纳米技术与化妆品应用研究

来源:用户上传      作者: 吕　洛　张　雷　魏少敏　

　　
　　纳米（namometer，nm） 科技是上世纪60年代初迅速发展起来的一门前沿高新学科，特指在纳米尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的一门崭新技术。目前，纳米科技已成为继互联网、基因之后倍受人们关注的又一大热点，并被认为是对21世纪一系列高新技术产生和发展有极为重要影响的一门学科；同时，纳米科技也被世界各国列为21世纪的关键技术之一，投入大量的人力物力进行研究开发。目前，结合纳米科技所建立和发展起来的相关学科主要包括纳米生物学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学、纳米电子学等。
　　作为一种几何尺度的量度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米，大约是三四个原子的宽度。人们在研究物质构成的过程中发现，在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性并通过物理或化学方法制造出具有特定功能产品的科学技术，就称之为纳米技术。一般来说，纳米技术所制造物体的体积不超过数百个纳米，其宽度相当于几十个原子聚集在一起的宽度。由此可见，纳米技术是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系、学科之间交叉性很强的新型综合科学技术。
　　在现代科学技术快速发展的今天，纳米科技成果已经在现代科技的多个学科领域得以广泛渗透和发展，其中就包括与人们日常生活密切相关的日用化学工业领域。我们知道，化妆品作为一种特殊日用化工产品，由各种原料或添加剂经过合理配方加工而成。因此，化妆品学也通常被认为是一门交叉性很强的综合学科，其主要涉及物理、化学、生物、生理、化工工艺、化工工程机械、医药卫生、材料等多种学科。因此，在化妆品产品的研发和生产过程中，将纳米技术科研成果转化并应用到新的化妆品产品中，能从根本上大大提高化妆品的性能、科技含量及市场竞争力。正因为如此，纳米技术有望在未来的化妆品产业中得到广泛的应用。
　　
　　一、纳米科技与化妆品纳米化
　　
　　1. 纳米科技与纳米级功能材料
　　目前，纳米科学的研究主要集中在纳米材料领域，取得的成果也多在此。因此，作为纳米科技的基石，纳米材料和纳米结构是当今新兴材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近转化为应用的重要组成部分。
　　在过去的十几年里，广大科技工作者在纳米材料的制备、性质、表征乃至应用方面进行了系统和规范性研究，尤其在功能材料方面做了大量的基础研究工作。所谓功能材料主要是指基于物质的光、电、磁等功能开发的材料。研究发现，纳米级功能材料主要可产生小尺寸效应、量子化尺寸、宏观量子隧道效应以及表面效应。这些功能都是与物质的电子层结构和能级密切相关的。当物质的粒径下降至纳米级时，由于此时物质的粒径与电子的德布罗意波长接近，因此量子化效应、小尺寸效应等对物质的能级和电子跃迁的影响骤然增加，从而影响了材料性能。
　　
　　2. 纳米材料与化妆品纳米化
　　一般认为，化妆品对皮肤的清洁、护肤、营养和保护作用主要取决于通过渗透或吸收进入皮肤中的各种功效成分，而传统工艺所生产的各种活性成分却往往难以充分发挥作用。我们知道，化妆品的各种性能及质量除了与配方、生产设备和工艺密切相关外，关键取决于化妆品中功效成分的粒子大小。功效成分的粒子越小，就越容易透过皮肤角质层而到达皮肤深层，起到应有的护肤和疗肤效果，反之，即便是很好的配方也不能对皮肤产生应有的护理和保养作用。基于此，化妆品的研制者一直致力于化妆品功效添加剂粒子细小化的工作，这一点与纳米技术点的发展是不谋而合。结合纳米生物学、纳米材料学等学科优势将各种化妆品材料／原料纳米化的技术，即为化妆品纳米化技术。利用纳米化技术可使各种纳米级化妆品功效成分颗粒能够顺利渗透到皮肤深层，并通过其产生的表面效应和尺寸效应最大限度地发挥护肤、疗肤效果。目前，对纳米化妆品的研制，第一步是要突破微米级（100～300nm），第二步就是进入国际上所公认的纳米尺度(1～100nm)范围内。
