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ANÁLISE MORFOLÓGICA DE POLÍMEROS UTILIZANDO MEV E MFA.

V. F. Monteiro, E. Longo Rod. Washington Luís, Km 235, C. P. 676 – São Carlos, SP, CEP: 13565-905 – valeria@liec.ufscar.br

CMDMC – LIEC - UFSCar RESUMO

As interações entre sólidos apolares ou semi-polares dá-se por forças do tipo van der Waals. Estas forças são muito lábeis e difíceis de serem analisadas pelos métodos convencionais. Os cabelos são formados por aminoácidos que resultam em estruturas poliméricas complexas e de baixa polaridade. Estas estruturas interagem com outros polímeros resultando em mudanças na superfície. Polímeros são muito utilizados na área cosmética, principalmente em formulações de xampu. Estes compostos adicionados na formulação possuem diversas aplicações que vão desde a formação de um filme protetor sobre as fibras de cabelo até a ação sinérgica que auxilia na ação de outros produtos com função de atuarem na melhoria do aspecto do cabelo, tais como maciez e facilidade ao pentear. O polímero poliquaternium 7 é amplamente utilizado em formulações cosméticas. Análises de mudanças morfológicas de fibras de cabelo foram observadas após a aplicação do polímero poliquaternium 7 utilizando MEV e MFA. Aplicações crescentes do produto indicaram que este acumula-se sobre a fibra provocando uma melhoria no aspecto da superfície capilar. Análises quantitativas das imagens obtidas por MFA forneceram dados da rugosidade da superfície capilar indicando que fibras com maiores concentrações de polímero apresentavam rugosidades maiores em relação a fibras de cabelo não tratadas com o polímero.

PALAVRAS CHAVE: POLÍMERO, MEV, AFM INTRODUÇÃO

O estudo do comportamento da superfície do cabelo humano é de grande interesse para a

ciência cosmética. A superfície capilar é responsável pela difusão de materiais que promovam mudanças na superfície cuticular, tais como agentes descolorantes que difundem através da cutículas e produtos cosméticos que depositam-se na superfície (1).

O cabelo é constituído basicamente pelo biopolimero queratina. Polímeros cationicos são normalmente utilizados em formulações cosméticos para cabelo por ligarem-se fracamente à superficie capilar. Os materiais polimericos aderem-se fracamente à superfície capilar por forças de van der Waals. Diversas técnicas tem sido propostas para a avaliação de mudanças morfológicas na superfície capilar após tratamentos com soluções contendo polímeros (1).

Análises baseadas na utilização da MEV permitem a avaliação de mudanças graduais na estrutura superficial do cabelo. Ruetsch et al (2) utilizaram a FESEM para monitorar os efeitos da radiação UV na avaliação de mudanças da superfíce capilar. Os autores observaram a degradação e deformação crescente da superficie capilar e a solubilização da melanina causando a mudança de cor nas fibras avaliadas.

A microscopia de força atômica (MFA) é uma técnica atrativa para materiais biológicos, pois para observação de detalhes na superfície da amostra não é necessário o recobrimento da amostra com material condutor permitindo a obtenção de imagens menos distorcidas da amostra. As analises também são produzidas em temperatura ambiente (3).

As imagens são geradas por meio de medidas de atração ou repulsão entre a superfície da amostra e uma agulha bem fina que varre a amostra. Esta varredura é feita, por intermédio de um sistema piezoelétrico, com deslocamento, nas posições x, y e z com precisão de décimo de Angstron, por meio da tensão aplicada no sistema piezelétrico. O deslocamento é controlado por um circuito de realimentação cuja função é manter a força e/ou altura constante. As forças envolvidas são da ordem de 10-12 N. Para medir deflexões tão pequenas a agulha é acoplada em um suporte denominado cantilever que possui baixa constante de mola. A deflexão causada pela interação da agulha com a

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amostra pode ser medida. Um sistema óptico com feixe a laser e um fotodectetor, determinam o quanto o cantilever deflete devido a topografia da amostra. Com os dados da deflexão do cantilever nos eixos x, y e z reconstrói-se a imagem por meio de um software dedicado (4).

Há várias formas de forces aplicadas na amostra. Os mais utilizados são o modo contato e contato intermitente. No modo contato a agulha entra em contato direto com a amostra perimitindo quantificação das propriedades de superfície do material analisado.No modo não contato as imagens são obtidas por oscilações intermitentes da agulha na amostra em períodos preestabelecidos.

