化妆品功效评价的生物物理学方法.doc

化妆品功效评价的生物物理学方法化妆品功效评价的生物物理学方法中国检验检疫科学研究院北京中德联合化妆品研究所,北京100025祁彦郑洪艳对化妆品的生物物理学功效评价方法进行了综述,重点介绍了保湿,防晒,美白和皮肤表面轮廓的评价方法,另外还对皮肤表面油脂,除臭止汗剂,皮肤清洗和皮肤弹性的评价方法进行了简要介绍.化妆品功效评价生物物理学方法BiophysicalTestMethodsforCosmeticEfficacyAssessmentQiYahZhengHongyan(ChineseAcademyofInspectionandQuarantineBeijingSinoGermanUnionCosmeticInstitute,Beijing100025)AbstractBiophysicaltestmethodsofcosmeticefficacyaredescribed.Skinmoisture,sunprotection,skinsurfaceprofileandskinwhiteningarerelativeintroduceddetailed.Furthermorewehavesimplypresentedtheefficacyassessmentmethodsofdeodorantandantiperspirant,skinclean,skinsurfacelipidandskinelasticity.KeywordsCosmeticEfficacyassessmentBiophysicalmethods近年来随着国民经济持续增长和国民物质消费水平的提高,我国化妆品工业迅速崛起.据统计,我国现有化妆品生产企业约5000余家,2005年化妆品行业销售额为960亿元.人们对化妆品的消费要求与日俱增,对化妆品的功效性也越来越重视.但是,由于我国对于化妆品的功效宣称没有相关的法律法规进行有效的监管,对化妆品功效的夸大和虚假宣传屡见不鲜,不仅损害了消费者的利益,尤其是在进口化妆品大量涌人的今天,必将严重阻碍民族化妆品工业的健康发展.目前,我国化妆品功效评价研究刚刚起步,相关的技术和标准严重滞后于化妆品工业的发展,在许多领域仍然是空白.因此,开展化妆品功效评价的相关研究,不仅为保护我国公众的化妆品消费安全,缩短我国化妆品行业与国外的差距,而且能提高我国化妆品的技术含量.为树立我国自己的化妆品品牌提供技术支持.收稿日期:2(1(16一o306;修回日期2006041628WWW.本文综述了化妆品的保湿,防晒,美白,皮肤表面轮廓,皮肤表面油脂,皮肤清洗,除臭止汗和皮肤弹性的功效评价方法,重点是人体功效评价仪器测量方法.化妆品功效评价研究在国外发达国家已经开展多年,因此本文主要取自国外文献1保湿保湿性是护肤化妆品最基本的功能,保湿类护肤品不仅是许多女性的日常用品,近年来还成为某些皮肤病辅助治疗的手段.对于此类产品的功效评价,国外多通过测定皮肤含水量,而国内尚无统一的方法.1.1皮肤表面水分流失(transepidermalwaterlossTEWL)1皮肤水分流失测量仪(TewameterTM210)使用特殊设计的两端开放的圆柱形腔体测量探头在皮肤表面形成相对稳定的测试小环境,通过两组温度,湿度传感器测定近表皮(约1cm内)由角质层水分散失形成的在不同两点的水蒸气压梯度,按照FickS原则,计算TEwL值以g/cm./h表示.TEwL值不能直接表示角质层的水分含量,而是表示角质层水分散失的情况,说明角质层屏障功能的完整性是评价角质层状态的重要参数.1.2皮肤水分测定仪(Corneometer)l_3”CorneometerCM825是Dr.Schrader研究所研发的,是一种常用的测量皮肤水分的仪器,探头是根据电容测量的原理起作用.水的介电常数是81,其他物质的介电常数通常小于7,水是皮肤上介电常数最大的物质.