　　化妆品功效成分纳米化后，对人体皮肤所产生的两个主要效应为表面效应和尺寸效应。（1）表面效应：众所周知，球形粒子的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比，随着粒子直径变小，比表面积将会增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加；同时由于处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同而使得表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性和反应特性，晶体微粒化使这种活性表面原子增多，其表面能大大增加，这样就使得化妆品中功效成分的粒子能充分发挥其功效。如：能够充分抑制酪氨酸酶的活性，分解和阻断黑色素的形成和上浮的通过，达到使人体肌肤白皙的目的；能够充分与病原体接触，达到抑菌和杀菌的作用效果；能够充分散射和吸收紫外线，达到防晒的目的。（2）尺寸效应：人体皮肤随年龄的增长及环境条件的不同而有不同程度的变化，如：真皮中的胶原蛋白减少、分子变硬，致使皮肤逐渐失去弹性和韧性，出现皱纹，皮肤抵抗力、免疫力和排除废物的能力下降，从而出现和加深了各种色素斑点等。因此要在化妆品中加入一些功效成分，对皮肤的生理结构、细胞组成成分及新陈代谢进行修复、保养和调整，使皮肤焕发出青春活力。皮肤的渗透和吸收作用与物质粒子的大小密切相关。随着化妆品功效成分纳米化程度的提高，皮肤组织对功效成分的渗透和吸收就会变得更加快捷和深入，从而能够对深层皮肤起到深层清洁护理、抑菌杀菌、促进细胞新陈代谢、补充营养和水分等作用，达到增强肌肤弹性和表面张力的目的，并使人体肌肤最终能得到更加完美的呵护和保养，更加健康美丽。
　　
　　二、纳米技术在化妆品中的应用
　　
　　1. 在化妆品添加剂经皮给药中的应用
　　化妆品纳米化技术的一个方向是发展化妆品原料纳米微粒技术，即将功效成分包裹在直径纳米尺度的微粒中。载药纳米微粒作为纳米技术与现代药学结合的产物之一，具有许多作用：容易被组织或细胞吸收，恒速缓释功效成分并确保功效成分在较长时间维持在有效浓度内，以及增加有效成分稳定性，减少特殊添加剂对皮肤的刺激等，因此，载药纳米微粒已成为化妆品活性成分的理想载体和新剂型，在化妆品添加剂经皮给药及控释和缓释方面初显奇效。纳米微粒主要包括纳米微胶囊和纳米微球。微胶囊是指用聚合物薄膜将微量固体、液体或气体物质包裹制成微小囊状物，厚壁仅为10nm。微胶囊可有效防止各种有效成分间的相互干扰，控制添加剂的释放速度。纳米微球为一种多孔的微粒载体，直径为纳米级。纳米微球由于多孔而使球体表面积增加，从而具有更强的吸附能力，可运载更多的有效成分，同时也具有缓释和定向释放的效应。目前，应用上述两种新型载体的多种化妆品已在国外成功上市，市场前景已被业内人士看好。
　　
　　2. 在化妆品乳化技术中的应用
　　乳化技术是膏霜和乳液类化妆品制备的重要技术。传统乳化工艺制备的化妆品膏体其内部结构一般为胶团状或胶束状，直径通常为微米级，对皮肤渗透能力很弱，不易通过表皮和皮肤附属腺体两条主要途径被皮肤所吸收。通过纳米乳化技术所制备的化妆品，其膏体微粒直径可达到纳米级。这种化妆品在皮肤各层的渗透性可以明显增加，而皮肤的选择性吸收物质的利用率随之大为提高。目前，市场上销售的此类护肤品在美白、抗衰老等功效方面效果更好。另外，由于此类护肤品不含或少含表面活性剂，因此，尤其适用于敏感皮肤消费者。
　　
　　3. 在防晒产品中的应用
