多效防護(hù)霜的處方優(yōu)化

韓 凌，樊 莉，張 翮，呂 磊，鄒 豪，魯 瑩

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院藥劑學(xué)教研室，上海 200433；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬東方肝膽外科醫(yī)院藥材科，上海 200438)

曬傷和水母蜇傷均為部隊海訓(xùn)高發(fā)訓(xùn)練傷[1-2]，市售防曬霜雖種類繁多，然而防水、防曬性能不足以滿足海訓(xùn)需求。針對部隊海訓(xùn)，王偉新等[3]曾開發(fā)過一款具有防水性能的防曬霜，但針對防水母蜇傷的產(chǎn)品卻很少，僅有以色列Nidaria公司開發(fā)過一款具有防水母蜇傷的防曬霜Safe Sea[4]。為提高海訓(xùn)防護(hù)，我們以防曬霜為基質(zhì)，包載水母蜇傷防護(hù)成分，制備具有防水、防曬、防水母蜇傷的多效防護(hù)霜。預(yù)期防水母蜇傷和防曬成分維持有效濃度2 h左右，SPF值為20左右。為實(shí)現(xiàn)防水效果，選用了W/O的乳液基質(zhì)，疏水性較好的油相成分，同時加入了抗水性的成膜劑提高防水性能。在防曬劑的選擇上，使用了安全、有效的甲氧基肉桂酸辛酯與水楊酸辛酯，為提高防曬性能，同時加入氧化鋅、二氧化鈦。為防護(hù)水母蜇傷，參照國外同類產(chǎn)品及相關(guān)資料[5-6]，以氯化鈣作為防護(hù)水母蜇傷的主要成分。鑒于對防水性能的要求以及處方中較高濃度的離子，選用耐離子能力較好的W/O型乳化劑EM180，同時配合結(jié)構(gòu)類似的O/W型乳化劑DC5200使用起到穩(wěn)定霜劑的作用[7-9]。

參考國外同類產(chǎn)品防曬霜Safe Sea[4]，初步確定了霜劑的處方。鑒于霜劑流變性對SPF值和關(guān)鍵波長具有一定影響[10]，而成膜劑Antaron V-216對霜劑流變性影響較大。并且作為一種疏水性成膜劑，Antaron V-216對霜劑防水性能也有一定影響。因此，通過測定霜劑SPF值、關(guān)鍵波長以及防水性能，對Antaron V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了單因素考察?？紤]到處方中含有較多的離子，對霜劑的穩(wěn)定性要求較高，通過星點(diǎn)設(shè)計-效應(yīng)面法，以霜劑黏度、離心穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性作為考察指標(biāo)，對處方中乳化劑DC5200、EM180和氯化鈣水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 儀器與試藥

1.1 儀器

AL-104電子天平(Mettler Toledo公司)；Barnstead D3750超級純水儀(美國賽默飛世爾公司)；ROTANATA 460R離心機(jī)(Hettich Zentrifugen公司)；冰箱(Panasonic 公司)；恒溫孵箱(Thermo Scientific公司)；PT3100高速剪切器(Polytron公司)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(力辰科技公司)；SNB-2數(shù)字黏度計(上海精科天美公司)；UV-2000S紫外透射率分析儀(Labsphere公司)；SHZ-88臺式水浴恒溫振蕩器(江蘇太倉市試驗設(shè)備廠)。

1.2 試藥

月桂基聚乙二醇/聚丙二醇-18/18二甲基硅氧烷(DC5200，Dow Corning公司)；鯨蠟基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷(EM180，Evonik公司)；吡咯烷酮/十六烯共聚物(Antaron V-216，Ashland公司)；對甲氧基肉桂酸辛酯、水楊酸辛酯(廣東翁江化學(xué)試劑公司)；二氧化鈦、氧化鋅(上海依夫公司)；氯化鈣、防腐劑(國藥試劑)；香精(上海依克塞汀香料有限公司)。