当水分含量发生变化时,皮肤的电容值亦发生变化,故可通过测定皮肤电容值,分析皮肤表面的含水量.测得值是一相对值,单位用C.U(CorneometerUnits)表示.与阻抗测量不同,电容测量时在测量电路和皮肤之间没有电连接,这是Corneometer很重要的优点;并且用到皮肤上的产品里的化学物质特别是盐对实验结果没有影响.探针电扩散场的穿透深度很小,约为3040Fro,因此Corneometer只能测到皮肤表面的含水量.Corneometer可以在非常短的时间测量出皮肤含水量(不超过1秒),可以避免可能的封闭效应,避免对结果产生影响,这是非常重要的;探针具有温度稳定性,用Corneometer能在机体的任何部位得到可重复的测量结果.1.3电导法(Conductancemethod)2,s3用高频电流可以测量最上层皮肤的电导,以数次电导数值的平均值作为皮肤角质层含水量,日本的仪器SkiconHygrometer就是根据这一原理工作的.1.4红外(IR)测量法(IRmeasurement)E63可以通过水的特征性吸收带,根据红外射线的表皮吸收来评价皮肤的含水量,此试验常规应用花费时间较长.1.5光声方法(Photoaeousties)73周期性的光照射引起组织的压力变化产生声学信号,光声方法就是基于测量这种声学信号的方法.另外一种方法共振频率法(ResonanceFre-quencymethod)目前已不再使用.环境因素对皮肤含水量影响很大,水分测量时必须考虑到环境因素,要有标准的测量条件,如测试时志愿者首先在恒温恒湿的空调房间里(温度:221,相对湿度:509/659/6)等待30分钟,然后在恒温恒湿实验室进行相应的测试.季节和相应的天气变化将会影响测量结果8,皮肤水含量的测量最好在冬天进行,因为在冬天由于基础值和最终测量值有较大的差别,更容易阐明使用产品后角质层的水合作用.另外皮肤含水量也与测量的部位,机体水平衡,年龄,个人的生活方式,饮食习惯,吸烟与喝酒,服用药物和使用化妆品等有关,测量时必须将这些因素考虑进去.另外可以体外用重量法测定产品的吸湿,保湿性来评价样品的保湿效果_IJ【.2防晒近几十年来,随着世界范围的工业化发展和航天航空活动的影响,覆盖地球表面的大气臭氧层受到了破坏,太阳辐射日益增强.紫外线uV的生理作用与射线的波长范围有关,UVC(100280nm)被地球臭氧层吸收,UVB(280320nm)引起晒伤和间接皮肤变黑,UVA(320400nm)能引起直接皮肤变黑和皮肤老化.因此防晒化妆品的主要功效体现在对UVB和UVA的防护效果上,评价防晒化妆品的防晒效果有许多客观指标,叙述如下:2.1人体SPF测定防晒指数(SunProtectionFactor,SPF)SPF是防晒化妆品保护皮肤避免发生日晒红斑的一种性能指标,所谓日晒红斑也称紫外线红斑,主要是日光中UVB诱发的一种皮肤红斑反应,因此防晒化妆品SPF值也经常代表对UVB防护效果的指标.目前人体法测定防晒品的SPF值是国际统一的技术模式.最小红斑量(MinimalErythemaDose,MED)是指引起皮肤红斑,其范围达到照射点边缘所需要的紫外线照射最低剂量(J/m.)或最短时间(秒)(化妆品卫生规范2002版).引起被防晒化妆品防护的皮肤产生红斑所需的MED与未被防护的皮肤产生红斑所需的MED之比,为该防晒化妆品的SPF,可表示如下;PF:焦旦堕.堕昌堕鏖一未防护皮肤的MED在正常情况下SPF值在I520足够了1.SPF值增加但对紫外的吸收增加很少(如SPF20=95%吸收,SPFS0=989,5吸收),但这却需要相当高的遮光剂浓度,在此情况下会产生较多的产品降解产物,对皮肤产生副作用_l1.目前国际上主要国家测定防晒化妆品SPF值的技术方法对b匕见表1_1.除了各国家制定的测量SPF的标准之外,多个国际组织经多次协商,修改和征求意见,在2002年WWW.29lO月达成一致,形成了SPF测定国际统一方法m.