Introduction
近些年来,环境的污染导致臭氧层被破坏,紫外线辐射不断增加,人体皮肤细胞受紫外线辐射损害的问题也日益突出,紫外线辐射不仅会造成皮炎等皮肤问题,还是引发皮肤黑色素瘤的因素之一(Mohania et al., 2017.)。由此人们的防晒意识不断加深,更多人开始追求高防晒值的防晒产品,同时对防晒类化妆品的功效性也有了诸如防水抗汗、低敏无刺激、抗蓝光、抗光老化等要求。对防晒产品的使用感也趋向于追求清爽透气、轻薄易涂抹等肤感,这便对防晒产品的研发提出了更高的要求。
较多防晒剂存在致敏性、刺激性、光解性甚至致癌性等危害,而防晒剂在复配时,也会存在复配减效、复配光解等现象,由此限制了它们在防晒产品中的应用。物理防晒剂是通过物理屏蔽、反射紫外线作用来达到防晒效果,难以达到较高的防晒值,化妆品准用物理防晒剂目前仅有二氧化钛和氧化锌两种,但二氧化钛和氧化锌添加量高可能导致粉体易析出,外观泛白,近年来纳米二氧化钛和纳米氧化锌解决了这一问题,然而纳米无机防晒剂存在渗透性风险和吸入性风险,安全问题存在着质疑(Zhang et al., 2020a)。常用的化学防晒剂多为油溶性,导致高防晒值的防晒产品常存在肤感油腻的问题,且化学防晒剂较多存在安全性问题,限制了其在防晒产品中的应用。如UVA类紫外线吸收剂丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(butylmethoxydibenzoylmethane, BMDM)的光稳定性很差,经过紫外线的照射后会渐渐被分解而失去防晒效果,特别是跟甲氧基肉桂酸辛酯(OMC)放在一起,会更加不稳定更易被光分解易引起过敏(Qu et al., 2014);二苯酮-3(enzophenone-3, BP-3)高添加量会带来油腻的肤感,能够渗入肌肤引起光敏感,属于光致癌物,易致敏,且被证明会干扰人体的内分泌系统(Santovito et al., 2018)。
防晒增效是指在尽量减少防晒剂用量的情况下,通过一些方法使防晒产品达到较高的防晒能力(Zhao et al., 2015),防晒增效可以通过防晒剂协同复配、植物成分增效、防晒原料的修饰等途径来实现。基于市场的需求和现有原料与技术的不足,防晒增效技术逐渐引起重视,成为防晒类产品研发的热门方向。本文将对防晒增效的方法与技术进行介绍。
Factors affecting SPF
国际上通常用SPF来评价防晒产品对UVB的防晒功效。SPF即防晒指数,表示防晒剂保护皮肤的相对有效性,是保护皮肤免受日光(主要是UVB)晒伤程度的定量指标(Xie et al., 2019)。防晒指数的影响因素主要有以下几个方面:
第一,防晒剂以及复配体系的选用。单一的防晒剂往往很难达到较高的防晒值(Zhao et al., 2015),防晒产品为了获得较高的SPF值,防晒剂的添加量往往比较大,但这样会带来刺激性、安全性问题,同时易造成产品肤感油腻不佳。防晒剂的复配能直接影响防晒效果,产生增效或减效的作用。如丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)作为最常用的UVA类紫外线吸收剂,会在吸收紫外线后发生异构化反应,减弱吸收能力,无法达到长期有效性,当其与UVB类吸收剂甲氧基肉桂酸乙基酯(ethylhexyl methoxycinnamate, EHMC)连用,则会发生不可逆的环化加成反应,会使两者的防护能力大大降低(Chatelain et al., 2001),除此之外,二苯酮-3 (enzophenone-3,BP-3)和TiO2、ZnO复配均对丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)存在不同程度地淬灭作用(Zhao et al., 2015)。而欧莱雅和宝洁公司的专利都曾表明,奥克立林(octocrylene, OCR)和4-甲基苄亚基樟脑(4-methyl-benzylidene camphor, 4-MBC)可以增加丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)的光稳定性(Shaath et al., 2007)。
