皂基皮膚清潔劑的泡沫形態(tài)及其對(duì)皮膚滲透性的影響

王海燕 編譯

（中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012）

皂基皮膚清潔劑的泡沫形態(tài)及其對(duì)皮膚滲透性的影響

王海燕 編譯

（中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012）

現(xiàn)今，對(duì)皮膚刺激小的清潔劑備受關(guān)注。本文利用液相色譜/質(zhì)譜技術(shù)，從表面活性劑滲透的角度，研究泡沫特征與皮膚刺激性之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，隨著泡沫析出液中表面活性劑濃度的降低，析出液中長(zhǎng)鏈表面活性劑的含量降低，而此時(shí)泡沫的體積在逐漸變小。當(dāng)皮膚上與泡沫接觸時(shí)，泡沫的排水量決定了表面活性劑滲入皮膚的量，表面活性劑滲入到皮膚的量隨泡沫體積的增大而增加。這是由于氣/液界面的表面活性劑不能自由移動(dòng)，因而泡沫析水液中的表面活性劑易于滲入皮膚。結(jié)果說(shuō)明，在設(shè)計(jì)皮膚清潔劑配方時(shí)，表面活性劑種類、泡沫形態(tài)以及產(chǎn)生泡沫的方式都是應(yīng)該考慮到的重要因素。

表面活性劑；皮膚清潔劑；泡沫；皮膚滲透；脂肪酸；液相/質(zhì)譜

1. 前言

角質(zhì)層是皮膚的最外層，它為皮膚提供最大程度的屏障作用。皮膚清潔劑的清潔機(jī)理是利用表面活性劑來(lái)去除皮膚表面的油污、汗?jié)n和皮脂等。許多文獻(xiàn)報(bào)道了表面活性劑對(duì)于皮膚的刺激作用，尤其是陰離子表面活性劑在與皮膚接觸時(shí)，會(huì)使皮膚顏色變紅，經(jīng)表皮的失水量增加。表面活性劑的存在還會(huì)使得角質(zhì)層溶脹，除去角質(zhì)層中的保濕物質(zhì)（如氨基酸），改變和除去脂肪細(xì)胞間的填充物，使蛋白質(zhì)變性。因此，為了保護(hù)皮膚的屏障作用，有必要深入了解表面活性劑是如何滲入皮膚的。

為此，許多文獻(xiàn)研究了表面活性劑的皮膚滲入量。之前，人們?cè)?jīng)普遍認(rèn)為，只有表面活性劑單體可以滲入皮膚，故而由表面活性劑引起的皮膚刺激一般與其臨界膠束濃度（cmc）存在關(guān)聯(lián)性。通常認(rèn)為，膠束的體積較大，不能滲入皮膚，因此皮膚清洗劑通常設(shè)計(jì)為陰離子表面活性劑與其他表面活性劑的混合物，以降低cmc和減少對(duì)皮膚的滲入。

然而，最近這一假設(shè)已經(jīng)發(fā)生了變化。因?yàn)閷?duì)于十二烷基硫酸鈉（SDS）而言，即使在濃度高于cmc時(shí)，其皮膚刺激性仍會(huì)隨著濃度的增加而持續(xù)增加。當(dāng)十二烷基硫酸鈉與醇醚類非離子表面活性劑進(jìn)行配伍時(shí)，氧乙烯單元與SDS膠束發(fā)生鍵合，可以防止十二烷基硫酸鈉滲入皮膚。另外，有文獻(xiàn)報(bào)道，椰油基羥乙基磺酸鈉（SCI）膠束比皮膚中進(jìn)水孔的體積大，使得SCI膠束無(wú)法穿透皮膚。因此，表面活性劑在水溶液中的狀態(tài)（單分子、膠束或其他結(jié)構(gòu)）可能會(huì)影響其對(duì)皮膚的滲透力。雖然絕大多數(shù)皮膚清潔劑是以泡沫形式作用于皮膚的，但在測(cè)定表面活性劑的皮膚滲入量時(shí)，卻是在溶液狀態(tài)下進(jìn)行的。這就意味著，當(dāng)前的皮膚清洗模型是不完善的，測(cè)量值不能客觀反映真實(shí)的狀態(tài)。

