Çevresel maruziyet; ultraviyole, ısı ve kimyasal temaslar saç dokusunda değişikliklere neden olmaktadır. Sıklıkla saç yüzeyindeki doğal savunma bariyerinin önemli ölçüde ortadan kalkmasıyla ilişkilidir. Bu durum saçı hidrofilik hale getirir; kütikül daha fazla su tutmakta, şişmekte, hasar almakta ve kütiküller dökülmektedir. Saç lifleri çoğunlukla ölü hücrelerden oluştuğu için hasarlı kütikülün onarımı biyolojik olarak yapılamaz. Saç liflerinde kütikülün kaybolması, saç korteksinin hasarlanma riskini artırarak saç liflerinin kırılmasına ve koparak dökülmelere neden olacağı anlamına gelir. Günümüzde saçı onarmak ve bakımını yapmak için kullanılan ürünler, makromoleküller ve yüzey aktif maddeler içeren karışımlardan oluşmaktadır. Bu karmaşık formüller, saç liflerinin yüzeyine birikerek hasarlı alanın geçici olarak kaplanmasını ve doldurulmasını sağlayarak fiziksel olarak onarılabilir; saçlarda kırılma ve kopmalara bağlı dökülmeleri önlemekte, saç lifleri arasındaki sürtünmeyi azaltarak saçların elektriklenerek kabarmasını engellemekte, saçın şekillendirilmesini iyileştirebilmekte, saçların kurumasını önleyerek nemlendirmekte ve saçlara dolgunluk ile parlaklık sağlamaktadır. Dahası, saç bakım ürünlerinin uygulanması saç hacmini, yumuşaklığını ve parlaklığını artırabilir; ayrıca saçlı deri kaynaklı kepeklenme gibi döküntüleri ve çevresel kirleri temizleyebilir.

Saç bakım ürünleri, saç liflerinin yüzeyiyle etkileşime giren makromoleküller (sentetik polimerler, polielektrolitler, proteinler vb.) ve yüzey aktif maddelerden (çoğunlukla negatif yüklü ve hem pozitif hem de negatif yük içeren nötral zwitteriyonikler) oluşan karmaşık supramoleküler komplekslerden meydana gelir. Bu tür supramoleküler kompleksler, çözünebilir veya faz ayrılmış sistemler olarak görünebilir; formülasyonda yer alan bileşiklerin konsantrasyonuna, sıcaklığa ve/veya iyonik güce bağlı olarak. Bu içeriğin nispeten büyük bir alana sahip saç yüzeylerinde (20 cm uzunluğundaki saçların tamamı yaklaşık olarak 6 m²'lik bir yüzey alanı oluşturmakta) birikebilmesi ve birikimin birkaç saat, hatta birkaç gün boyunca sürebilmesi gerekmektedir. Formülasyonda bulunan bakım bileşiklerinin yalnızca küçük bir miktarının saç liflerinin yüzeyinde birikebildiği unutulmamalıdır. Bu da içeriklerin ideal fizikokimyasal parametrelere ne kadar sahip olduğu ile ilgilidir.

Saçlar ve saçın gövdesi hakkında bilgileri hatırlayalım. Saç, esas olarak proteinlerden (toplam saç ağırlığının %65-95'i) oluşan bir biyokompozit malzemedir. Keratin ana proteindir ve onu oluşturan en yaygın amino asitleri olarak tirozin, glisin ve sisteini görmekteyiz. Ayrıca saç liflerinde lipitler, su (toplam saç ağırlığının %32'sine kadar), pigmentler ve diğer eser elementler (melanin) gibi bileşenler de  bulunur. İnsan başındaki ortalama saç lif sayısı yaklaşık 100.000'dir ve her bir lif 50-100 μm aralığında bir çapa sahiptir. Saç gövdesinde anatomik olarak 3 katman bulunur: kütikül, korteks ve medulla.

