（农业工程专业论文）基于砖墙原理的溶质皮肤渗透机理模型研究.pdf

摘要 无论从重量还是面积来看，皮肤都是入体最大的组织器官，时刻都与外界环境直接接触具 有重要的屏障作用。皮肤屏障具有两方面的功能：防止体内水分和营养物质的损失；防止外界化 学性、物理性或生物性物质的入侵。无论是隔绝外来物质还是阻止内部物质的损失，均与皮肤渗 透性能有着紧密的联系。皮肤渗透性能与多个领域密切相关。如医药、日化和环保等，因此皮肤 渗透机理及其模型研究也受到了人们越来越多的重视本文主要研究内容及结论如下： 1 采用砖墙结构描述角质层物理结构，综合考虑皮肤角质层、溶质和溶质载体理化特性对皮 肤渗透的影响，建立皮肤渗透机理模型； 2 收集大量理化特性各异溶质的皮肤渗透系数对所建立的皮肤渗透机理模型进行验证，结果 发现，忽略角质细胞水相通道的先前模型对亲水性较强溶质的皮肤渗透系数( 墨) 预测能力较差； 与这些先前模型相比，考虑角质细胞问脂质域通道和角质细胞内水相通道的当前机理模型对局 有较好的预测能力，尤其对于亲水性较强( ，；矗0 0 1 ) 的溶质。当前机理模型的预测值与试验值 之间的决定系数f 和平均绝对误差m a e 分别为0 7 6 和7 2 3 通过皮肤渗透机理模型，分析了溶质理化特性对其皮肤渗透的影响。当溶质亲油性或亲水 性较弱( ，矿0 0 1 ) 时，考虑角质细胞内水相通道模型与不考虑角质细胞内水相通道模型预测值 相当；当溶质亲水性较强( ，“卯0 1 ) 时，考虑角质细胞内水相通道模型的预测值与试验值吻合 较好，但是不考虑角质细胞内水相通道模型的预测值比试验值低估1 - 3 个数量级。这些结果暗示 了角质细胞间脂质域通道是亲油性或弱亲水性的溶质的主要渗透通道，而角质细胞内水相通道则 是亲水性较强的溶质主要渗透通道 4 利用溶质在角质层中的浓度分布试验数据对当前模型进行了进一步有效性验证首先采用 无损检测的激光共聚焦拉曼光谱技术，对维生素a 在角质层中相对浓度分布进行试验测量。苯甲 酸( b e n z o i ca c i d ) 和4 氰基苯酚( 4 - - c y a n o p h c n 0 1 ) 在角质层中绝对浓度分布试验数据通过胶带粘 贴试验测量。分别将三种物质的皮肤渗透过程试验数据与当前模型预测值进行了比较，结果表明 当前模型能较好的拟合试验数据。这标志着当前模型不仅能准确预测皮肤渗透系数，而且能模拟 溶质在皮肤中扩散过程。 关键词：角质层，砖墙模型，渗透系数，浓度分布，共聚焦拉曼光谱技术，胶带粘贴试验 a b s t r a c t s k i ni st h el a r g e s to r g a ni nt h eb o d yw i t has u r f a c ea r e ao f a p p r o x i m a t e l y2 m 2a n dat o t a lw e i g h t e s t i m a t e da t4 k g t h es k i ng e t si nt o u c hd i r e c t l yw i t l lo u t s i d ee n v i r o n m e n ta ta n yt i m ea n dp r o v i d e sa s t u r d yb a r r i e rt ot h ee x t e r i o r , k e e p i n gw a t e ra n dn u t r i e n t si na n du n w a n t e dt o x i cs u b s t a n c e s , v i r u s e sa n d b a c t e r i ao u t t h eb a r r i e rf u i l c t i o no fs k i nh a sa t t r a c t e dg r e a ts c i e n t i f i ci m e r e s tb e c a u s co f t h em l e v m l c e t oaw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si n c l u d i n gt r a n s d e r m a ld e l i v e r yo f d r u g s ，a n h a n c e m e n to f s e n s o r i a la n d f u n c t i o n a l b e n e f i t so fs k i nc a r ep r o d u c t sa n dr i s ka s s e s s m c n to f h a z a r d o u se x p o s u r et oc h e m i c a l s t h e t h e s i sp r e s e n t sac o m p r e h e n s i v es t u d y0 1 1t h em e c h a n i