2 方法與結(jié)果

2.1 多效防護(hù)霜的制備

參考國外同類產(chǎn)品，在前期預(yù)實(shí)驗的基礎(chǔ)上，初步擬定了多效防護(hù)霜的處方。將DC5200、EM180、Antaron V-216、防曬劑(甲氧基肉桂酸辛酯、水楊酸辛酯、氧化鋅、二氧化鈦)和其余油相成分在80 ℃水浴條件下攪拌均勻，然后加入氯化鈣水溶液等水相成分，乳化后降至室溫，加入香精、防腐劑。

2.2 成膜劑Antaron V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)單因素考察

SPF值(sun protection factor)即防曬指數(shù)，主要用于反映產(chǎn)品紫外線防護(hù)的效果，SPF值越大對紫外線的透過率越低，防護(hù)的時間越長[11]。關(guān)鍵波長(critical wavelength,λc)主要用于反映產(chǎn)品紫外防護(hù)波段是否廣譜，一般關(guān)鍵波長越大，產(chǎn)品能防護(hù)的紫外線波段就越廣[12]。防水性能主要考察產(chǎn)品在水流沖刷下，防曬能力的維持情況，參考《化妝品安全技術(shù)規(guī)范》2015年版，通過防水性能指標(biāo)(防水性能=樣品抗水試驗后的SPF值/初始SPF值×100%)來進(jìn)行考察[13]。成膜劑Antaron V-216含量對SPF值、關(guān)鍵波長以及抗水性能均可能有一定的影響[10]，因此通過測定SPF值、關(guān)鍵波長以及防水性能對成膜劑Antaron V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

2.2.1SPF值、關(guān)鍵波長以及防水性能的測定[14-16]

在測試SPF值前，滴加15 μl甘油在空白PMMA板(5 cm×5 cm)的粗糙面上，并用帶乳膠指套的手指將甘油涂布均勻，作為空白基底進(jìn)行掃描。再準(zhǔn)確稱量(25±0.6)mg(1 mg/cm2)的樣品于PMMA板的粗糙面上，并用帶乳膠指套的手指將樣品涂布均勻。涂布前，用樣品將乳膠指套充分潤濕。將涂布樣品的PMMA板放于37 ℃的恒溫孵箱中20 min后，取出測定SPF值和關(guān)鍵波長，作為初始值。每個樣品共制備5塊PMMA板進(jìn)行測定，每塊PMMA板上選取5個點(diǎn)進(jìn)行測定并取平均值，使用UV-2000S紫外透射率分析儀直接讀取樣品SPF值及關(guān)鍵波長。之后，將涂布樣品的PMMA板放入水浴恒溫振蕩器，振蕩器事先注滿人工海水，將水浴恒溫振蕩器溫度設(shè)為25 ℃，振蕩頻率為100次/min，20 min后取出PMMA板，將PMMA板上的水滴甩干，放入37 ℃的恒溫孵箱20 min后，再次放入水浴恒溫振蕩器，以相同的條件振蕩20 min，取出將水滴甩干，放入37 ℃的恒溫孵箱5 min，至水漬干掉，再次測定SPF值和關(guān)鍵波長，作為抗水試驗后的數(shù)值，并計算防水性能指標(biāo)。

2.2.2不同成膜劑Antaron V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)霜劑的SPF值、關(guān)鍵波長和防水性能

依次制備了Antaron V-216含量1%、2%、3%、4%、5%的5批霜劑，并對5批霜劑的SPF值、關(guān)鍵波長和防水性能進(jìn)行了測定，結(jié)果如表1所示。

表1 不同成膜劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)霜劑的SPF值、關(guān)鍵波長及防水性能

*Antaron V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的霜劑的初始SPF值有顯著性差異

從表1可以看出關(guān)鍵波長和防水性能隨成膜劑Antaron V-216含量變化并不明顯，SPF值在成膜劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時有較為明顯的提升，之后隨V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升，SPF值變化不明顯。SPF值在入水后均有一定程度的上升，這可能是由于霜劑在海水中的溶脹作用以及水流沖刷使得霜劑薄膜更加均勻的緣故。而關(guān)鍵波長在入水后的減短則可能是由于廣譜防曬成分的流失以及紫外吸收在較短波段有所增加造成的。綜上，確定最佳的成膜劑Antaron V-216質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