 

• Saçın en dış tabakası, saç derisinden uçlara kadar lifleri koruyan çok dayanıklı bir tabaka olan kütiküldür ve keratinden oluşur. Kütikül, yaklaşık 60 μm uzunluğunda ve 0,3-0,5 μm aralığında bir kalınlığa sahip olan ölü hücrelerin (keratinositler) 6-8 katmanından oluşan üst üste binen pullardan oluşan bir yapı sunar ve şekilleri ile yönelimleri saçın sürtünme özelliklerini yönetir. Doğal liflerin kütikülü, lifler arasındaki sürtünmeyi sınırlayan pürüzsüz bir görünüm sunar. Alttaki korteksi korur ve bir bariyer görevi görür. Normal, hasarsız bir kütikül ışığın yansımasına izin veren ve saç gövdeleri arasındaki sürtünmeyi sınırlayan pürüzsüz bir yüzeye sahiptir. Her kütikül hücresi aşağıdsaki resimde görüldüğü gibi dış kısımdan iç bölgeye doğru birkaç alt katmana ayrılır; F-katmanı, epikütikül, ekzokütikül, endokütikül ve kompleks hücre zarı gibi. Epikütikül, önemli yapısal bileşeni ise 18-metil eikosanoik (18-MEA) yağ asitidir, ince bir yağ asidi tabakası (F-katmanı) ile kaplıdır. Bu asit, saç gövdesinde hidrofobik bir tabaka oluşturur, saçların ıslanmasını, saç gövdesine nüfuz etmesini ve saç gövdesinin fiziksel özelliklerini değiştirmesini engellemektedir. Saç gövdesindeki yağ asidi tabakasının azalması, çıkarılması, parlaklığı azaltır, saçı statik elektriğe karşı daha duyarlı hale getirir ve nemin neden olduğu kıvrılmayı artırır. Epikütikülün altında, sistin açısından zengin, yüksek oranda çapraz bağlı bir A tabakası bulunur. Bu tabakanın özel kimyası, ona yüksek mekanik ve kimyasal direnç ile suda şişmeye karşı yüksek direnç kazandırır. A tabakasını, sistin açısından da zengin ekzokütikül ve endokütikül takip eder. Hücre membran kompleksi iki kütikül hücresi arasındaki hücre zarlarını birleştirmekle görevli hücreler arası maddedir. Bu kompleksin en önemli tabakası, hücreler arası çimento olarak kabul edilen β tabakasıdır.

• Saç gövdesinin çoğunu ve saçın ağırlığının yaklaşık %90'nını oluşturan korteks saçın fiziksel özelliklerinden sorumludur. Kortekste saç gövdesi boyunca ve paralel uzanan uzun makrofibriller bulunmakta. Bu fibriller yüksek kükürt içeriğine sahip proteinlerden (çoğunlukla keratin) oluşan amorf bir matris tarafından belirlenir. İkincisi, bitişik keratin filamentlerindeki sistin kalıntıları arasındaki disülfür bağlarının bir sonucu olarak oluşan güçlü bir şekilde çapraz bağlı bir ağ olarak görünür ve saçın stabilitesini, şeklini ve dokusunu yönetir.  Amino asitlerden oluşan keratin proteinleri 4'lü sarmallar oluşturarak orta filamenteleri, bunlar mikrofibrilleri, bunlarda makrofibrilleri oluşturmakta. Bu tüm yapılar keratinle ilişkili proteinlerden oluşan bir matris içerir.
• Saç gövdesinde medulla, saçın en iç kısmıdır ve keratinin en zengin olduğu bölümdür. Medulla saç rengi ve tonlarıyla ilişkili olan melanin granüllerine sahiptir. Aynı zamanda saç hacminden sorumludur. Medula yapısı ise saça gerilmelere karşı direnç ve mekanik dayanıklılık sağlamaktadır. 

Saç yüzeyinin bütünlüğünü etkileyebilecek birçok faktör doğal olarak kütilülü etkilemekte. Kütikülün en dış yüzeyine kovalent olarak bağlı 18-metil eikosanoik (18-MEA) yağ asitlerinin uzaklaştırılması ve disülfür bağlarının oksidasyonu ile sistinin sisteik asite dönüşmesi en yaygın değişikliklerden ikisi olarak kabul edilir.

Bu durum, saç yüzeyinde aşırı asidik grupların oluşmasına neden olur. Bu gruplar, sulu ortamda ayrışarak saç lif yüzeyinde birçok negatif yüklü kalıntı oluşturur. Lif yüzeyindeki negatif yüklü(anyonik) kalıntılar ile etkleşime girmesi için saç bakım ve onarım ürünleri içerisinde pozitif yüklü polikaynonik kimyasallar bulunmaktadır. Bu etkileşim, ürün içerisindeki diğer moleküllerin saç lifler üzerine birikmesini kolaylaştırır. Bu tabakasal birikim keratin pullarının tutunmasını ve saç liflerinin yüzeyinin düzleşmesini sağlamaktadır. Bunlar saç liflerinin kendi aralarında sürtünerek oluşturudğu statik elektriklerini azaltır, saçların aranabilirliğini ve şekil almasını iyileştirmektedir. Bakım ve onarım kremlerinin saç liflerinde tabakasla birikimi saç liflerinin yağlanmasını sağlamaktadır.