Mattoso et al (4) descreveram vantagens nas análises de materiais poliméricos utilizando a AFM, tais como decréscimo da interferência da agulha na varredura de amostras macias e obtenção de melhor resolução de imagens obtidas em escala molecular e/ou atômica.

Swift and Smith (5), utilizando a microscopia de força atômica verificaram que a superfície cuticular não apresentação superfície cuticular tão lisa como já observada anteriormente por MEV. Eles observaram que a superfície capilar apresenta características diferentes quando avaliadas regiões mais próximas a raiz comparadas com regiões medianas e mais próximas à extremidade final dos fios.

Este trabalho apresenta resultados de MEV e MFA utilizados para investigar a mudança na morfologia das fibras capilares submetidas ou não à tratamentos com solução contendo polyquaternium 7. EXPERIMENTAL MATERIAL Mechas de cabelo

As mechas de cabelos utilizadas foram adquiridas junto à De Meo Brothers N.Y. USA. Foram

utilizados cabelos caucasianos, castanhos e lisos. Mechas de 2gramas foram inicialmente lavadas com solução de lauril éter sulfato de sódio 10% . Descoloramento Os cabelos foram mantidos em solução descolorante preparada pela mistura de peróxido de hidrogenio 6% com hidróxido de amonio concentrado e perssulfato de sódio na proporção 2:1:0.5 respectivamente por 30 minutos. Tratamento com polyquaternium

Foi utilizado o polímero polyquaternium 7 adquirido junto a empresa Ciba . Os cabelos foram lavados com solução contendo 1% de polyquaternium 7 enxaguados em água destilada e secos com secador de cabelos à temperatura ambiente.

Foram empregadas duas técnicas para avaliar a interação polímero superfície capilar:

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) A microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi realizada no equipamento ZEISS (modelo DSM

940 A – acoplado EDS e PGT modelo Prism Digital Spectrometer). As imagens foram realizadas em triplicata e em várias três regiões da fibra (0,5 cm e 1,2 cm da raiz da fibra).

O preparo das amostras foi realizado com a colagem direta dos fios sobre a superfície do porta-amostras utilizando-se uma suspensão de prata. Posteriormente foi depositada uma camada de ouro/paládio (≅ 120Å) para tornar a amostra condutora. Foi utilizada tensão de 5 kV e as imagens foram analisadas a um angulo de 45°.

Microscopia de Força Atômica (MFA) Foram analisadas duas regiões de cada fio e três fios de cabelo de cada tratamento realizado. regiões da fibra capilar. As fibras capilares foram aderidas ao porta-amostras com uma fita dupla face

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para análise, não havendo necessidade de recobrimento com material condutivo. As imagens foram obtidas pelo modo contato , utilizando-se agulhas de nitrito de silicio com constante de força de 0,036Nm-1. As imagens foram obtidas com resolução de 20 µm e 5 µm, sendo posteriormente tratadas com auxílio do software Nanoscope®, que possibilitou a análise da rugosidade da superfície cuticular.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

MEV

As imagens de cabelos tratados com polyquaternium apresentam aparência mais rugosa com aspecto de material acumulado sobre a superfície cuticular.Observa-se que as cutículas danificadas pelo tratamento com o descolorante e posteriormente tratadas com o polyquaternium apresentam restos de cutículas e depósitos do polímero (Fig 2). Imagens da amostra controle após o descoloramento apresentam superfícies mais claras e lisas (Fig. 1).

(A) (B) Fig. 1 – Imagens obtidas por MEV de cabelos controle submetidos ao descoloramento 1000X

(A) e 5000X (B)

(A) (B) Fig. 2 – Imagens obtidas por MEV de cabelos submetidos ao descoloramento e tratados com

soluçào contendo polyquaternium7 1000X (A) e 5000X (B).

MFA

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As Figuras 3 e 4 apresentam micrografias tridimensionais de superfícies capilares não tratadas e tratados com polyquaternium 7 respectivamente. Estas imagens apresentam detalhes da superfície capilar de 20µm e 5µm representando um aumento de 8500X e 13000X respectivamente. A Figura 4 apresenta detalhes da superfície capilar onde se verifica a presença de grânulos. Esta formação aumenta a rugosidade da superfície capilar.

(A) (B) Figura 3 – Imagem de MFA de cabelos controle descolorados 20 µm (A) e 5 µm (B).

