皂基皮膚清潔劑的泡沫形態及其對皮膚滲透性的影響

王海燕 編譯

（中國安全生產科學研究院，北京 100012）

皂基皮膚清潔劑的泡沫形態及其對皮膚滲透性的影響

王海燕 編譯

（中國安全生產科學研究院，北京 100012）

現今，對皮膚刺激小的清潔劑備受關注。本文利用液相色譜/質譜技術，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系。結果顯示，隨著泡沫析出液中表面活性劑濃度的降低，析出液中長鏈表面活性劑的含量降低，而此時泡沫的體積在逐漸變小。當皮膚上與泡沫接觸時，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，因而泡沫析水液中的表面活性劑易于滲入皮膚。結果說明，在設計皮膚清潔劑配方時，表面活性劑種類、泡沫形態以及產生泡沫的方式都是應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/質譜

1. 前言

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

為此，許多文獻研究了表面活性劑的皮膚滲入量。之前，人們曾經普遍認為，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）存在關聯性。通常認為，膠束的體積較大，不能滲入皮膚，因此皮膚清洗劑通常設計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和減少對皮膚的滲入。

然而，最近這一假設已經發生了變化。因為對于十二烷基硫酸鈉（SDS）而言，即使在濃度高于cmc時，其皮膚刺激性仍會隨著濃度的增加而持續增加。當十二烷基硫酸鈉與醇醚類非離子表面活性劑進行配伍時，氧乙烯單元與SDS膠束發生鍵合，可以防止十二烷基硫酸鈉滲入皮膚。另外，有文獻報道，椰油基羥乙基磺酸鈉（SCI）膠束比皮膚中進水孔的體積大，使得SCI膠束無法穿透皮膚。因此，表面活性劑在水溶液中的狀態（單分子、膠束或其他結構）可能會影響其對皮膚的滲透力。雖然絕大多數皮膚清潔劑是以泡沫形式作用于皮膚的，但在測定表面活性劑的皮膚滲入量時，卻是在溶液狀態下進行的。這就意味著，當前的皮膚清洗模型是不完善的，測量值不能客觀反映真實的狀態。

泡沫是一個非常復雜的系統，它會隨著時間的推移而逐漸破裂。因此，從重復測量的角度來看，評價泡沫較為困難。相反，由于薄液膜（如氣泡）容易再現，因而常被作為研究對象。例如，通過高速相機可以清楚地觀察到泡沫的破滅。另一方面，迄今關于泡沫的研究主要是從物理的角度（如流變學）進行，許多現象可以通過物理學理論來加以解釋，但這些泡沫高度依賴于所添加劑的化學品，如表面活性劑。此外，泡沫穩定性和動態表面張力間的關系已得到廣泛研究和探討。眾所周知，三個氣泡進入相互接觸的點為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。這種析水現象導致膜變得更薄、氣泡更容易破裂。

在之前的相關研究中已經發現：表面活性劑在水溶液中的狀態（單分子、膠束或其他結構），可能會影響其對皮膚的滲透力；絕大多數皮膚清潔劑均以泡沫形式作用于皮膚，而測定表面活性劑的皮膚滲入量卻是在溶液狀態下進行的。為進一步弄清表面活性劑的滲入對皮膚產生的刺激作用，本文通過液相色譜/質譜技術，對表面活性劑的滲入機理以及泡沫特性與皮膚間的聯系進行了分析和測定。

迄今為止，人們對于泡沫中表面活性劑對皮膚產生刺激性的機理尚不清楚。表面活性劑在泡沫中的狀態不同于其在水溶液中的狀態，而泡沫中的表面活性劑對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理，了解泡沫形態以及泡沫產生的方式，將有助于改進溫和型皮膚清潔劑的配方設計。

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行綜合研究。

2. 試驗部分

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），經氫氧化鉀在70～80℃下中和，每種脂肪酸的質量分數為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說明那種脂肪酸形成泡沫（因為在人體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間，pH為10.6。樣品剛制備好時為澄清狀態，然后逐漸渾濁。

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

為了制備具有三個氣泡大小的泡沫，在500mL燒杯中加入10g樣品并攪拌（7000轉，葉片大小為1×2cm），攪拌不同時間（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）。對于泡沫A和泡沫B，其整個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的溶液還沒有完全變成泡沫，故將泡沫部分從水溶液中分離出來，測得其體積為35cm3。