Saç bakım ürünleri saç lif yüzeyine pozitif yükler ekleyerek negatif yüklerin nötralizasyonu sağlarken hasarlı liflerin hidrofilik karakterinin azaltılmasıyla ilişkili kütikülün yağlanmasını sağlamakta. Bu nedenle bakım formülasyonlarında farklı antistatik ve yağlayıcı maddeler kullanılır. Bunlar polimerler, yağlar, mumlar, hidrolize amino asitler ve diğer katyonik yüzey aktif moleküller olmak üzere beş ana gruba ayrılabilir. Katyonik yüzey aktif moleküller ve silikonlar muhtemelen şu anda kullanılan ürünlerdeki en yaygın bileşenlerdir. Katyonik moleküller suda çözünen bileşiklerdir. Düşük konsantrasyonda (%0,1 ila %1 ağırlık),ürün formülasyonunda bulunan diğer bileşenlerle uyumludurlar. Bir polimer olan silikon ise(polikatyonik) formülasyonların diğer bileşenleriyle uyumluluğu nispeten zayıftır. Silikon formülasyon içindeki uyum ve homojen dağılımı için etilenglikol distearat ve stearik monoetanolamid gibi koyulaştırıcı moleküller kullanılır. ürünlerde en sık kullanılan formülasyonlar, diğer kimyasal bileşiklerle birlikte birkaç polimer ve yüzey aktif madde içeren karışımlardır.

Yüzey aktif maddeler, sülfaktanlar, detarjanlar

Yüzey aktif maddeler, saç ve saçlı deride kiri ve tozu yapışma kuvvetlerini zayıflatarak misellerinin hidrofobik iç kısmında çözer veya suda askıya alır. Uzun bir süre boyunca formülasyonların çoğunda bir deterjan ve köpürme maddesi olan sodyum dodecyl sülfat (SDS) kullandı. Ancak, cilt ve mukoza için tahriş edici özelliği nedeniyle kullanımı şu anda önerilmemektedir. Günümüzde, farklı yapıdaki birkaç yüzey aktif maddeyi içeren karışımlar, genellikle formülasyonların performansını iyileştirmek ve eko-sürdürülebilirlik amaçları için kullanılmaktadır. Ticari formülasyonlarda görülen yüzey aktif maddelerin örnekleri şunlardır:

• Anyonik yüzey aktif maddeler; bunlar çoğu durumda bir alkil olan hidrofobik bir zincire bağlı negatif yüklü bir polar grubun (karboksilatlar, sülfatlar, sülfonatlar veya fosfatlar) varlığıyla karakterize edilir. Bu yüzey aktif maddelerin, genel olarak sebum yağlarının ve kirin temizlenmesinde en etkili olduğu düşünülmektedir. Ancak, yıkama işlemi sırasında saç liflerinin yüzeyine aşırı birikmesi, lifler arasındaki sürtünmenin artması sonucu bakım işlemi için zararlı olacak negatif yüklerin sayısını artırabilir. Ticari şampuanlarda bulunan anyonik yüzey aktif maddelerin bazı örnekleri sodyum lauret sülfat (SLES), sodyum lauroyl metil isetionat (SLMI) veya sodyum metil lauroyl taurat (SLMT) olarak verilebilir.
• Katyonik yüzey aktif maddeler; bunlar pozitif yüklü polar gruplarıyla (genellikle kuaterner amonyum) karakterize edilir ve hasarlı saç yüzeyinde bulunan negatif yükün nötrleştirilmesinde ve saçlarda kabarıklığın en aza indirilmesinde rol oynar. Yumuşatıcı olarak da kullanılabilirler. Saç bakım ürünleri için kozmetik olarak kabul edilebilir katyonik yüzey aktif maddelerine örnek olarak benzalkonyum klorür, trimetilalkilamonyum klorür veya setilpiridinyum setrimonyum klorür verilebilir.
• İyonik olmayan yüzey aktif maddeler; bunlar hidrofilik ayrışabilir grupların bulunmaması nedeniyle sulu çözeltilerde net bir elektrik yükü göstermezler. Bu yüzey aktif maddeler diğer yüzey aktif maddelerden daha az agresiftir ve kozmetik formülasyonlarında emülgatörler ve çözücüler olarak yaygın olarak kullanılırlar. Bu tür yüzey aktif maddeler arasında en yaygın olanları, etoksillenmiş yüzey aktif maddeler olarak adlandırılan etilen oksit bazlı olanlardır. İyonik olmayan yüzey aktif maddelerin bir diğer önemli sınıfı, glikol esterleri, gliserol ve poligliserol esterleri, glikozitler ve poliglikozitler ile sakaroz esterleridir.
• Zwitteriyonik yüzey aktif maddeler. bunlar hidrofilik yapılarında hem katyonik hem de anyonik gruplar içerir. Net yüklerini kontrol ederek pH'ı ayarlarlar. İyi köpürme, deterjan ve ıslatma özelliklerine sahiptirler ve çok yumuşaktırlar, mükemmel dermatolojik özellikler sunarlar; bu nedenle anyonik yüzey aktif maddelerinin agresifliğini azaltmak için kullanılırlar. En yaygın olanları, trimetilglisinden (betain) türetilen N-alkil betainlerdir.