泡沫是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸破裂。因此，從重復(fù)測(cè)量的角度來(lái)看，評(píng)價(jià)泡沫較為困難。相反，由于薄液膜（如氣泡）容易再現(xiàn)，因而常被作為研究對(duì)象。例如，通過(guò)高速相機(jī)可以清楚地觀察到泡沫的破滅。另一方面，迄今關(guān)于泡沫的研究主要是從物理的角度（如流變學(xué)）進(jìn)行，許多現(xiàn)象可以通過(guò)物理學(xué)理論來(lái)加以解釋，但這些泡沫高度依賴于所添加劑的化學(xué)品，如表面活性劑。此外，泡沫穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)表面張力間的關(guān)系已得到廣泛研究和探討。眾所周知，三個(gè)氣泡進(jìn)入相互接觸的點(diǎn)為plateau邊界，該處的壓力比泡沫的其他部分要低，因此泡沫中的水容易流入plateau邊界。這種析水現(xiàn)象導(dǎo)致膜變得更薄、氣泡更容易破裂。

在之前的相關(guān)研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：表面活性劑在水溶液中的狀態(tài)（單分子、膠束或其他結(jié)構(gòu)），可能會(huì)影響其對(duì)皮膚的滲透力；絕大多數(shù)皮膚清潔劑均以泡沫形式作用于皮膚，而測(cè)定表面活性劑的皮膚滲入量卻是在溶液狀態(tài)下進(jìn)行的。為進(jìn)一步弄清表面活性劑的滲入對(duì)皮膚產(chǎn)生的刺激作用，本文通過(guò)液相色譜/質(zhì)譜技術(shù)，對(duì)表面活性劑的滲入機(jī)理以及泡沫特性與皮膚間的聯(lián)系進(jìn)行了分析和測(cè)定。

迄今為止，人們對(duì)于泡沫中表面活性劑對(duì)皮膚產(chǎn)生刺激性的機(jī)理尚不清楚。表面活性劑在泡沫中的狀態(tài)不同于其在水溶液中的狀態(tài)，而泡沫中的表面活性劑對(duì)皮膚的影響也不同于水溶液中的表面活性劑。為此，揭示泡沫在皮膚上的作用機(jī)理，了解泡沫形態(tài)以及泡沫產(chǎn)生的方式，將有助于改進(jìn)溫和型皮膚清潔劑的配方設(shè)計(jì)。

本文從泡沫中的氣泡大小、表面活性劑皮膚滲透量以及滲入皮膚的表面活性劑組成、泡沫析水量三方面進(jìn)行綜合研究。

2. 試驗(yàn)部分

2.1 原料

不同烷鏈的脂肪酸混合物（月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸），經(jīng)氫氧化鉀在70～80℃下中和，每種脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

為定量分析滲入到皮膚中的表面活性劑，脂肪酸部分氘取代來(lái)說(shuō)明那種脂肪酸形成泡沫（因?yàn)樵谌梭w皮膚中有大量的脂肪酸，因此它們不能被完全除去）。2,2-氘代月桂酸、2,2-氘代肉豆蔻酸、2,2-氘代棕櫚酸和2,2-氘代硬脂酸的混合物各為0.5%（重量）的水溶液，將上述脂肪酸均用氫氧化鉀在70～80℃下中和。

樣品水溶液在室溫下平衡一周時(shí)間，pH為10.6。樣品剛制備好時(shí)為澄清狀態(tài)，然后逐漸渾濁。

表面張力法測(cè)定樣品的cmc為0.2wt%（7.1×10-3M），即樣品所使用的濃度在其cmc之上。

為了制備具有三個(gè)氣泡大小的泡沫，在500mL燒杯中加入10g樣品并攪拌（7000轉(zhuǎn)，葉片大小為1×2cm），攪拌不同時(shí)間（5s、15s、120s）后分別得到三種不同的泡沫（即泡沫C、泡沫B、泡沫A）。對(duì)于泡沫A和泡沫B，其整個(gè)溶液幾乎都變成了泡沫（泡沫A體積為140cm3，泡沫B體積為60cm3）；而泡沫C的溶液還沒(méi)有完全變成泡沫，故將泡沫部分從水溶液中分離出來(lái)，測(cè)得其體積為35cm3。