　　 防晒化妆品中防晒剂的选择对防晒产品功能具有决定性作用，是防晒化妆品配方的核心所在。目前，国内传统防晒产品中，常用的防晒剂主要为化学防晒剂（有机防晒剂）和物理防晒剂（无机防晒剂），其中以化学防晒剂为多。化学防晒剂品种多，效果好，但光稳定性相对较差；物理防晒剂光稳定性好，但使用时含量不宜过高。因此，在最大限度地追求防晒剂的安全性、高效、广谱和降低成本方面，对无机材料防晒剂的研究和开发以及多种防晒剂复合使用的研究一直是该领域的研究热点。最近几年，应用纳米技术开发生产的多种无机防晒剂在化妆品中的应用已经初显良好的应用前景。纳米无机材料在防晒化妆品中应用，可有效解决化学防晒剂的缺点，提高物理防晒剂的防晒效果。目前，这些防晒剂中研究和应用最多的是纳米TiO2，其次为纳米ZnO和SiOx。其他一些金属氧化物的纳米粒子如Fe2O3,Cr2O3，尽管也具有紫外吸收性质，但是由于毒性或过深的颜色，限制了他们在化妆品中的使用。纳米TiO2作为紫外吸收剂有其独特的长处。首先，纳米TiO2在UVA和UVB波段都表现出吸收，是广谱紫外吸收剂。其次，除了能够吸收紫外线，它还可以在一定程度上散射紫外线,这是传统的有机紫外吸收剂所不具备的特点。纳米ZnO也具有类似特点，但吸收峰主要在UVA波段。在美国，FDA已经批准TiO2和ZnO为化妆品的原料，而日本甚至要求防晒化妆品中必须加入纳米TiO2。目前，国内外以纳米TiO2和纳米ZnO为原料的防晒化妆品已经面市。
　　
　　4. 在天然药物化妆品中的应用
　　 近年来，随着人们对回归自然需求的增加，天然药物化妆品以其独特的功效和副作用少而在市场上倍受青睐。然而，大多数中药添加剂有效成分存在分子量大和溶解度差所导致的吸收差利用率低等问题。为了提高药物的吸收率，利用纳米技术直接将难溶解的中草药纳米化,制备成化妆品添加剂，可有效增加中药添加剂有效成分溶解速率和接触面积，可使皮肤对天然药物成分的吸收更加顺利，从而使天然药物药效得以充分发挥。
　　“纳米中药”是我国科研工作者首先提出的研究方向。徐辉碧教授等人在对雄黄进行纳米化处理后，发现其对肿瘤细胞S180和上皮细胞ECV-304的细胞毒性和细胞凋亡作用呈现明显的尺寸效应。纳米石决明在对血清微量元素的药效上也表现出类似作用。这些研究充分体现了中药的纳米化对其效果提高的影响。采用纳米化的人参、灵芝、黄芪等代替相应提取物，在很大程度上提高了药物的吸收率和利用率，同时在一定意义上达到了延长药效的效果。因为纳米化的中药吸收很快，但是释放却不像提取物那样迅速，是相对缓慢的释放过程。这对功能性化妆品具有重要意义。如人参、芦荟、灵芝和黄芪等经纳米化后添加到化妆品中，其产品功效可明显提高。因此，中药添加剂有效成分纳米化技术在天然药物化妆品中的应用具有非常重要的意义。
　　
　　5. 在化妆品包装材料中的应用
　　纳米化材料可广泛应用于化妆品包装材料中，其中应用最为广泛的是纳米塑料。纳米塑料的特点是具有耐高温、耐磨、外观好（透明度和光泽度）、重量轻，而且质地坚硬等良好的物理性状；同时，纳米塑料还有耐化学腐蚀、耐老化、不生锈和无毒等特点；此外，纳米塑料还有物理祛臭和抗菌作用。因此，纳米塑料在化妆品行业中将会有广阔的应用前景。
　　
　　三、展望
　　
　　有科学家预言：纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机工业，并成为未来信息时代的核心。纳米技术对原子和分子的进一步驾驭，将引发一场比微米技术更为深远的大规模变革。目前，在化妆品领域内一些较早开展纳米化妆品研究的公司或研究机构依托各学科的科研力量，通过不懈努力已经将纳米化妆品推向市场。部分纳米化妆品已走出微米级进入纳米级，其化妆品功效成分微粒达到100nm左右，有望在不久的将来通过进一步努力，争取使功效成分微粒早日进入国际所公认的纳米尺度（1～100nm）。
　　作为近十年在世界范围内蓬勃兴起的新科技，纳米技术是一门崭新的、面向21世纪的科学技术，已渗透到化妆品学的方方面面，可以预言，随着纳米科学技术的飞速发展，化妆品纳米化技术也会发生巨大变革。因此，广大从事化妆品研制与生产的研究机构或厂家，不妨抓住这一历史机遇，整合科研力量，迎接挑战，抢占新的制高点。
　　（编辑/申利珍）
　　

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