Figura 4 – Imagem de MFA de cabelos descolorados e tratados com polyquaternium 7 20 µm

(A) e 5 µm (B).. As mudanças na superficie das fibras capilares podem ser quantificadas por um software

denominado Nanoscope. Para cabelo humano é possivel quantificar a rugosidadeda area total da imagem obtida bem como de pequenas areas selecionadas na superfície cuticular (Fig. 5).

A rugosidade de cabelos decolorados e descolorados tratados com solução contendo polyquaternium 7 foi calculado utilizando a raiz média quadrada (RMS). Os valores médios de rugosidade obtido após cada tratamento estão presentes na Tabela 1.

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Figura 5 – Modelo de coleta de dados de rugosidade para cabelos tratados com polyqauternium

7 utilizando o softaware Nanoscope. Tabela 1 – Valores de rugosidade (RMS) obtidas de regiões de 1,719 nm X 1,719 nm em

imagens de 20µm de cabelos submetidos a diferentes tratamentos.

Tratamento Rugosidade ( nm) Controle descolorado 17,05 ± 6,32 Polyquaternium 7 27,52 ± 9,01

CONCLUSÕES

O uso da MEV permitiu a avaliação de mudanças morfológicas ocorridas na superfície de cabelos submetidos ao controle descolorado e ao descolorado tratado com polyquaternium 7. Este estudo mostrou que a MFA é uma excelente técnica analítica por fornecer informações quantitativas das mudanças morfológicas verificadas a partir das imagens de cabelos coletadas em condições ambiente.

REFERENCIAS 1 - ROBBINS, C. R., Chemical and Physical Behavior of Human Hair, SPRINGER-Verlag Ed., 3ª ed,

(1994) 391p. 2 - RUETSCH, S. B., KAMATH, Y., Weigmann, H. D. Photodegradation of Human Hair: An SEM

Study Journal Cosmetology Science v. 51 (2000) march/april 103-125 . 3 – SMITH, J.R., Use of Atomic Force Microscopy for High-Resolution Non-Invasive Structural Studies

of Human Hair. Journal of the Society of Cosmetic Chemists. v. 48, (1997) 199-208. 4 - MATTOSO, L.H.C, FERREIRA, F.C., HERRMANN, P.S.P., MARTIN, A. R., PEREIRA -DA-SILVA, M.A., PATERNO, L.G., PIZA, M.A., CURVELO, A. A. S., COLNAGO, L.A. , DENES, F. Atomic Force Microscopy as a Tool for the Evaluation of Natural Fibers and Polymers Surface. The Fifth International Conference on Woodfiber-Plastic Composites Madison, Wisconsin, (1999) 43-56. 5 - SWIFT, J. A, SMITH, J.R. Atomic Force Microscopy of Human Hair. Scanning, v. 22, (2000) 310-318 .

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem as seguintes agencias financiadoras de pesquisa brasileiras: CNPq,

CAPES e FAPESP.

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MORPHOLOGICAL ANALYSIS OF POLYMERS BY SEM AND AFM .

V. F. Monteiro, E. Longo Rod. Washington Luís, Km 235, C. P. 676 – São Carlos, SP, CEP: 13565-905 – valeria@liec.ufscar.br

CMDMC – LIEC - UFSCar ABSTRACT The interactions between apolar and solids presenting low polarity take place by van der Waals

type forces. These forces are labile and difficult to be analyzed by conventional methods. Hair fibers are formed by amino acids resulting in complex polymeric structures of low polarity. This polymeric structure interacts with other polymers causing changes in the surfaces. Polymers are often used in the cosmetic area, mainly in shampoo formulations. These polymers, in shampoos, display several functions like the formation of a protecting film over the hair fiber polymeric matrix. These polymers present synergy with other products from the cosmetic formulation, supporting their action toward the improvement of the different features of hair aspect, such as softness and easiness of combing.

The polyquaternium 7 polymer is widely used in cosmetic formulations. Morphologic alterations in hair fibers were observed after the application of the polyquaternium 7 polymer, using SEM and AFM. Continuous applications of this product indicated that it accumulates on the fiber improving the aspect of the hair surface. A quantitative analysis of the images obtained by AFM was undertaken. The data obtained for the hair surface roughness indicates that the fibers treated with the polymer presented larger roughness than the untreated hair fibers.

Key Words: Polymers, SEM, AFM.