2.2 泡沫中氣泡大小的測(cè)量

泡沫制備好后，直接在燒杯中用數(shù)碼顯微鏡觀察。配有VH-Z20變焦鏡頭（2009）的數(shù)字顯微鏡（VHX-1000，日本Keyence公司）可用于獲得300張隨機(jī)選擇的泡沫照片。拍照后，用數(shù)字顯微鏡軟件手動(dòng)測(cè)量氣泡的直徑，由體積重量加權(quán)平均值進(jìn)行計(jì)算。

2.3 排水量的采集

泡沫制備好后，將氣泡放在篩孔大小為355μm的濾網(wǎng)上。1min后，用棉花收集網(wǎng)格的液滴，其中的脂肪酸已由體積比為1∶1的氯仿/甲醇除去，樣品保持在一個(gè)用氯仿/甲醇清洗過(guò)的玻璃容器中。收集完成后，每個(gè)樣品稱重。

2.4 泡沫處理皮膚

招募5個(gè)年齡為20～49歲的健康的志愿者。先用乙醇擦拭志愿者前臂，再將1.0g泡沫放置在其中的4cm×4cm區(qū)域，1min后，用200mL的離子交換水沖洗泡沫，然后用毛巾擦干，在上述部位進(jìn)行膠帶（PPS膠帶，規(guī)格為2.5cm× 1.8cm）剝離實(shí)驗(yàn)：以65g/cm2的壓力將膠帶在皮膚上持續(xù)按壓20s，然后撕下；如此操作在同一點(diǎn)上進(jìn)行3次。以此方法通過(guò)膠帶收集滲入皮膚上的脂肪酸。另外，用同樣方法在乙醇擦拭的未處理過(guò)的前臂進(jìn)行空白試驗(yàn)。

圖1 不同攪拌時(shí)間得到的泡沫的數(shù)字顯微鏡圖片（標(biāo)尺為200 μm）

2.5 脂肪酸的定量分析

在氮?dú)饬飨聦⑴潘畼悠犯稍?，殘留物溶解?0mL甲醇中，超聲波振動(dòng)20min提取脂肪酸。取0.1mL溶液用甲醇稀釋至10mL；將從皮膚上撕下的膠帶剪成兩半，放入已用氯仿/甲醇（體積比為1∶1）除去脂肪的玻璃容器中；加入5mL甲醇，超聲波振動(dòng)提取10min，然后將溶液濃縮至1/10。

脂肪酸的含量用液相色譜/質(zhì)譜（LC/MS）儀分析。該系統(tǒng)中，二元泵連接兩個(gè)流動(dòng)相（A1，V （甲醇）∶V（水）＝9∶1，其中乙酸銨和乙酸分別為100mM和50mM；B1，異丙醇，其中乙酸銨和乙酸分別為100mM和50mM），流動(dòng)相洗脫速率0.2mL/min。流動(dòng)相程序如下：0～20min，A1為100%，20.1～25min，B1為100%。注射體積10μL；ODS柱，2.1mm×150mm；溫度為40℃。

電噴霧質(zhì)譜條件如下：離子檢測(cè)（SIM）；極性檢出模式為負(fù)模式；干燥氣（N2）流速8.0L/min；霧化器壓力30psi；干燥氣溫度250℃；毛細(xì)管電壓3000V；碰撞電壓200V。

月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸失去質(zhì)子后的質(zhì)核比m/Z分別為199.0、227.0、255.0和283.0，而2,2-氘代月桂酸、2,2-氘代肉豆蔻酸、2,2-氘代棕櫚酸和2,2-氘代硬脂酸失去質(zhì)子后的質(zhì)核比m/Z分別為201.0、229.0、257.0和285.0。