表1不同国家SPF值测定主要条件比较SPF测定美国(FDA)欧洲(COI.IPA)Et本(JC!A)澳大利亚和新西兰中国(NSCC)主要条件1999盔1994年1999薤1993年2002焦受试人数20251()2010人以上10人以上10人以上皮肤类型IIIII标准对照8HMSI&HL&H8HMS8HMS样品用量(mg/cm.)2.()()2.()()().042.002().052.()()涂抹面积/cm25035203()30UV光源/rim29()4()()28()40()28()32029(J4()()29()40()照射面积/cm>1>().4>().5>1>().1SPF计算方法均数X均数x均数X均数x均数x95可信限SE<10SE<7SE<10HMS;水杨酸三甲环己酯I&.H:标准物质P1(SPF4.0-4.4),P3(SPF14.O-17.(1)2.2防晒化妆品吸光度值及SPF值仪器测定法利用仪器测定的方法进行体外实验,也可以粗略地估计防晒产品的防晒效果.常用的方法有紫外分光光度计法l1旧和SPF仪测量法(如美国Optometrics公司生产的SPF-290测定仪),二者原理大致相同,即根据防晒化妆品中紫外线吸收剂和屏蔽剂可以阻挡紫外线的性质,将防晒化妆品涂在特殊胶带上用不同波长的紫外线照射,测定样品的吸光度,根据测定值大小直接评价防晒效果.SPF仪器法增加了特殊软件程序,将测定结果及其他试验因素转换成SPF值直接显示.2.3UVA防护效果测量关于防护化妆品UVA防护效果的评价问题,目前国际上尚未形成统一的标准方法,还没有测量UVA防护的满意的方法,还需要进一步的研究.还有许多问题没有全面的解决或根本没有解决.目前正在讨论的或在某些方面已使用UVA测量方法见表2.表2正在讨论的或在某些方面已使用UVA测量方法体内方法体外方法lPD一即时色素黑化澳大利亚标准PPD一持续色素黑化Diffey方法一,Boots-StarRating方法COIAPAUVA方法2.3.1人体UVA防护效果测量方法UVA照射后皮肤上可立即出现一种棕灰色至棕黑色反应,称之为即时色素黑化(ImmediatePig一30WWW.frojourna1.cornmentDarkening,IPD),UVA曝光后24h期间的色素反应被认为是持续色素黑化(PersistentPigmentDarkening,PPD).IPD和PPD方法由于观察的是不同的皮肤反应,结果也就不同,没有可比性.目前PPD方法比IPD方法受人欢迎,在日本以PPD方法作为标准l1.PPD方法是在UVA照射后24h内测量持续色素黑化,通过测定受试者对UVA照射后的最小持续色素黑化量(MinimalPersistantPigmentDarkening,MPPD)来计算PFA.PFA值只取整数,按下式换算成PA等级:PA+:PFA值为23;PA+:PFA值为47;PA+;PFA值为8或8以上;PFA值小于2,无UVA防护效果;Dr.Schrader研究所目前应用化学发光方法研究体内UVA防护的程度1.UVA射线能干扰皮肤促氧化反应(prooxidative)和抗氧化反应(antioxidative)问的稳态平衡,导致自由基和活性氧簇形成增多,损伤活细胞”.这些反应产生的部分能量以光子的形式释放.这种UV诱导的化学方法产生的光子发射(化学发光)与皮肤损伤的程度有关_21I.ICLSE(InducedChemiLuminesceneeofhumanSkin)是与PPD方法相比新的适用于体内定量表示UVA防护水平方法,能提供与UVA防护有关的可靠的数值.2.3.2体外UVA防护效果测量方法体外UVA测量方法有许多(见表2),这些方法具有的共同之处:测量置于石英板上的产品的透射率(transmission)(使用或不使用transporttape),但这种人工基质模拟的皮肤不能令人满意,且测量介质上的产品的分布通常是不均匀的.