第二,植物成分的添加。植物活性成分可以直接吸收紫外线或者通过增强皮肤屏障,增强皮肤抵御紫外线能力,间接提升防晒效果(Zhao et al., 2015),也可以与化学和物理防晒剂复配,直接起增效作用。如葡萄籽提取物原花青素可调节UVA 照射后的HaCaT细胞aquaporin-3 (AQP3)的表达,保证天然保湿因子的合成,从而修复UVA导致的皮肤屏障功能损伤,同时还可减少UVA 照射后引起的新生血管的形成,减轻UVA 所致细胞外基质的降解(Zhang et al., 2017)。迷迭香和柑橘类生物类黄酮提取物联合应用,可以抑制人HaCaT角质形成细胞,两者连用显示出潜在的协同效应,联合提取液还可降低UVB诱导的细胞内氧自由基(reactive oxygen species, ROS),减少X射线照射人淋巴细胞的染色体畸变,可作为口服光防护的一种成分(Pérez-Sánchez et al., 2014)。
第三,防晒剂的载体修饰。防晒剂除了协同增效外,以特定的载体对防晒剂进行包覆,对防晒剂进行修饰,也可达到增强防晒指数的目的,同时也能消除一些防晒剂诸如光解性、刺激性、敏感性等缺陷,如微胶囊技术、固体脂质纳米粒技术等。载体修饰可以改变防晒剂的物理形态,可改变其溶解性、粒径等,例如微胶囊技术可以将酯溶性成分以一定壁材包覆,使其可溶于水,增强其生物利用度(Montero et al., 2016),纳米粒径也可以增加防晒产品的稳定性,更利于吸收利用。同时,包覆过的防晒剂因为壁材的屏蔽作用存在一定的物理防晒性,使防晒剂之间也存在屏蔽型,可以增强其配伍性,扩宽防晒剂的应用范围。
除此之外,溶剂对防晒剂的溶解和分散作用对防晒效果也会产生影响。如苯乙基苯甲酸酯(商品名:X-tend226)对固体有机防晒剂,如丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)、BP3 和双-乙基己氧苯酚甲氧苯基三嗪(bis-ethylhexyloxyphenol methoxyphenyl triazin, BEMT)等具有高溶解性能, 且其对丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)有很好的光稳定作用(Zhao al., 2015)。同时紫外线吸收剂的光稳定性与溶剂的极性有关,有研究者在对13种紫外线吸收剂在12中溶剂中溶解分析后发现,除PABA外,大多数防晒霜在极性和非极性溶剂中的吸光度均增加,而在半极性溶剂(例如己二醇和C12-C15醇苯甲酸酯)中的吸光度降低(Agrapidis-Paloympis et al., 1987)。
同时,乳化剂的选择、油脂的选择也会影响防晒效果,乳化剂的选择对防晒剂的稳定性、成膜性、抗水性等至关重要,通常乳化能力强的乳化剂,可以获得更小的粒径,达到高的SPF值。选择与防晒剂相容性好的油脂,可以提高产品的SPF值,同时油脂的选择对防晒产品的肤感也会产生较大影响。
Synergistic Effects of Sunscreens
单一的防晒剂往往难以达到较高的防晒值,研究者在对国产与进口防晒产品的防晒剂使用情况分析中发现,每一件防晒产品至少添加1种或多种防晒剂,常见的是添加2-3种防晒剂,最多达8种(Li et al., 2017)。防晒剂复配使用常用来达到全波段的紫外线防护,解决一些防晒剂光稳定差、致敏性等问题,防晒剂的协同包括物理防晒剂、化学防晒剂以及两者的混合协同。
化学防晒剂之间的复配,不仅可以协同增效,还能对防晒剂起到稳定的作用。如双-乙基己氧苯酚甲氧苯基三嗪(bisethylhexyloxyphenol methoxyphenyl triazine, BMT)以浓度依赖性的方式阻丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)的光降解,即使照射剂量达到30 meD,仍保持SPF和UVA值,由于丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)能破坏甲氧基肉桂酸乙基酯(EHMC)的稳定性,而BMT也显示了对甲氧基肉桂酸乙基酯(EHMC)的光防护性能。BMT可以成功地提高含丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)和甲氧基肉桂酸乙基酯(EHMC)的防晒霜的光稳定性和效率(Eric et al., 2007)。除此之外,油溶性和水溶性紫外吸收剂之间也存在的合增效理论,有研究者将同等浓度的水溶性苯基苯并咪唑磺酸与油溶性4-甲氧基肉桂酸-2-乙基己基酯复配之后,发现其紫外吸收更有优势,并验证了其增效机理为:含有水溶和油溶防晒剂的乳液(挥发后)在皮肤表面形成非极性薄膜,油溶性紫外吸收剂的吸收峰发生蓝移(朝短波UVB方向),而水溶性紫外吸收剂的吸收峰发生红移(朝UVA方向),由此导致皮肤表面的薄膜具有更宽广的吸收光谱(Liang et al., 2014)。
