une palette de couleurs naturelles de cheveux, allant du blond au noir (Fig. 1).^1,2 Ce type de pigment étant naturellement présent dans nos cheveux (ainsi que dans la peau et les yeux), les effets allergogènes ne sont donc plus à craindre.

Fig. 1. Palette de couleurs naturelles de cheveux obtenues par dépôt de mélanine synthétique. Crédit : Northwestern University

Les nuances de couleur des cheveux naturels

Rappelons que le mot mélanine est un terme générique : il recouvre une grande variété de pigments appartenant à deux types ayant chacun sa gamme de couleurs : brun à noir pour l’eumélanine, et brun-rouge à orangé pour la phéomélanine.³ L’abondance et les proportions relatives de ces deux types de pigments détermine la nuance de couleur des cheveux. Ces pigments se présentent sous forme de mélanges de macromolécules (molécules de grande taille) synthétisées dans les mélanocytes à partir d’un acide aminé (la tyrosine le plus souvent).

La teinture des cheveux : des procédés en progrès constants

Les shampoings colorants actuels mettent en œuvre l’eau oxygénée ainsi que l’ammoniaque (ou la mono-éthanolamine) qui facilite la pénétration dans le cheveu de deux composés incolores (appelés base et coupleur).³ La réaction chimique entre ces derniers produit un pigment qui a la couleur voulue et reste piégé dans le cheveu.

Pour éviter les problèmes d’allergie et retrouver des teintes naturelles, l’idée est venue de synthétiser des pigments de type mélanine qui se déposent sur les cheveux sous forme de nanoparticules. L’attention s’est essentiellement portée sur la polydopamine (obtenue par oxydation de la dopamine)⁴ qui est une eumélanine analogue à celle que l'on trouve chez l'homme. Cependant les divers protocoles qui ont été proposés au cours de ces dernières années requièrent des concentrations élevées de métaux potentiellement toxiques (cuivre, fer)⁵ ou des oxydants puissants⁶, ce qui ne convient pas à une large utilisation dans les salons de coiffure ou chez soi.

Une chimie douce adaptée à la teinture des cheveux

Pour déposer des pigments de mélanine sur les cheveux, les chercheurs de la Northwestern University ont mis au point des conditions opératoires douces : ils ont choisi l’oxydation de la dopamine par l’air, ce qui rend la méthode non seulement douce, mais aussi peu coûteuse et modulable.¹ Le milieu réactionnel contient une base, l’ammoniaque (concentration de 3 à 6 %), et en outre un tampon fixant le pH à 8,5. Grâce à une élévation de température vers 37-40 °C, il est possible d’éviter l’intervention de métaux comme le cuivre et le fer. Une durée de réaction de 2 h donne des résultats satisfaisants, ce qui est assez long mais les chercheurs considèrent cette durée comme acceptable pour une pratique courante de coloration.

Les pigments se déposent essentiellement à la surface des cheveux. Cependant, une petite fraction y pénètre car la cuticule du cheveu est légèrement altérée du fait que la réaction s’effectue en milieu basique (comme dans les procédés classiques).

Ce nouveau procédé permet d’obtenir différentes teintes en jouant sur les conditions de réaction telles que la température et la concentration d’ammoniaque (Fig. 2). Des cheveux naturellement blonds, roux, bruns et gris, ainsi que des cheveux précédemment teints avec un colorant commercial très brillant, ont été colorés avec succès en brun foncé-noir (Fig. 3).

Fig. 2. Teinture de cheveux blonds (non traités) par oxydation de la dopamine par l'air. La couleur dépend de la température (R. T. : température ambiante) et de la concentration en ammoniaque (NH₄OH). Image extraite de la figure 3 de l’article cité en réf. 1 [ACS Cent. Sci. 2020, 6, 7, 1179-1188 - ACS AuthorChoice License ].

Fig. 3. Comparaison de cheveux traités par le nouveau procédé (pour deux concentrations d’ammoniaque) et de cheveux bruns naturels ou traités par une teinture classique. Image extraite de la figure 3 de l’article cité en réf. 1 [ACS Cent. Sci. 2020, 6, 7, 1179-1188 - ACS AuthorChoice License ].