s m sa n dp r e d i c t i v em o d e l sf o rt r a n s d e r m a l p e r m e a t i o na n da b s o r p t i o no f s o l u t e s t h em a j o rf i n d i n g sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ob i o - p b y s i e a l 甜n k 帆o fs t r a t u mc o m e u m , t h e b r i c k - a n d - m o r t a ri n o d e l i s a d o p t e dt od e s c r i b ei t sm i e r o - s t r u c t m b a s e do nt h em e c h a n i s mo fs k i np e r m e a t i o n , ag e n e r a l p u r p o s e t r a n s d a r m a lp e r m e a t i o nm o d e li sp r e s e n t e 吐w i t hw h i c ht h ee f f e c t so f 曲y s i c a l - c h e m i c a lp r o p e r t i e so f v e h i c l e , p e r m e a n t , s l a a t u mc a ) r n e n me nt r a n s d e r m a lp e r m e a t i o nh a v eb e e nc o n s i d e r e d 2 m o s tp r e v i o u sm o d e l si g n o r e dt h eh y d r o p h i l i cp a t h w a ya n dd i dn o tp r o v i d eg o o dp r e d i c t i o no f h y d r o p h i l i cs o l u t e s c o m p a r e dw i t hp r e v i o u sm o d e l s , t h ee t a r e n tm o d e lg i v et h eb e t t e rp r e d i c t i o nf o r s k i np e r m e a b i l i t y ( 畅) w i t hac o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fr 2 - - 0 7 6a n dm e a na b s o l u t ee l t o ro f7 2 e s p e c i a l l yf o rh i g h l yh y d r o p h i l i cs o l u t e s ( t h eo c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n to f p e r m e a n t ，只- ：抑0 1 ) t h ec u n 。e | 1 tm o d e li m p r o v e st h ep r e d i c t i o nb y2 - 3o r d e r so f m a g n i t u d e s 3 t h ee f f e c t so ft h ep e r m e a n t sp h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e so nt h es k i np e r m e a t i o nh a v eb e e n a n a l y z e db yt h em e c h a n i s mm o d e l w h e np oo l ，t h ep r e d i c t e dv a l u e so f s k i np e r m e a b i l i t yb yc t l l r c n t m o d e la n dp r e v i o u sm o d e l si g n o r e dh y d r o p h i l i cp a t h w a ya me q u i v a l e n t w h e n 只，涩0 o l ，a sm o s t p r e v i o u sm o d e l sd i dn o tc o n s i d e rh y d r o p h i l i cp a t h w a y , t h es k i np e r m e a b i l i t yf o rh i 曲l yh y d r o p h i l i c s o l u t e si su n