2.2 泡沫中氣泡大小的測量

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

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的濾網上。1min后，用棉花收集網格的液滴，其中的脂肪酸已由體積比為1∶1的氯仿/甲醇除去，樣品保持在一個用氯仿/甲醇清洗過的玻璃容器中。收集完成后，每個樣品稱重。

2.4 泡沫處理皮膚

招募5個年齡為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，在上述部位進行膠帶（PPS膠帶，規格為2.5cm× 1.8cm）剝離實驗：以65g/cm2的壓力將膠帶在皮膚上持續按壓20s，然后撕下；如此操作在同一點上進行3次。以此方法通過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的前臂進行空白試驗。

圖1 不同攪拌時間得到的泡沫的數字顯微鏡圖片（標尺為200 μm）

2.5 脂肪酸的定量分析

在氮氣流下將排水樣品干燥，殘留物溶解于50mL甲醇中，超聲波振動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/質譜（LC/MS）儀分析。該系統中，二元泵連接兩個流動相（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），流動相洗脫速率0.2mL/min。流動相程序如下：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℃。

電噴霧質譜條件如下：離子檢測（SIM）；極性檢出模式為負模式；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子后的質核比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-氘代硬脂酸失去質子后的質核比m/Z分別為201.0、229.0、257.0和285.0。

2.6 蛋白質的定量分析

膠帶上剝離下來的蛋白質含量測定方法如下：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蛋白分析法進行測量。

3. 實驗結果

3.1 泡沫析水中脂肪酸的定量分析

圖1為不同攪拌時間得到的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。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泡沫。這意味著，長鏈脂肪酸在泡沫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的樣品溶液。

圖2 泡沫氣泡大小對析水體積的影響

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）。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，滲入到皮膚中的表面活性劑最少。盡管長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，因而在界面膜內可以儲存更多的水。此外，泡沫析水是由plateau邊界與不同泡沫接觸點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，以脂肪酸鹽為基礎的個人護理產品的pH為8～11，本實驗中的樣品pH為10.6。因此，該研究適宜用來模擬個人護理產品。

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。這將導致析水液中脂肪酸的濃度降低，遠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泡沫。通常長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，長鏈脂肪酸更易滲入到皮膚中，這可能是由疏水鏈對皮膚這種疏水基質的強烈親和力造成的。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。

泡沫的哪個部分對皮膚滲入影響最大呢？當泡沫應用于皮膚時，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，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。當氣泡體積變小時，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泡沫。此外，析出水中表面活性劑濃度明顯偏低。該現象與假設相吻合。泡沫A中的長鏈脂肪酸（肉豆蔻酸、棕櫚酸和硬脂酸）滲入皮膚中的數量少于其他泡沫，這可能應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，表面活性劑自發吸附在氣/液界面上。因此，如果泡沫沒有破裂，則多數表面活性劑被用于保持泡沫結構，不會滲入皮膚。這種作用會導致表面活性劑滲入皮膚的量減少。對于細膩的泡沫（如泡沫A），可以很清晰地觀察到這種趨勢（如圖5所示）。已有一些研究從表面活性劑的滲透機理入手，調整個人護理配方結構，以降低其對皮膚的刺激性。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），在該狀態下表面活性劑不能像單體一樣自由活動。換言之，表面活性劑以一個類似泡沫和膠束的狀態存在。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，泡沫產生的方法也影響滲透作用。因此，理解泡沫的形態學對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計。

5. 結論

圖5 泡沫開始接觸皮膚時的示意圖

通過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系。泡沫析水液的體積和濃度與泡沫中氣泡體積大小有關。如果氣/液相表面積大，就可以儲存更多的水。因此，泡沫越細膩，泡沫析水量越小。長鏈表面活性劑易于在氣/液界面吸附，細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。對于泡沫細膩的A，滲入皮膚以及泡沫析出液中的長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，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致的。這一獨特的發現是源于對皮膚滲透的新的評價方法。本結果將為開發更加溫和、有效的清洗劑配方和皮膚清潔劑配方提供參考。