Polimerler 

Ürün formülasyonlarında doğru polimerlerin seçimi için polimerin saç lifine bağlanma yeteneği, polimerlerin kimyasal yapısı, çözeltilerin reolojik özellikleri ve saç lifi üzerinde film oluşturma yeteneği gibi özellikler göz önünde bulundurulmalıdır. Saç kremi amaçlı formülasyonlarda bulunan en yaygın polimerler mevcuttur. Bu polimerler genellikle kimyasal yapılarına veya formülasyondaki rollerine (sabitleyici, koyulaştırıcılar vb.) göre sınıflandırılır.

Bakım amaçlı formülasyonlarda pozitif yüklü polimerlerden (polikatyonlar) en fazla kullanılanları polikuaterniyum ve kuaterner amonyumlardır. Bu polimerler, saç liflerinin keratinli yapısına iyi bir yapışma gösterir ve bu, onarım ve bakım rollerini destekler. Ayrıca, bu polimerler formülasyonlarda bulunan yüzey aktif maddelerle etkileşime girebilir. Bu etkileşimle polikatyon (polielektrolit)-yüzey aktif madde kompleksleri oluşmaktadır. Bu tür kompleksler, onarım ve bakım performansı için önemlidir.

Saç bakım formüllerinde farklı hidrofilik nötr polimerler de bulunabilir; örneğin, poli[(met)akrilik asit] (PMA), poli(akrilamid) (PAM), poli(etilen oksit) (PEO), poli(etilen oksit) ve (propilen oksit) blok ve rastgele kopolimerleri, poli(vinil alkol) (PVA) ve poli(vinilpirolidon) (PVP). Bu tür polimerlerin rolü genellikle formüllerin viskozitesini artırmaktır (koyulaştırıcılar). Ancak bazı durumlarda nötr polimerler onarım ve bakım amaçları için de kullanılabilir. 

Saç bakım formülasyonlarının performansını anlamada karşılaşılan güncel zorluklardan biri, bunların saç ve dokularla etkileşiminin değerlendirilmesidir. Onarım ve bakım formülasyonlarının nihai sonucunun saç yüzeyinde kalma süreçleri olduğu ve bunun da esas olarak saç gövde yüzey yükü ile yüzeylerindeki hidrofilik ve hidrofobik grupların varlığı ile ilişkili olduğu unutulmamalıdır. Bu formüllerin hazırlanması ve kullanımı, insan sağlığını ve çevrenin korunması çabalarını muaf tutmamaktadır (özellikle silikon benzeri polimerler ve yüzey aktif maddeler). Şu anda piyasadaki ürünlerin çoğunda sıklıkla kullanılan birçok kimyasal bileşiğin, kozmetik yönetmeliklerince belirlenen özellikleri karşılayan, benzer veya daha iyi performans gösteren başkaları ile kademeli olarak değiştirilmesi gerekmektedir. Son yıllarda kozmetik endüstrisinin daha eko-sürdürülebilir formüllerin üretimine odaklandığını görmekteyiz. Doğal bitkisel kaynaklı proteinlerin silikonlar yerine kullanılması gibi (bazı örnekleri kinoa, jojoba, baobab, soya veya pirinçten elde edilenlerdir). Hayvanlar veya sentetik ürünler yerine pantenol veya skualen gibi bitki kaynaklı bileşiklerin kullanılması tercih edilmektedir.