d e r - p r e a i e t e di - 3o r d e r so fm a g n i t u d ea n dt h eu n d e r - p r e d i c t i o ni n c r e a s e dw i t ht h e h y d r o p h i l i c i t yo f t h es o l u t e s t h ep r e d i c t e dv a l u e so f s k i np e r m e a b i l i t yb yt h ec u r r e n tm o d e la g r e e dw e l l w i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tf o rh y d r o p h o b i co rl o w l yh y d r o p h i l i es o l u t e st h e i n t e r c e l l u l a rp a t h w a yi st h em a i nr o u t ea n df o rh i g h l yh y d r o p h i l i cs o l u t e st h el r a u s c o l l u l a ra q u e o u s p a t h w a yi st h em a i nr o u t e 4 t ov a l i d a t et h ec u r r e n tm o d e l t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h r e ep e r m e a n t sa r es i m u l a t e d t h e r e l a t i v ec o n c e n t r a t i o np r o f i l eo f r e t i n o li i it h es t r a t u mc o m e u mi nd i f f e r e n tt i m ei so b t a i n e db yc o n f o c a l r a m a ns p e c t r o s c o p ya san o n i n v a s i v em e t h o d t h ea b s o l u t ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n so fb e n z o i ca c i d a n d4 - c y a n o p h e n o li nt h es t r a t u mc o r o c u mi nd i f f e r e n tt i m ea r co b t a i n e db yt a p e - s t r i p p i n gm e t h o d t h e s ee x p e r i m e n t a ld a t ao f t h r e ep e r m e a n t sa es i m u l a t e da n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tp r e d i c t i o no ft h e c u r r e n tm o d e la g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i ts u g g e s t st h a tt h ec u r r e n tm o d e lc a np r e d i c tn o t o n l ys k i np e r m e a b i l i t y , b u tt h ed i f f u s i o np r o c e s so fp e r m e n a ti nt h eh e t e r o g e n e o u ss t r a t l a nc o m e u ma t t h ec e l l u l a rl e v e r i 王 k e yw o r d s ：s t 糟m mc o m e u m , m o d e l i n gt r a n s d e r m a lp e r m e a t i o n s k i np e r m e a b i l i t y , c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n , c o n f o c a lr a m a ns p e c t r o s c o p y , t a p e - s t r i p p i n ge x p e r i m e n t i l l 插图和附表清单 一、插图清单 图1 1 皮肤结构示意图( 来源于w w w i n f o v i s u