2.3 星點(diǎn)設(shè)計-效應(yīng)面法試驗

由于處方中含有大量的離子，對霜劑的穩(wěn)定性要求較高，參考GB/T 29665-2013[17]，將離心穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性作為考察指標(biāo)。而黏度對于霜劑的使用膚感、穩(wěn)定性和實(shí)際生產(chǎn)均有較大影響，因此，也作為考察指標(biāo)之一。依據(jù)相關(guān)資料和前期試驗結(jié)果，選擇氯化鈣水溶液、DC5200和EM180的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為考察指標(biāo)。

2.3.1黏度的測定

將霜劑裝入5 ml離心管中，以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，排出裝樣時產(chǎn)生的氣泡，在25 ℃室溫下放置12 h后使用旋轉(zhuǎn)黏度計測定黏度。由于霜劑為非牛頓流體，黏度隨測定時間逐漸下降，在測量開始后固定的時間讀數(shù)作為該樣品的黏度。同時，由于處方中加入了高分子聚合物，新制備的霜劑黏度在較長一段時間內(nèi)呈緩慢上升的趨勢，根據(jù)試驗結(jié)果，樣品在制備5 d后黏度趨于穩(wěn)定。因此，在測定黏度時，以霜劑制備5 d后的黏度為準(zhǔn)。

2.3.2離心穩(wěn)定性的測定

將制備好的霜劑裝入2 ml離心管，以2 000 r/min為起始轉(zhuǎn)速，離心3 min，若霜劑出現(xiàn)分層則將離心穩(wěn)定性記為2 000，若無明顯變化，則將轉(zhuǎn)速提升為2 500 r/min，離心3 min，每次增加轉(zhuǎn)速500 r/min，依次遞增，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min均按照10 000 r計。

2.3.3凍融穩(wěn)定性的測定

將制備好的霜劑裝入2支5 ml的EP管中，以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，排出裝樣時產(chǎn)生的氣泡，取其中一支作為對照留觀，將另一支放入60 ℃孵箱保存12 h，恢復(fù)至室溫后觀察，若乳液發(fā)生變化則凍融穩(wěn)定性記為1，若無明顯變化則放入-20 ℃冰箱中保存12 h，恢復(fù)至室溫后觀察，若乳液發(fā)生變化則凍融穩(wěn)定性記為2。若無明顯變化則再次放入60 ℃孵箱保存12 h，依次類推。當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過40次時均按40次計。

2.3.4模型擬合

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6分析軟件，根據(jù)Central-Composite中心組合試驗設(shè)計原理，以DC5200質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、EM180質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、氯化鈣水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)為自變量，黏度(Y1)、離心穩(wěn)定性(Y2)、凍融穩(wěn)定性(Y3)為響應(yīng)值，設(shè)計3因素5水平的效應(yīng)面分析實(shí)驗。每個因素設(shè)5個水平，分別用代碼-α,-1、0、+1、+α表示，α取1.682，效應(yīng)面試驗因素與水平見表2，試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表3。

表2 效應(yīng)面試驗因素與水平

通過軟件Design-Expert 8.0.6進(jìn)行回歸擬合，分別得到了最佳擬合模型如下：

黏度(Y1)對DC5200質(zhì)量分?jǐn)?shù)、EM180質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯化鈣水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個因素的二次多項式回歸模型如下：

Y1=31.01+4.79A+7.26B+32.38C-4.02AB+6.40AC+6.50BC+0.26A2+3.55B2+9.261C2(R2=0.991 3，P<0.000 1)

離心穩(wěn)定性(Y2)對3個因素的一次多項式回歸模型如下：

Y2=7 450.00+429.35A+833.74B+2 093.51C(R2=0.898 9，P<0.000 1)