对于防晒产品的防水性测量,C0PLIA的防水方法正在研究中,但在FDA规则中已详细说疫学法和生化酶学法,以生化酶学法较为简单成熟.酶试验法简单易行,但仍需结合各种实验方法,才能正确评价化妆品的美白功能.测定培养细胞中酪氨酸酶活性方法早期是由HideyaAndo等于1995年提出的,后来又对这种方法进行了改进_2.国外很多文献在研究美白活性物质的抑制效果或黑素细胞中的酪氨酸酶的活性时都采用了细胞实验方法.3.1.2黑素细胞中黑素含量测定【_2叫此法被认为是美白化合物功效评价的最基本,最终指标,无论美白化妆品的作用原理是抑制酪氨酸酶活性,或者阻断信号传导途径,还是通过其它途径作用,其美白效果的最终评判要以黑素细胞中黑素含量是否降低为准则.目前美白活性物质的功效评价可采用生物化学(分光光度法)测定黑素细胞中的黑素含量.另外也可用细胞图像分析技术测定黑素细胞中的黑素含量r.在细胞水平的美白功效评价除了上述方法外,还包括MTT法测定黑素细胞增殖率方法,显微镜观察黑素细胞方法,分子生物学方法等.3.2人体美白祛斑测试方法3.2.1Mexameter方法圳MexameterMX16是一窄谱反射分光光度计,仪器探头的发射器发出波长分别为568nm(绿光),660nm(红光),880nm(红外光)三种波长的光照射在皮肤表面,接收器测得皮肤反射的光.发射器和接收器的位置保证了只有漫射光和散射光可以被测到,由于发射光的量是一定的,因此就可以测出被皮肤吸收的光的量.用以下公式计算黑素指数(melaninvalue)和红斑指数(hemoglobinvalues)评价化妆品的美白祛斑效果.Melaninvalue=500/log5(1oginfraredreflection/redreflection+log5)Hemoglobinvalue一500/log5flogredrefleetion/green-reflection+log5)infrared一红外光;red一红光;green-绿光reflection一对应每种光的反射光3.2.2Chromameter方法Chromameter(MinoltaChromameterCR400)通过CIELab色度系统评价美白类化妆品的功效.测试指标L,a,b为三维直角坐标系统的坐标值,L为亮度,值越大,颜色越偏向白色,反之,则越偏向黑色.a为红,绿色品,+a为红色方向,一a为绿色方向.b为黄,蓝色品,+b为黄色方向,_b为蓝色方向.在La*b色度系统中,以坐标Lab之差L,a,b来表示二种刺激之间的色差AEab,即在色空间两颜色点之间的距离.AEab=(AL)+(Aa)+(Ab).由于AEab是L,a,b的综合指数,代表了色度的立体变化,所以是评价肤色变化的较合适指标.Lab色度系统反映的是皮肤颜色的色彩变化,不仅能反映肤色的黑白变化,还能反映皮肤的变红,变黄等.因而在以肤色变化为观察终点的人体肤色分类及防晒,美白化妆品功效评价中得到了普遍应用.另外也可用扫描式反射分光光度计Remissionspectrometer和数字图像分析系统评价美白化妆品的功效34,353.4皮肤袭面轮廓护肤品的重要性质除了保湿外,另一个就是对皮肤表面结构的作用.皮肤表面情况本身包括很多物理特性,包括皱纹深度,宽度,皮肤粗糙程度,弹性,颜色,光泽等,相对研究较多的是皱纹的深度,宽度.皮肤纹理与皱纹的测定,一直是皮肤抗衰老研究的一个重要手段,也是目前抗衰老祛皱产品功效评价较客观的方法.为了满足测量护肤品功效的要求,皮肤表面的测量在评价化妆品时变得越来越重要.测量皮肤表面轮廓(skinsurfaceprofile)的方法包括:使用皮肤复制品方法:包括ProfilometerHomreeltester方法,定量图像分析口,laserprofilometryE胡和skinvisiometer方法;非接触性测量方法:包括Primosc,FOITSc”,SELSc;还有WWW.ffcjourna1.corn一31其他方法:如扫描电子显微镜,共聚焦显微镜4,多光子显微镜.