a l i n f o ) 图1 2 皮肤表皮结构示意图( 来源于w w w i n f o v i s u a l i n f o ) 图l - 3 皮肤角质层结构示意图( 1 h w s t r ada l ，2 0 0 3 a ) 图1 4 角质层中水分与空气相对湿度之问的关系 图i - 5 人工神经网络( a n n ) 在皮肤渗透中应用示意图 图i - 6 非稳态皮肤渗透模型示意图 图1 7 多通道模型示意图( b o u w s t r ana l ，2 0 0 3 a ) 图1 3 角质层微观物理结构示意图 图! - 9 课题研究思路框图 图2 1 皮肤角质层横截面结构示意图 图2 - 2 溶质皮肤渗透过程示意图 图2 - 3d m p c 分子结构图。 图2 - 4 图2 5 l l 1 2 1 3 1 4 1 7 1 9 2 l 3 l l o 旷。与l o g p o , , 揣r e ( a n d e r s o n 和j o h n s o n 数据) 3 3 1 0 9 p 。与l o g p 。之间关系图( a n d e r s ，j o h n s o n 和m i t r a g o u i 数据) 3 3 图2 - 6l o g p h 与l o 妒。之间关系图3 5 图2 - 7 图2 8 a n d e r s o n 的模型预测值与和l 之间的比较( 匕矗1 0 ) _ 3 5 d i 的不同预测模型之间的比较( 皮肤角质层处于部分水合状态) 4 0 图2 - 9m t p s 软件思路框图 图2 1 0m t p s 软件主界面 图2 - l l 溶质载体理化参数输入界面 图2 - 1 2 皮肤理化特性输入界面 图2 - 1 3 溶质理化特性输入界面 图2 1 4 稳态通量，渗透传质系数和滞留时间之阃关系示意图( c e f i c ，2 0 0 4 ) 图3 - 1 墨五大数据库示意图 图3 - 2 人类皮肤渗透系数试验值( 1 0 晦，c 州s ) 分布图 图3 - 3 模型优化思路框图 图3 - 4 当前模型的预测值与试验值之间的比较 图3 - 5p o r s 模型a ( f o t t sa n dg u y 1 9 9 2 ) 的预测值与试验值之问的比较 图3 - 6b a r r a t t 模型( b a n a t t , 1 9 9 5 ) 的预测值与试验值之问的比较 图3 7a b r a h a m 模型a ( a b r a h a me t a l ，1 9 9 5 ) 的预测值与试验值之间的比较 图3 - 8p o r t s 模型b ( p o t t sa n dg u y ，1 9 9 5 ) 的预测值与试验值之间的比较 图3 - 9l i e n 模型( l i e aa n dg a o , 1 9 9 5 ) 雕j 预测值与试验值之间的比较 图3 1 0a b r a h a m 模型b ( a b r a h a me ta l ，1 9 9 9 ) 的预测值与试验值之间的比较 图3 - 1 1m i t r a g o t r i 模型_ j ( m i t r a g o t r i ，2 0 0 2 ) 的预测值与试验值之问的比较 图3 1 2p o t t s 模型a 和m i t r a g o t r i 模型预测值与试验值之间的误差比较 图3 1 3 当前模型( 现= o ) 和当前模型d 蒯) 的预测值比较p 。 o 0 1 ) 图3 1 4 当前模型( 巩卸) 的预测值与试验值之间的比较 图3 1 5 当前模型( 珧= o ) 和当前模型谆o ) 预测值与试验值之问的误差比较6 9 v i 竹钳够盯盯铝的甜甜“舒：2酷卯傩的 图4 - l 图4 - 2 图4 - 3 图4 4 图4 - 5 图“ 图4 7 图4 3 图4 - 9 图4 - l o 图4 1 l 图5 i 图5 - 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 瑞利散射与拉曼散射 拉曼和瑞利散射的能级图 四氯化碳的拉曼光谱图 维生素a 三维结构图 乙醇三维结构图 丙二醇三维结构图 拉曼光谱仪试验台 7 2 7 4 7 5 7 6 7 6 7 7 7 8 拉曼光谱图。7 8 皮肤角质层水分分布模型与试验值( w m 蚶e t a l ，1 9 s s ) 之间比较图8 0 维生素a 在皮肤角质层中浓度分布的试验值与模拟值比较( 3 0 m i n ，9 0 m 诚1 5 0 m n ) 8 2 维生素a 在皮肤角质层中浓度分布的试验值与模拟值比较( 2 l o m i i l ，2 7 0 m i n 3 3 0 m i n ) 试验仪器图片 胶带粘贴试验 8 2 跖 8 7 苯甲酸标准品h p l c 图谱。9 2 空白区域萃取液h p l c 图谱9 2 苯甲酸标准曲线9 3 图5 6 苯甲酸水溶液作用区域萃取液h p l c 谱图9 4 图5 7 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 志愿者a 。