表3 效應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果

凍融穩(wěn)定性(Y3)對3個因素的二次多項式回歸模型如下：

Y3=29.95-0.38A+6.96B-9.11C-1.25AB-1.75AC+4.25BC+2.25A2-3.58B2-1.46C2(R2=0.897 8，P=0.000 7)

分別對黏度、離心穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性與3個因素間的回歸模型進(jìn)行方差分析，3個模型的的擬合結(jié)果模型項均為顯著，失擬項均為不顯著，擬合結(jié)果較好。

2.3.5效應(yīng)面優(yōu)化與預(yù)測

將DC5200質(zhì)量分?jǐn)?shù)、EM180質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯化鈣水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)三個因素中的1個固定在0水平，即得到其他2個因素對黏度、離心穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性的三維效應(yīng)面圖，如圖1所示。

由效應(yīng)面圖可以看出，對于黏度(Y1)、離心穩(wěn)定性(Y2)、凍融穩(wěn)定性(Y3)，氯化鈣水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)均有顯著影響，而EM180質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)對3個響應(yīng)值的影響次之，DC5200質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)的影響最弱。對于黏度(Y1)，因素B、C和A、C之間交互作用較為顯著。對于凍融穩(wěn)定性(Y3)，B、C之間交互作用較為顯著。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求和使用膚感，霜劑黏度在20 Pa·s左右時較為理想，因此設(shè)定Y1值在18～22 Pa·s之間[18]。參照GB/T 29665-2013標(biāo)準(zhǔn)，要求霜劑在2 000 r/min，30 min的條件下不發(fā)生分層[17]。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)霜劑離心穩(wěn)定性(Y2)達(dá)到4 000時，霜劑能滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，設(shè)定離心穩(wěn)定性(Y2)值大于4 000。同樣，根據(jù)GB/T 29665-2013標(biāo)準(zhǔn)要求[17]，設(shè)定凍融穩(wěn)定性(Y3)大于4。將Y1、Y2、Y3值的設(shè)定通過Design-Expert8.0.6帶入對應(yīng)的多項式進(jìn)行求解即得到目標(biāo)區(qū)域。結(jié)合防水和成本因素，選擇乳化劑DC5200、EM180質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的處方。尤其是DC5200，作為一種O/W型乳化劑，在接觸水后容易導(dǎo)致霜劑的再次乳化，對防水性能影響較大。經(jīng)過膚感測試發(fā)現(xiàn)，氯化鈣水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，霜劑涂布性和膚感較好。因此，選擇DC5200、EM180和氯化鈣溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的處方。最終確定DC5200質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.76%，EM180質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.32%，氯化鈣水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.86%。在該處方下，黏度預(yù)測值為18.3 Pa·s，離心穩(wěn)定性預(yù)測值為5 560，凍融穩(wěn)定性預(yù)測值41。圖2是目標(biāo)處方的等高線圖(氯化鈣水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.86%)。

圖2 目標(biāo)處方等高線圖

2.3.6驗證試驗

為了驗證該效應(yīng)面法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了重復(fù)性驗證試驗，試驗所得黏度為19.5 Pa·s，偏差6.56%，離心穩(wěn)定性為5 000，偏差11.2%，凍融穩(wěn)定性為37，偏差9.8%。

2.4 優(yōu)化處方的制備

根據(jù)Antaron V-216單因素考察結(jié)果和星點(diǎn)設(shè)計-效應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果，得到如表4所示的優(yōu)化處方，并參考資料設(shè)計制備工藝如下[9]。

表4 多效防護(hù)霜優(yōu)化處方

在80 ℃水浴的條件下，將A相加熱攪拌，混合均勻。另稱取B相水浴加熱至80 ℃。在剪切速度為7 000 r/min條件下，將B相緩慢加入A相，充分乳化約7 min。隨后在慢速攪拌的條件下，自然冷卻至30 ℃，加入C相，剪切速度為7 000 r/min條件下再次剪切7 min，即得。