针对物理防晒剂和化学防晒剂的复配,有研究者(AfonsoUyen et al., 20012014)将表面用硅烷处理的TiO2和聚甲基硅氧烷处理的TiO2分别与丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)复配,紫外辐照后丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)剩余量相对较多,分别为19%和38%;而用二氧化硅表面处理的 TiO2和ZnO分别与丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)复配,能够大大提高丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)的光稳定性,紫外辐照后丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)剩余量达到76%和 49%。
Plant-derived Ingredients Enhance Sun Protection
植物活性成分应用在防晒产品中可以减少化学防晒剂的用量,提高防晒产品的安全性。许多植物都已被证明具有紫外线吸收能力,但通常植物成分的紫外线吸收能力非常有限,难以达到较高的SPF值,但将植物成分与物理、化学防晒剂连用,会产生不同程度的互相增效的作用。同时植物成分可通过抗氧化或抗自由基作用,减轻紫外线对皮肤或头发造成的辐射损伤,从而间接或直接增强产品的防晒性能(Cheng et al., 2014)。植物成分的防晒增效途径,可见Table 1。
目前有大量的研究表明,植物成分对物理、化学防晒剂具有协同增效作用。有研究表明以下四种植物成分:阿魏酸、黄芩苷、杜仲绿原酸、水黄皮籽油均能对物理、化学防晒剂的防晒性能产生影响。对于物理防晒剂,3%的阿魏酸与5%的二氧化钛复配后SPF值增效率为97.1%,与5%氧化锌复配SPF增长率为187%,增效效果最佳;对于化学防晒剂,3%的绿原酸与3%二乙氨羟苯甲酰基苯甲酸己酯(diethylamino hydroxybenzoyl hexyl benzoate, DHHB)+10%奥克立林(OCR)复配,SPF增长率可达51.5%,增效效果最佳(Chen & Yang, 2021)。
许多研究都提出了以天然成分替代化学防晒剂同时增强防晒效果的方案。如黄酮类物质芦丁,其抗氧化和抗炎的作用可以减少皮肤晒后红斑的形成,将0.3%的芦丁与3%的丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)和8%的辛基二甲基PABA结合在一起,抗氧化活性提高了40%,SPF值提高了约70%(Tomazelli et al., 2018)。红毛丹提取物中鞣花酸、槲皮素等物质的存在使得甲氧基肉桂酸乙基酯(EHMC)的光解最小化,由此增强了其防晒性能,1%的红毛丹提取物可以使甲氧基肉桂酸乙基酯(EHMC)的防晒值提高134.9%,而化学防晒剂如水杨酸乙基己基酯(ethylhexyl salicylate, EHS)和丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)作为光防护剂复配,在使用浓度分别为5%和3%时,也仅能将甲氧基肉桂酸乙基酯(EHMC)的SPF值提高大约63%,因此天然成分的加入可以显著减少化学防晒剂的使用量(Mota et al., 2020)。
Cosmetic Enhancement of Sunscreen Raw Materials
1. Microcapsulary
微胶囊技术是一种微型封装技术,由聚合物包裹着活性物质内芯形成微小粒子,微胶囊的大小从10-1000μm不等。微胶囊技术的主要目的是包封活性物质,从而保证被封装物质的活性不受所在使用区域环境的影响(Zhang et al., 2020b)。