水分 1 5 - 4 5 ) ，9 8 图5 - 8 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 志愿者b 。水分 1 5 - 4 5 ) 。9 9 图5 - 9 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之问的比较( 志愿者c 。水分 1 5 - 4 5 e 9 9 图5 - 1 0 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 志愿者a 。水分 3 0 - 4 5 ) 一。i o o 图5 一i i 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 志愿者b ，水分 3 0 - 4 5 ) 。一1 0 0 图5 - 1 2 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 志愿者c ，水分 3 0 4 5 ) 1 0 1 图5 - 1 3 4 氯基苯酚在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 水分t 5 - 4 5 ) 1 0 2 图5 - 1 4 4 - 氰基苯酚在皮肤角质层中浓度分布试验值与模拟值之间的比较( 水分3 0 - 4 5 ) 二，附表清单 表i - i 表i - 2 表! - 3 表l - 4 表2 i 表2 2 预测皮肤渗透系数关系式( f l y n n , 1 9 9 0 ) 典型的q s p r 模型 皮肤渗透砖墙模型 1 0 2 亲水性溶质慨，9 0 1 ) 的l o 璐预测值与试验值之间的比较 皮肤角质层几何尺寸参数 厶，试验测量值汇总 v 1 0 l l 1 5 1 6 1 9 3 2 表2 - 3 ，0 试验测量值汇总 表2 - 4j 0 h n s o n 模型( d i ) 中相关参数值 表2 5 表2 - 6 3 4 3 7 d 。试验测量值汇总。3 s 置和死的模型模拟值与公式计算值之间的比较4 7 表3 - 1s c h e u p l e i n 燃( s c h e u p l e i ne t a l ，1 9 6 9 ) 与其它学者测量值之问比较 表3 2 人类皮肤渗透系数( ：0 试验数据 表3 - 3 皮肤角质层几何参数与成分含量参数 5 4 5 5 6 1 表3 - 4 己建局预测模型汇总表6 i 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 见模型优化结果6 2 当前模型与先前模型之间的比较：预测值与试验值之问相关系数和平均绝对误差6 6 不同模型的1 0 9 岛预测值与试验值之间的比较( p 矗卯0 1 ) 6 7 当前模型( 渊与当前模型( 辫0 ) 之间的比较：预测值与试验值之闻绝对系数和平均 绝对误差一醯 表3 - 9 当前模型( d 6 删的k 酗驯s ) 预测值与试验值之间的比较( p 9 0 1 ) 表4 1 维生素a 理化参数 表4 2 乙醇理化参数 表4 3 丙二醇理化参数 表4 _ 4 模型参数取值( 维生素a ) 表4 5 不同渗透时间的维生素a 在皮肤角质层中相对浓度分布试验数据 表5 - 1 苯甲酸理化参数 表5 ，2 萃取回收率试验设计表 表5 - 3 模型参数取值( 苯甲酸) 表5 - 44 氟基苯酚理化参数 表5 - 5 模型参数取值( 4 氰基苯酚) 表5 - 6t w e l 试验结果 表5 7 苯甲酸系列标准溶液的h p l c 测量结果 表5 - 8 萃取回收率试验结果 表5 - 9 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验结果( 志愿者a ) 表5 1 0 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验结果( 志愿者b ) 表5 - 1 l 苯甲酸在皮肤角质层中浓度分布试验结果( 志愿者c ) 表5 1 24 氰基苯酚在皮肤角质层中浓度分布试验结果 v i l l 9 6 9 7 i o l 毋稻；2竹引斟黔舛虬射s舛舛够 一 a b s q o n 一蛐群 c o c - c s c - c 锄 c 匆 g ， c j “ c o d d 仍 d l 仍 d b 巩 厶西 n 仉 e o e 居 五 石 厶 办 符号列表 a 、b 两相之间界面面积( c m 2 ) 氧和氮原子绝对电荷和( 个) 粘贴胶带面积( c m 2 ) 溶质在溶质载体中的初始浓度( m g m l ) 溶质在a 相中的浓度( m g n 1 l ) 溶质在b 相中的浓度( m g m l ) 溶质在第i 层角质细胞区域的第，单元中的溶质浓度( m g m l ) 