Une chimie bio-inspirée : synthèse chimio-enzymatique de mélanines

Les chercheurs de la Northwestern University ont ensuite recherché des conditions encore plus douces en s’inspirant de la biosynthèse naturelle des mélanines. Chez les humains, cette biosynthèse débute avec l’oxydation de la tyrosine catalysée par une enzyme (une tyrosinase) ce qui produit de l’eumélanine. D’où l’idée des chercheurs : mettre à profit l’enzyme tyrosinase du champignon Agaricus bisporus (plus connu sous le nom de Champignon de Paris) pour oxyder la dopamine ou d’autres précurseurs. Une telle synthèse chimio-enzymatique fonctionne à pH neutre. Exit les odeurs désagréables de l’ammoniaque, largement employée dans les autres procédés. L’irritation de la peau et l’altération de la cuticule des cheveux sont ainsi évitées. De plus, l’oxydation chimio-enzymatique permet de ne pas se limiter à la dopamine comme précurseur : l’emploi de phénolamines et d’acides aminés conduit à une large palette de couleurs. La figure 4 montre des essais de coloration à partir de la tyrosine, la dopamine et la tyramine (voir les formules dans les notes 4 et 7).

Fig. 4. Teinture de cheveux blonds (1) par synthèse chimio-enzymatique à partir de L-Tyrosine (L-Tyr), de tyramine (TA) et de dopamine (DA). Réaction pendant 2 h à température ambiante (A) et à 35 °C (B). Images extraites de la figure 3 de l’article cité en réf. 2. [Reprinted with permission from Chem. Mater. 2020, 32, 21, 9201–9210. Copyright {2020} American Chemical Society]

Résistance aux lavages répétés et aux UV

Puisque les pigments de mélanine enrobent les cheveux, leur fixation résiste-t-elle aux lavages répétés ? Les essais ont montré que la persistance de la couleur était aussi bonne que celle observée pour les teintures classiques, même dans le cas de la synthèse chimio-enzymatique où, en milieu neutre, les pigments ne pénètrent pas dans le cheveu.

Les chercheurs ont également examiné l’impact du Soleil sur les cheveux ainsi teints. Ils ont observé que, par comparaison avec les cheveux non traités, les cheveux enrobés de mélanine synthétique bénéficient d’un effet protecteur lors de leur exposition aux rayons ultraviolets.

En conclusion, ces nouvelles méthodes de teinture, à la fois peu coûteuses, douces et polyvalentes, ouvrent de nouvelles perspectives pour les teintures à base de mélanine, limitées jusqu'à présent par les conditions de réaction employées. Elles permettent de retrouver des couleurs naturelles dont la palette devrait s’élargir. À ce sujet, Nathan Gianneschi, qui a supervisé les recherches décrites ci-dessus, le confirme : « En ce qui concerne les autres couleurs, notre laboratoire a mis au point des approches synthétiques pour un ensemble varié de mélanines. Ce travail est en cours ». Il poursuit sa recherche d’investisseurs et contacte des entreprises en vue de commercialiser ces nouveaux procédés. Nul doute qu’il saura être convaincant. La bio-inspiration est dans l’air du temps…

Remerciements à Nathan Gianneschi pour ses réponses à mes demandes d’information.

Références et notes

¹C. Battistella et al., « Mimicking natural human hair pigmentation with synthetic melanin », ACS Cent. Sci., vol. 6, pp. 1179−1188, 2020. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c00068

²C. Battistella et al., « Bioinspired chemoenzymatic route to artificial melanin for hair pigmentation », Chemistry of Materials, vol. 32, pp. 9201−9210, 2020. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c02790 - Voir le communiqué de presse de la Northwestern University

³Billet du 26.01.2019, « D’où vient la diversité de couleur des cheveux naturels… ou teints ? »

⁴Polymérisation oxydative de la dopamine en polydopamine :

⁵K. M. Im et al., « Metal-chelation-assisted deposition of polydopamine on human hair: A ready-to-use eumelanin-based hair dyeing methodology », ACS Biomaterials Science and Engineering, vol. 3 (4), pp. 628−636, 2017. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.7b00031

⁶Y. Y. Dong et al., « Melanin-mimetic multicolor and low-toxicity hair dye », RSC Advances, vol. 9 (58), pp. 33617−33624, 2019. https://doi.org/10.1039/C9RA07466J

⁷Formules de la L-Tyrosine et de la tyramine.