微胶囊包裹可达到以下作用:① 改变物质的溶解性,使其亲油、亲水,从而改善一些原料油腻的肤感;② 囊材的包裹可保护防晒剂免收紫外线的影响,改善其光敏性,使原料更加稳定;③ 避免防晒剂与紫外线接触,阻止防晒剂与皮肤直接接触,半透膜囊材可通过缓释,使其持久高效且低刺激;④ 隔离屏蔽作用,可以防止防晒剂间的反应,能使不相容的组分混合,稳定在一个体系中,有序释放反应,增加其配伍性,使得防晒剂的复配更容易进行。
如以聚二甲基丙烯酸乙二醇酯(poly(ethylene glycol) dimethacrylate, PEGDMA)为壁材,防晒剂胡莫柳酯(homosalate, HMS)、阿伏苯宗(avobenzone, AVB)与奥克立林(OCT)按一定比例均匀混合的混合物为芯材,过氧化二苯甲酰(benzoyl peroxide, BPO)为引发剂,采用界面自由基聚合法制备的防晒微胶囊,防晒效果比未包覆的紫外吸收剂更好,而且对皮肤更友好(Yuan et al., 2019)。以二甲基丙烯酸乙二醇酯(ethylene dimethacrylate, EGDMA)为壁材单体、2-氰基-3,3-二苯基丙烯酸异辛酯(奥克立林,OCT)和辛酸/葵酸三甘油酯(decanoyl/octanoyl-glycerides, GTCC)为芯材、过硫酸铵(ammonium persulfate, APS)为引发剂,采用自由基界面聚合法制备的纳米防晒微胶囊,SPF值比未包覆的防晒剂提高了90%,防晒效果明显增强,同时该微胶囊具有很好的生物相容性,能够明显降低OCT的毒性(Liu et al., 2018)。
2. Solid lipid nanoparticles
固体脂质纳米粒(solid lipid nanoparticles,SLN)是一种安全有效的药物载体,是以固态天然或合成的类脂如卵磷脂、三酰甘油等为载体,将药物包裹或夹嵌于类脂核中制成的固体胶粒,SLN可以克服皮肤屏障,提高活性物质的渗透性和生物利用度(Sala et al., 2018)。固体脂质纳米粒被用作防晒剂的载体,有着更大的比表面积和载药量(Jose et al., 2018)。同时也可以起到以下作用:缓控释、保护不稳定成分光解、物理屏蔽、增加皮肤水合等(Zhou & Zhang, 2017),且固体的形式存在也更方便于防晒原料的储存运输。有研究表明,固体脂质纳米粒作为物理防晒剂和分子防晒剂的活性载体,在分子防晒剂的量减少50%时就可以达到传统防晒剂的同等效果(Wissinget al., 2003)。
作为纳米材料,SLN也存在着皮肤渗透性、吸入性等安全风险问题。但是目前对于纳米材料的安全性,全球目前还没有统一的安全评价程序。2011年,欧盟SCCS发布了化妆品纳米材料的安全性评价指南,是国际上第一个由政府正式发布的针对化妆品中纳米材料的安全评价指南。我国食品药品监督管理局化妆品的评价机构也曾今表示,如果申报的化妆品宣称“纳米”,则必须提交专门的安全性评价资料。
经SLN包覆后的防晒剂如甲氧基肉桂酸辛酯(OMC)、二苯酮-3(BP-3)和丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)的光稳定性大大提高,防晒性能高于防晒剂和固体纳米脂质载体两者的加和,达到协同增效即“1+1大于2”的防晒效果(Cheng & Liu, 2020)。有研究者采用改进的溶剂乳化技术和探针超声技术制备了芦荟固体脂质纳米粒防晒霜,体外SPF值可达到 16.9±2.44,在对防晒霜配方进行皮肤刺激性试验后,未发现任何刺激或过敏反应迹象,同时做到缓慢释放,将芦荟的局部滞留时间延长(Rodrigues et al., 2020)。
3. Other technologies
除了上述运用较为成熟的技术外,一些新技术也逐渐在防晒化妆品领域兴起。如纤维素纳米晶体技术,研究者以肉桂酰氯酯化法制备的肉桂酸酯功能化纤维素纳米晶体(Cin-CNCs)具有较强的紫外吸收和较高的可见光透过率,适合用作防晒霜和透明聚合物薄膜的紫外线屏蔽纳米填料。研究表明Cin-CNC分散液不含酒精,不增白,防水,光稳定性好,在相同的活性成分浓度下,Cin-CNC分散液的SPF值是普通市售防晒霜的2倍(Zhang et al., 2019)。韩国SUNJIN公司开发的Hybrid PMMA采用了镶嵌技术,解决了丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)溶解性差、易降解、易结晶、相容性差的问题,用PMMA将丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)镶嵌其中,使丁基甲氧基二苯甲酰基甲烷(BMDM)不能自由活动,提高了稳定性,使产品长时间保持在高SPF状态,同时避免了其与皮肤的接触,降低了刺激性,扩展了其应用范围(Zhao et al., 2015)。