溶质在供给室中浓度( m g m l ) 溶质在第j 层脂质域的第j 单元中的溶质浓度( m g m l ) 相应单元的c o 等效值( m e m r , ) 相应单元的c h 等效值( m g m l ) 第f 个胶带粘贴样本上的溶质浓度( m g m l ) 溶质在接受室中浓度( m g m l ) 维生素a 在乙醇挥发后的溶质载体中浓度( ) 角质细胞的长度( r t m ) 溶质在皮肤中的扩散系数( m 2 s ) 溶质在a 相中的扩散系数( m 2 s ) 溶质在角质细胞中的扩散系数( m 2 s ) 涪质在a 相和b 相中的扩散系数( m 2 s ) 考虑绑定因素的溶质在角质细胞中的扩散系数( m 2 s ) 溶质在脂质域中的扩散系数( m 2 s ) 两相邻角质细胞问脂质域中心点沿x 向到相邻层的最近角质细胞两侧的水平 距离( 肿) 溶质在溶质载体中的扩散系数( m 2 s ) 溶质在水相中的扩散系数( m 2 s ) 单色光电场的振幅 入射光的电场极化 角质细胞中水分质量分数( ) 表示流体动力因素( h y d r o d y n a m i cf a c t o r ) 角蛋白占角质层干物质的质量分数( ) 脂肪占角质层干物质的质量分数( ) 脂质域中水分质量分数( ) 角质层的饱和含水率( ) 位阻因素( s t e r i cf a c t o r ) 皮肤角质层平均含水率( ) i x 0 l 二， 凡n g _ j l d 历 厶 局 硒 k 雪 k 夕 k ； 凰 矿“ 弓 k , t v t p 坛 工l 工2 ，工，三“上s 厶 厶 上- k 上i 上一 厶 m m z m b , t i m b a m m 啦 ”k m p t 聊押 m 砣i m y m w 第1 层角质层的含水率( ) 角质层第i 层的水分含量( ) 第v 层角质层的含水率( ) 脂质域的厚度( 岬) 脂质双层分子的厚度( c m ) 氢键数( 个) 溶质通过皮肤的稳态通量 g c s m 2 ) ) 溶质在a 相中的传质系数( m s ) 溶质在b 相中的传质系数( m s ) 溶质在a b 薅相界面传质系数( m s ) 基于自由体积扩散的溶质皮肤渗透系数( m s ) 基于横向扩散的溶质皮肤渗透系数( m s ) 玻耳兹曼常数 绑定因子 溶质皮肤渗透系数( c r a m ) 溶质在十四酰磷脂酰胆碱水中的分配系数 溶质沿着角质细胞内水相通道的渗透系数( m s ) 沿x 向的所划分的网格长度( u m ) 皮肤角质层中角质细胞的总厚度( u m ) 第i 个粘贴胶带样本上的角质层厚度( 岫) 皮肤角质层中脂肪层的总厚度( p m ) 角质层的总厚度( 1 u n ) 第i 个角质层所在深度( 岫) 溶质载体中边界层厚度( 岫) 皮肤角质层沿z 向的长度( 1 a n ) 测量的苯甲酸质量( 腭) 所加入的苯甲酸质量( 烬) 第i 个粘贴胶带样本上苯甲酸的质量( 嵋) 粘贴胶带上所含苯甲酸的最大质量( 烬) 乙醇的质量( g ) 丙二醇的质量( g ) 熔解度( ) 维生素a 的质量( g ) 第i 个粘贴胶带样本上所粘贴角质层的质量( 增) 分子体积( a 3 ) 分子量 m o l g ) 角质层的层数( 层) x 溶质在皮肤溶质载体之间的分配系数 溶质在a b 相中的分配系数 溶质在角质细胞水中的分配系数 溶质在角质蛋白水中的分配系数 溶质在脂质域水中的分配系数 溶质在正辛醇水中的分配系数 维生素a 在丙二醇水中的分配系数 溶质在角质层水中的分配系数 溶质在溶质载体脂质域中的分配系数 溶质在溶质载体水中的分配系数 感生电偶极矩 丙二醇在正辛醇水中的分配系数 正辛酵在正辛醇水中的分配系数 单位时间内溶质垂直通过a 、b 两相界面的溶质质量( g s ) 简正坐标的振幅 溶质的分子半径( e r a ) 额外的摩尔折射率 萃取回收率( ) 相邻角质细胞的问隙( 1 a m ) 所有甲基官能团中e - s t a t e 指数和( 个) 角质细胞厚度( t u n ) 温度( k ) 试验时问( m i n ) 迟滞时间( s ) 渗透时间( m i n ) 相应单元体的体积( m ) ) 单色光的频率 分子的简正振动频率 m c g o w a n 分子体积( t o o | m 3 ) 1 0 0 偏移率 角质蛋白与水相中的自由体积之比 d b 模型的待定系数 分子的极化率 溶质分子发生连续旋转运动所需要的临界体积和液体的单位分子平均自由体 积的比例 溶质在a 相中的扩散长度( e r a ) 溶质在和b 相的扩散长度( e r a ) 相对因子 ) ( i pk户搿曙枷鳓，。死。y唯陆。矿咖m矿 玉蠡磊 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名； 阻疙柱帆卿年6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 睡艺史帆叩年伽珀 导师签名：彳擀时问：却口7 年莎月日 中国农业大学博十学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 无论从重量还是面积来看，皮肤都是人体最大的组织器官，作为成人，皮肤重量约为4k g ， 约占人体体重的6 ，总面积高达2 0 m 2 。