以上方法可分为两大类:使用复制品方法和直接在皮肤上测量的方法,非接触直接测量方法出现后,目前用复制品方法显得没有必要了_3,在此也不再详述,重点介绍非接触性测量方法FOITS.皮肤光学快速成像系统(Fastopticalinvivoofhumanskin.F0ITS)38,40FOITS系统是基于三角测量法的原理进行皮肤表面测量,包括投影装置和CCD相机.FOITS系统将相移技术(phaseshifttechnique)与格雷码技术(graycode)相结合,分辨率增强,z方向的分辨率为4m,x和Y方向的水平和垂直分辨率均为28/m.FOITS技术对检测区域:25x35ram(水平),20ram(深度)范围内的点进行扫描,并用电脑程序处理,对皮肤表面进行准确的3D重建.F0ITS是一种新的体内技术,能够全面广泛地描述皮肤表面,在特别短的时间内从皮肤表面收集三维信息,不超过1秒,并且可以保证基础图像和最终图像是在同一皮肤区域测量得到的.皮肤粗糙程度用三个参数评价:Ra是平均粗糙指数(DIN4768/1),是在整个评价长度范围内,被测皮肤表面轮廓线上各点至轮廓中线距离的绝对值的算术平均值;Rz是平均粗糙深度(DIN4768/1),皮肤表面轮廓线被分为5个相等的片断,每一片断最高峰和最凹点之间的距离的算术平均值即为Rz;FDD(frequencydistributionofdepth)是深度分布频数,是另一个是判断皮肤表面轮廓改善的准确参数,在0lO00m范围内每隔5m进行FDD分析.FOITS使用了偏振投影灯和一个与相机镜头平行的分析仪,这确保测定的数据点仅代表皮肤表面的信息.FOITS仪器容易操作,可以测量身体任何部位,可以测量复杂的区域如眼眶周围区和鼻唇沟区,这对FOITS仪器无疑是一大优点,可以直接在眼睛周围研究抗皱眼霜的抗皱作用.现在,由于FOITS方法有较大优点,如相对于大量数据的短的检测时间,不接触测量,可以测量身体任何部位等,其应用非常广泛.5皮肤表面油脂皮肤表面油脂或皮脂主要由皮脂腺分泌物,角质层脂肪源自汗腺的残余物组成,因此皮肤表面油脂是不稳定的混合物质.皮脂测量仪(SebumeterSM810)是DrSehrad-er研究所研发的测量皮肤表面油脂的仪器,它是一32一WWW.基于油斑光度计原理工作的,将一块特殊消光胶带贴压在皮肤上,油脂覆盖在胶带上,增加了胶带的透明度,透明度与油脂的量成比例.对于头发皮脂的测量,用发际处的前额皮肤而不是用头皮进行测量.贴压膜时用力要一致,应用时间相同.这是一种间接测量皮肤油脂的方法,仪器容易使用,能迅速给出可重复的结果,据此可区分不同的皮肤类型.脂带法(Sebutape)是另一个测量皮肤表面皮脂的方法,它不但能检测皮脂的量,而且能检测皮脂腺孔的结构.6除臭止汗6.1测量除臭剂功效的试验方法根据文献主要有三种不同的方法验证除臭剂的功效_46:体外微生物学评价是根据产品抑制细菌生长能力而设计的方法,化学分析法是使用色谱法检测恶臭化学成分的方法,但这两种方法均不能定量地评价恶臭,应用受到限制.感官评价方法中的鼻吸试验(snifftest)是验证除臭剂功效的最好的方法_4,这是一嗅觉试验,使用产品前后通过直接嗅腋窝,根据评估标准评分,定量地表示除臭剂的功效.另外也可以间接地对腋窝进行气味评估.6.2测量止汗剂功效的试验方法有多种方法测量止汗剂的止汗效果:目测试验能检测排汗的数量和汗滴的大小;也可用仪器进行试验如:TEWL法,测量电阻法,温度记录法.重量分析试验(J是最常用的方法,此方法是将小的具有吸收能力的硅胶垫放于腋窝下,使用产品前后称吸收垫的重量,从而可以知道产品的抗汗效果.7皮肤清洗皮肤上主要的杂质包括化妆品,药品的残余物,皮脂腺的分泌物,脱落的角质细胞和环境污染物,如粉尘,煤烟,微生物.