2.6 蛋白質(zhì)的定量分析

膠帶上剝離下來(lái)的蛋白質(zhì)含量測(cè)定方法如下：將前面剩余的另一半膠帶放在玻璃容器中，加入0.45mL含0.1mol/L NaOH和1%SDS的水溶液。60℃保溫150min后冷卻至室溫。然后加入200μL，2mol/L的鹽酸水溶液，攪拌。溶液中的總蛋白含量采用BCA蛋白分析法進(jìn)行測(cè)量。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 泡沫析水中脂肪酸的定量分析

圖1為不同攪拌時(shí)間得到的3種泡沫的顯微鏡圖片。泡沫A、泡沫B和泡沫C的平均直徑分別為120μm、295μm和753μm。

圖2為每克泡沫的析水體積。從圖中看出，析水量隨泡沫直徑的增大而增加，析水速率明顯受泡沫大小控制。

泡沫析出液中脂肪酸含量的定量分析結(jié)果如圖3所示。脂肪酸的總濃度隨泡沫體積的增大而增加：泡沫A最小，故其析出液中的脂肪酸含量也明顯低于其他兩個(gè)。泡沫A、泡沫B和泡沫C的析出液中，脂肪酸組成有所不同：泡沫A的析出液中，長(zhǎng)鏈脂肪酸（肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸）的濃度明顯低于另外兩個(gè)泡沫。這意味著，長(zhǎng)鏈脂肪酸在泡沫A中容易被析出。泡沫B和泡沫C中脂肪酸的組成完全等同于制備泡沫時(shí)的樣品溶液。

圖2 泡沫氣泡大小對(duì)析水體積的影響

3.2 滲入皮膚的脂肪酸的定量分析

圖4顯示的是滲入皮膚中的脂肪酸含量（空白樣品的滲入量未檢測(cè)）。從圖中看出，脂肪酸的滲入量隨泡沫的增大而增加。使用泡沫A時(shí)，滲入到皮膚中的表面活性劑最少。盡管長(zhǎng)鏈脂肪酸容易滲入到皮膚中，但是相比于泡沫B和C，泡沫A中的長(zhǎng)鏈脂肪酸不易滲入皮膚中。

4. 討論與分析

4.1 泡沫析水體積

從圖2中可以看出，析水體積隨氣泡體積的減小而減少。這是由于，氣/液界面的面積隨著氣泡的減小而增大，因而在界面膜內(nèi)可以儲(chǔ)存更多的水。此外，泡沫析水是由plateau邊界與不同泡沫接觸點(diǎn)之間存在壓力差而引起的。因此，析水率將隨著氣泡體積的增大而增加。

吸附在氣/液界面的表面活性劑的堆積隨溶液pH而改變，所以起泡能力（泡沫穩(wěn)定性，體積和泡沫大小）也受之影響。通常而言，以脂肪酸鹽為基礎(chǔ)的個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的pH為8～11，本實(shí)驗(yàn)中的樣品pH為10.6。因此，該研究適宜用來(lái)模擬個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品。

4.2 析水液中脂肪酸的含量

從圖3a可以看出，泡沫A析出液中脂肪酸的總濃度明顯低于其他兩個(gè)泡沫。泡沫A中氣/液界面的表面積大，因此有大量的脂肪酸吸附在氣/液界面上。這將導(dǎo)致析水液中脂肪酸的濃度降低，遠(yuǎn)低于初始樣品中的含量。

圖3 a. LC/MS分析泡沫析出液中脂肪酸總含量 b. LC/MS分析泡沫析出液中脂肪酸組成含量

圖4 a. LC/MS分析滲入到皮膚中的總脂肪酸含量 b. LC/MS分析滲入到皮膚中的脂肪酸組成

從圖3b可以看出，泡沫A析出液中脂肪酸的組成不同于其他兩個(gè)泡沫。通常長(zhǎng)鏈表面活性劑易于在氣/液界面吸附。泡沫A中，氣/液界面的表面積大，因此長(zhǎng)鏈脂肪酸（如肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸）傾向于在界面上吸附，而在析出液中的含量減少，這就導(dǎo)致了泡沫A和其他泡沫析水液中組成的差異。