Optimization of Sunscreen Formula
1. O/W/O type multiple emulsification system
O/W/O型乳液是将O/W乳液分散相液滴再分散于外油相所形成的一种复合结构乳状液。作为一种外相及内相均为油脂的体系,O/W/O型乳液不仅可以达到W/O型乳液优良的润肤作用,同时由于O/W和W/O双重界面膜的存在,可将体系分成3个互不相溶的区域(油相/水相/油相,从而实现油溶性活性成分的包覆及缓释(Inomata & Yanuma,2008)。O/W/O型多重乳化体系,不需在紫外线吸收剂中增加无机颗粒的含量,紫外线(UV)的防护效果即能增强(Zhang et al., 2020c)。通过将防晒剂溶解分散于内油相,可以减少防晒剂的析出,从而降低了皮肤刺激性和油腻感,使保证防晒效果的同时具有良好的清爽性。
2. Solubility of oil phase raw materials to sunscreen
防晒产品稳定性影响防晒效果,乳化体系中防晒剂重结晶现象是防晒产品失稳的主要原因,如何有效抑制防晒剂在乳化体系中的重结晶是提高防晒产品的稳定性和功效的关键,而防晒剂的重结晶与溶解度、环境因素密切相关(Zhang et al., 2021)。目前通过调整配方优化防晒效果主要从防止防晒剂在配方中结晶及增加防晒剂在配方中溶解性对防晒效果进行优化。使用酯类油相可以提高BMDBM和DHHB的溶解度和过饱和稳定性(Endo et al., 2014)。以对羟基苯基三嗪类防晒剂为模型,考察油脂组合对复配防晒剂溶解性的协同作用发现:肉豆蔻酸异丙酯/奥克立林(isopropyl myristate/octocrylene, IPM/OCR)体系、十一烷和十三烷/奥克立林(UDTD/OCR)体系对BEMT防晒剂的溶解有较强的协同增效作用,从而提高防晒产品SPF值(Herzog et al., 2020)。
Conclusion
综上所述,在市场对防晒产品越来越高的要求下,防晒增效为防晒产品的开发提供了新思路。可以从防晒剂复配、原料载体修饰、乳化体系稳定性等角度入手进行防晒增效。对于防晒增效的现状可以总结为以下几点:
(1)由于物理性防晒剂在安全性以及油腻肤感的改善方面具有较大优势,因此如何提高物理性防晒剂为主的防晒配方体系的SPF值为当下研究的热点,通过本文的综述可见,我们可以通过与化学性防晒剂的合理复配,加入植物活性成分的复配增效,以及物理化学修饰的手段提升其防晒指数方面的优势。对于化学性防晒剂的肤感油腻问题,可以通过复配物理防晒剂,选择合适的防晒剂溶剂,选择性的结构修饰等方面,改善化学性防晒剂的肤感问题以及提升其使用安全性。
(2)植物活性成分的安全性相对较高,但在配方可承载的范围内,对于防晒指数SPF值的影响有限,如何通过复配物理防晒剂以及化学防晒剂的方式达到防晒增效的目的,以及具有防晒修复类的植物活性成分是否对SPF值具有影响以及对于防晒增效的作用机理仍有待深入研究。
(3)对防晒原料的修饰增效为诸多防晒原料扩宽了应用范围,新兴技术的开发融入仍会是原料修饰的热点方向。目前防晒微胶囊的种类较少,正趋于壁材和防晒剂多元化的方向发展。纳米脂质体防晒剂存在对皮肤角质层的渗透性问题,且脂质体稳定性较差,容易产生沉淀和被氧化,同时纳米技术的发展受制于两个问题,第一是纳米尺度上的大规模生产技术,第二是纳米安全性知识体系与评价方法,如何改善这些缺点是目前研究的热点。
(4)通过优化防晒配方的角度,比如减少防晒剂的重结晶与增加防晒剂溶解度达到增加防晒效果的相关报道较少。随着消费者对防晒产品的要求不断提高,通过对防晒配方体系优化,在得到高防晒值的同时还可以具良好的肤感,可以丰富我国防晒类化妆品市场,具有很大市场潜力。
期待防晒增效技术得到更加成熟和广泛的应用,丰富我国防晒类化妆品市场,为皮肤实现更加全面高效的防护。