2.5 優(yōu)化處方的評價

2.5.1霜劑外觀

按照優(yōu)化處方制備霜劑并進(jìn)行觀察，本品為白色，質(zhì)地均勻、細(xì)膩、光澤的半流體狀霜劑。

2.5.2霜劑類型的測定

取霜劑適量，并在霜劑上方滴加少量水溶性染料苯酚紅，若染料擴(kuò)散，則霜劑為O/W型基質(zhì)，若染料不擴(kuò)散，則霜劑為W/O型基質(zhì)。經(jīng)測定，多效防護(hù)霜在滴加染料后，染料不擴(kuò)散，說明為W/O型基質(zhì)，符合試驗預(yù)期。測定結(jié)果如圖3所示，圖片左側(cè)為一款O/W型基質(zhì)的霜劑，染料擴(kuò)散，右側(cè)為多效防護(hù)霜，染料不擴(kuò)散。

圖3 多效防護(hù)霜劑類型判斷圖

2.5.3pH值的測定

參照GB/T13531.1-2008[19]中稀釋法測定多效防護(hù)霜pH值，稱取霜劑1份(精確至0.1 g)，加入經(jīng)煮沸冷卻后的實(shí)驗室用水9份，加熱至80 ℃，冷卻后過濾去除油塊，進(jìn)行測定。pH值的測定結(jié)果以兩次測量的平均值表示，測得pH值為5.89，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29665-2013[17]中pH 4.0～8.5的要求。

2.5.4粒徑的測定

取霜劑適量，置于載玻片上，涂成薄層，在顯微鏡下觀察，粒徑較為均一，分布于1～10 μm之間，粒徑觀察結(jié)果如圖4所示。

2.5.5穩(wěn)定性測定

參照GB/T 29665-2013標(biāo)準(zhǔn)[17]中耐寒、耐熱和離心考驗的要求，對霜劑進(jìn)行相應(yīng)測試。

離心試驗：取霜劑約10 ml裝入15 ml的離心管中，以轉(zhuǎn)速2 000 r/min離心30 min，霜劑無油水分層現(xiàn)象，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

耐熱試驗：將霜劑取約8 ml分別裝入2支10 ml的EP管中，將一支置于40 ℃恒溫孵箱中放置24 h后取出，恢復(fù)至室溫后與另一支比較無明顯變化，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

耐寒試驗：將霜劑取約8 ml分別裝入2支10 ml的EP管中，將一支置于-8 ℃冰箱箱中放置24 h后取出，恢復(fù)至室溫后與另一支比較無明顯變化，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖4 霜劑的光學(xué)顯微鏡照片

3 討論

3.1 SPF值的測定

在進(jìn)行SPF值測定時，曾參照QB/T 2410-1998標(biāo)準(zhǔn)[20]，使用3M膠帶和石英表面皿作為基底，對霜劑的SPF值進(jìn)行測定。但在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，測定的紫外吸收系數(shù)數(shù)值極不穩(wěn)定，可重復(fù)性差。后改用含有粗糙表面的PMMA板作為基底，使用UV-2000S紫外透射率分析儀進(jìn)行測定，測定結(jié)果重復(fù)性較好。

3.2 考察因素的選擇

星點(diǎn)設(shè)計-效應(yīng)面法共選擇了黏度、離心穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性3個指標(biāo)作為考察對象。黏度主要影響霜劑的生產(chǎn)、穩(wěn)定性和使用膚感。過高的黏度使霜劑黏稠，鋪展性差，不利于生產(chǎn)和涂布使用。而黏度過低會使霜劑稀薄，在皮膚上不能成形，同時也會使穩(wěn)定性變差。選擇合適的黏度對霜劑的生產(chǎn)、穩(wěn)定性和使用膚感至關(guān)重要。由于處方中加入了大量離子，對霜劑穩(wěn)定性要求較高，因此，專門對霜劑的離心穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性進(jìn)行了考察。但由于離心穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性的測定不具有連續(xù)性，導(dǎo)致其星點(diǎn)設(shè)計-效應(yīng)面法的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測定結(jié)果的偏差相對較大。