4.3 滲入到皮膚中的脂肪酸含量

從圖4b看出，在所有類型的泡沫中，長(zhǎng)鏈脂肪酸更易滲入到皮膚中，這可能是由疏水鏈對(duì)皮膚這種疏水基質(zhì)的強(qiáng)烈親和力造成的。從圖4a可以看出，泡沫A中滲入到皮膚中的脂肪酸皂的總濃度明顯小于其他泡沫。這意味著滲入到皮膚中的脂肪酸含量少。

泡沫的哪個(gè)部分對(duì)皮膚滲入影響最大呢？當(dāng)泡沫應(yīng)用于皮膚時(shí)，只有氣液界面和析出液與皮膚接觸。

吸附在氣液界面的表面活性劑不能自由行動(dòng)，因此泡沫析出液中的表面活性劑更容易滲入皮膚中。從圖2可以看出，隨著氣泡的減小，泡沫析水量呈線性減少。當(dāng)氣泡體積變小時(shí)，氣液界面的表面積增加，泡沫析出水中的表面活性劑主要影響皮膚滲透量。泡沫A中，析水量明顯低于其他兩個(gè)泡沫。此外，析出水中表面活性劑濃度明顯偏低。該現(xiàn)象與假設(shè)相吻合。泡沫A中的長(zhǎng)鏈脂肪酸（肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸）滲入皮膚中的數(shù)量少于其他泡沫，這可能應(yīng)歸因于析出液中表面活性劑的濃度。

泡沫中的表面活性劑存在于氣/液界面和界面之間的液相中，表面活性劑自發(fā)吸附在氣/液界面上。因此，如果泡沫沒(méi)有破裂，則多數(shù)表面活性劑被用于保持泡沫結(jié)構(gòu)，不會(huì)滲入皮膚。這種作用會(huì)導(dǎo)致表面活性劑滲入皮膚的量減少。對(duì)于細(xì)膩的泡沫（如泡沫A），可以很清晰地觀察到這種趨勢(shì)（如圖5所示）。已有一些研究從表面活性劑的滲透機(jī)理入手，調(diào)整個(gè)人護(hù)理配方結(jié)構(gòu)，以降低其對(duì)皮膚的刺激性。為降低滲透量，需要控制較大聚集體的形成（如由表面活性劑形成的膠束），在該狀態(tài)下表面活性劑不能像單體一樣自由活動(dòng)。換言之，表面活性劑以一個(gè)類似泡沫和膠束的狀態(tài)存在。表面活性劑在氣/液界面的吸附也同樣降低其向皮膚的滲透量。同所使用的表面活性劑一樣，泡沫產(chǎn)生的方法也影響滲透作用。因此，理解泡沫的形態(tài)學(xué)對(duì)表面活性劑滲透的影響，有助于改善溫和型清洗劑和皮膚清潔劑的配方設(shè)計(jì)。

5. 結(jié)論

圖5 泡沫開(kāi)始接觸皮膚時(shí)的示意圖

通過(guò)LC/MS闡明了泡沫中氣泡體積大小、泡沫析出液中表面活性劑含量和表面活性劑皮膚滲入量之間的關(guān)系。泡沫析水液的體積和濃度與泡沫中氣泡體積大小有關(guān)。如果氣/液相表面積大，就可以儲(chǔ)存更多的水。因此，泡沫越細(xì)膩，泡沫析水量越小。長(zhǎng)鏈表面活性劑易于在氣/液界面吸附，細(xì)膩泡沫析出液中的脂肪酸濃度低于氣泡體積大的粗糙泡沫。脂肪酸滲入到皮膚中的組成和在泡沫析出液中的組成相似。對(duì)于泡沫細(xì)膩的A，滲入皮膚以及泡沫析出液中的長(zhǎng)鏈脂肪酸含量均較低。由于泡沫體積和泡沫析出液中濃度類似，脂肪酸組成類似，所以皮膚用泡沫處理時(shí)，皮膚主要受析出液中表面活性劑的影響。因此，表面活性劑滲入皮膚的量隨氣泡體積的增大而增大，這是由析出液中表面活性劑的含量所導(dǎo)致的。這一獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)是源于對(duì)皮膚滲透的新的評(píng)價(jià)方法。本結(jié)果將為開(kāi)發(fā)更加溫和、有效的清洗劑配方和皮膚清潔劑配方提供參考。