它覆盖了整个人体，既防止了体内水分和营养物质的损 失，又防止了外界化学性、物理性或生物性物质的入侵正是由于皮肤存在着这些不同寻常的作 用，因此与皮肤相关的研究越来越受到人们的重视 皮肤渗透模型研究是皮肤研究的重要组成部分，与多个关系着国计民生的领域密切相关，如： ( 1 ) 药物或日用化妆品活性物的经皮吸收领域 在经皮吸收领域，无论是药物还是日用化妆品活性物，都是通过皮肤渗透进入靶向位置，从 而达到治疗或美容等目的但由于皮肤的阻碍作用，限制了药物或活性物的经皮渗透。因此，为 了改善药物或活性物的皮肤渗透特性，优化其配方设计是重要手段，如添加渗透促进剂。改变药 物成分之间的配比等虽然配方的优化能改善药物或活性物的皮肤渗透特性，但优化配方的过程 费时、费力，涉及大量的皮肤渗透试验因此，皮肤渗透模型的研究，可实现药物或活性物的皮 肤渗透特性的快速预测，减少皮肤渗透试验次数，为配方优化设计提供理论性的指导。 ( 2 ) 有毒化合物的经皮渗透毒性评价领域 在许多有毒化合物生产、贮存、销售和使用等场所皮肤是使体内组织器官同这些有毒化合 物隔开的第一道也是最重要的屏障，有毒化舍物的经皮渗透性是有毒化合物的重要指标但由于 有毒化合物特殊性，不便进行皮肤渗透试验。欧盟已经出台相关法律，禁止在人和动物身上进行 有毒化台物的皮肤渗透试验。因此，建立皮肤渗透模型，对有毒化合物的经皮渗透毒性评价有着 重要的实际意义。 本研究将综合考虑皮肤，溶质和溶质载体理化特性对皮肤渗透的影响，建立皮肤渗透机理模 型该机理模型的建立，一方面可为经皮吸收的药物或日用化妆品活性物的配方设计提供理论性 的指导，减少试验量，缩短产品开发周期；另一方面丰富了有毒化学物质经皮渗透毒性评价的方 法，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 皮肤的结构和生理功能 1 2 1 皮肤结构 为了更好的了解皮肤的渗透特性，下面对皮肤的结构进行介绍。皮肤从外到内，由表皮 ( e p i d e r m i s ) 、真皮( d e r m i s ) 和皮下组织( s u b c u t a n e o u s t i s s u e ) 三部分组成。具体如图1 - l 所示。 中国农业大学博十学位论文第一章结论 1 表皮层 1 毛千2 毛孔3 皮肤表面4 汗孔5 毛细管矗立毛肌7 汗腺 8 小静脉9 r 细动脉1 也脂肪组织1 1 神经末桷1 2 毛囊1 3 结缔组织细胞l4 皮脂粮 图l - i 皮肤结构示意围( 来嚣于w w w i n f o v i s u a l i n f o ) 在人体上的绝大部位，表皮厚度约为0 0 7 5 - 0 1 5 r a m 。约为皮肤总厚度的5 。表皮由内向外 可分为基层( b a s a ll a y e r ) ，棘层( p r i c k l e - c e l ll a y e r ) ，颗粒层( g r a n u l a rl a y e r ) 和角质层( s t r a t u m c o r n e u m ) ( 图i - 2 ) 。 图i - 2 皮肤表皮结构示意圈( 来源于w w w i n f o v i s u a l i n f o ) 表皮由角朊细胞( k e r a t i n o c y t e ) 和树枝状细胞( d e n d r i t i cc e l l ) 两大类细胞组成角朊细胞是 角化了的上皮细胞。从基层开始，角朊细胞不断分化，向上行移，经历棘层、颗粒层，最终成为 角质层细胞而完成角化过程在角化过程中，角朊细胞不仅产生一系列形态学变化，也发生生物 学变化溶质的经皮渗透主要与角朊细胞的角化过程有关，正常的角化过程分两个阶段，即合成 阶段和降解阶段。在第一阶段中，角朊细胞会产生一系列物质，这些物质随着角化的不同阶段而 不断改变。成为细胞分化的标志。这些物质有： a 角蛋白细丝，由下而上逐渐增多且稠密，交织也越来越紧密； b 透明角质颗粒，是组成颗粒层的主要成分，越接近角质层，颗粒越大； c 被膜颗粒，它含有多种水解酶，它在表皮角朊细胞中起着溶酶体的作用，参与了溶脆作 2 用，导致细胞核的完全丧失和细胞器的崩溃以及角朊细胞的脱落。 第二阶段又称重组阶段或转换阶段，在此阶段中，细胞核和细胞器降解消失，余下的细胞成 分分散混合形成牢固的纤维和无定形基质复合物，即角蛋白，同时细胞膜增厚。角质层的形成是 表皮角化的最终点，它由角化细胞和角层脂质组成 ( 1 ) 基层 基层位于表皮层的最深处，即直接位于真皮层上，一般来说，表皮细胞的完全更耨大约要 2 8 - 3 0 天，在此过程中角蛋白细胞会经过从组织到形态的变化，活跃的基层细胞死亡，角化的角 蛋白细胞向皮肤外表面转移。基层中的角蛋白细胞形状各异，有呈立方体状也有呈柱状，它们纵 向和表皮垂直。基层的组织学结构用p a s 染色可见有0 5 1 0 p m 的红染带，称为表皮下基底膜带， 在电镜下可分为胞浆膜、透明板，基底扳和纤维成分四层，其中基底扳主要含有呈网状的i v 型 胶原纤维，使表皮具有柔韧性。基底板中的基质为硫酸乙酰肝素蛋白多糖，可限制分子量大于 4 0 k d a 的多阴离子大分子通过基底板进入表皮细胞间隙，而营养物质、抗体及白细胞等可通过基 底膜带进入表皮细胞问隙，故基底板具有半渗透膜作用。基层细胞以一定规律增殖产生新细胞。 基层有着其特有特征： a 基层是单一的一层活跃的可以不断进行有丝分裂的长方体细胞或柱状细胞； b 基层是主要的细胞进行有丝分裂的活跃区。大约有一半的基层细胞可以进行活跃的有丝 分裂。其它都分会在这些进行有丝分裂的细胞受伤之后进行补充； c 基层细胞彼此之间通过细胞桥粒进行连接； d 基层细胞直接和基层膜连接； c 基层膜与细胞桥粒之问有细丝状的物质连接到细胞表面，它们由上皮细胞的角蛋白构成； 有两种角蛋白，类型一为酸性，类型二为碱性，是构成细胞桥粒和基层膜闻的丝状物质的 主要成分； g 在表皮层，角蛋白的表达方式会随着细胞角化过程变化例如，在基层中表达为5 和1 4 的角蛋白，在棘层表达为l 和1 0 ( 2 ) 棘层 棘层是表皮中最厚的部分，由2 - 5 层的长柱状细胞构成，其特点是很容易从表皮分离出来。 棘层细胞中靠近皮肤表面的部分是扁宽的层状细胞，大约有o 1 - 4 ) 3 9 m ，它们被称为是o d l a n d 体 或“膜衣粒”。它含有水解酶，酶蛋白和一些脂质体其中具有双层膜结构的脂质体在药物透过 角质层的扩散中起着很重要的作用该层特性为： a 这一层的细胞由基层生长起来，在失掉和基层膜的连接之后即连接于其他的角化细胞； b 这一层中的一些细胞也是可以活跃的进行有丝分裂的； c 这一层的细胞拥有更加扁的形状，角蛋白和丝状间质与结合酶的含量更多。 ( 3 ) 颗粒层 颗粒层是进一步向角质层分化的细胞，一般为2 - 4 层梭形细胞棘层细胞向上发展时，失去 3 中国农啦大学博十学位论文第一章绪论 胞核，并在胞质中产生成块的嗜碱性物质透明角质颗粒。棘层细胞胞浆内充满许多大小不等、 形状不规则、深嗜碱性的角质透明颗粒，其主要成分为原丝聚合蛋白。当颗粒层细胞分化为角质 层时，其可降解为一种富含组氨酸的阳离子蛋白的丝聚合蛋白，可作为张力细丝的粘合物质透明 角质颗粒沉积在张力原纤维束( 角蛋白细丝) 内和周围。随着颗粒层细胞越接近于角质层，颗粒 越大、越多。在颗粒层上部，被膜颗粒已移至颗粒层与角质层间的细胞间隙中，其板层中的疏水 磷脂充满细胞间隙，成为一个防水屏障，使水分不易从体外渗入，同时也是阻止棘层细胞闻隙内 的组织液向角质层渗透，致使角质层细胞的水分显著减少，成为角朊细胞死亡的原因之一 ( 4 ) 角质层 角质层( s t r a t u mc o m e u m ) 位于皮肤的表面，厚度约为1 0 - 2 0 | j m ，由1 0 - 2 0 层的无生命、扁 平状角蛋白细胞组成，其细胞核和细胞器已经完全消失电镜下，角质层细胞内充满密集平行的 角蛋白张力细丝浸埋在无定形物质中，其中主要为透明角质所含的富有组氨酸的蛋白质细胞膜 内面附有一层厚约1 2 衄的不溶性蛋白质，故细胞膜增厚而坚固细胞膜表面折皱不平。细胞相 互嵌合，在角质细胞间存在着脂质，其来源于放膜颗粒被膜颗粒的内含物分泌到角质细胞间后， 糖脂消失，同醇加上来自其他细胞器膜的磷脂。经过代谢和重组，形成角质细胞问隙的脂质域( 1 i p i d d o m a i n ) 。脂质域由多层高度有序排列的脂质双分子层组成，脂质分子中的亲水部分由磷脂、酰 基鞘氨醉、糖基酰基鞘氨醇、神经节苷脂、甾醇脂、胆固醇脂肪酸等亲水基团组成，约厚3 0 - 4 0 a ， 与水结合形成水性区。脂性区由骺质分子中的碳氢链构成，约厚1 5 2 5 a 。水性区和脂性区相互交 叠，两层角质细胞间脂质片层厚度为5 0 1 0 0 n m ，大约有数十个双分子层。 将角质层分割成一串不连续的单元，每一串单元包含一层角质细胞和脂质域。每个单元的亲 水空间由角质细胞的亲水部分和脂质双层两极性头之间的空间组成，单元中的亲水空问有重新分 配的离子，同时，角质层从上到下的每个单元被脂质域分割。这种结构类似于砖墙结构，角质细 胞类似于砖块，脂质域类似于填充于砖块间并粘着砖块的水泥灰浆，如图1 3 所示这个模型称 为角质层的砖墙模型( b r i c k m o r t a rm o d e l ) 正是由于角质层的特殊理化特性和组成成分，使其成为物质渗透的主要阻力对于亲油性溶 质来说，角质细胞间脂质域是其主要通道，但由于脂质域在角质层中所占空间较小( 大约l 0 ) ， 且脂质域的渗透通道曲折率大，导致溶质渗透速率较低：对于亲水性较强的溶质来说，由于亲水 性溶质在脂质域中的溶解度较低，因此较难通过角质层的脂质域通道进行渗透。 4 中国农业大学博十学位论文 第一