清洗剂种类繁多,如何检测这些清洗剂的清洗效果,Dr.Schrader研究所研发了特殊的皮肤清洗机l5,能够测量清洗产品的皮肤清洗功效(如沐浴产品,洗发剂,肥皂和工业清洗剂).清洗机最佳地模拟了清洗过程,两个清洗臂在前臂皮肤上来回移动,所用的压力固定不变,速度可以调节.清洗效果可以主观评价或根据比色计评价,如根据Lah颜色系统的Chromameter.8皮肤弹性测量原理是基于吸力和拉伸的原理,利用负压装置对皮肤弹性进行测定.仪器包括真空发生器和测试探头.探头内包括光的发射器和接收器组成的非接触式的光学测量系统,光的比率(发射光和接收光之比)与被吸入皮肤的深度成正比,由此可测得恒定负压时皮肤弹性.当探头轻压皮肤时,在被测试的皮肤表面产生一个负压将直径约2ram皮肤突然吸入特定测试探头内,然后真空释放,皮肤被逐渐放松,每个测试循环持续10s此过程中对被吸入皮肤进行光学测量并传入计算机,在线绘制检测曲线,根据检测曲线计算出标准参数R,R.I一最R2(Kl】Rt)/R_lRsUR/UER6一Uv/UrR7=Ua/R【1图1Cutometer参数介绍虽然可以用Cutometer和Taxometer研究产品对皮肤弹性的影响,但目前这些方法并不能明确地检测单独使用化妆品对皮肤弹性的改善5.综上可见,目前已经有许多生物物理方法对化妆品的效果进行评价.但各种方法都仍有不足之处.有的方法基本有了统一的评价标准,但大部分方法仍在积极探索中,需要不断的研究和完善,以便对众多化妆品的效果进行准确客观的评价.2345参考文献GloorM.AnforderungenanKosmetikabeiderAhershaut.SOFWJournal,2001,127,4,6168BlickmannC.W.SerupE.AssessmentofSkinMoisture.MeasurementofElectriealConductanee,CapacitanceandTransepidermalWaterlossJIActaDerm.Venereol,:68,284-290SchraderK.Untersuchungenwasseretinieren暑gsmetikaaufderHautJ.ParfumerieundKosmetik,1981,62,265272SerupJ,JemeeGBE.HandbookofNoninvasivemethodsandtheskinM.NewYork:CRCPress,1995,161ScalySkin.TagamiH.,OhiM.,1watsukiK.,eta1.EvaluationoftheSkinSurfaceHydrationInVivobyElectricalMeasurementJ.J.Invest.Derato1.,1980.75.50(1507TriebskornA.,GloorM.,GreinerF.ComparativeInvestigationsontheWaterContentoftheSCUsingDifferentMethods0fMeasurementJ.Dermatologica.1983,167,64697PinnegodaJ.,TapkerR.A.,SmithJ.A.,eta1.TheIntraandInterindiidualVariabilityandReliabilityofTransepidermfllWaterlossMeasurementsJ.ContactDermatitis,1990,21.2552598RohrM.,SchraderK.ClimaticInfluenceonCosmeticSkinParameters.In:EisnerP.,BarelA.O.,BerardescaE.,GabardB.,Setup1.,(eds),SkinBi0engineerngTechniquesandApplicationinDermatologyandCosmetology,Curr.ProblM.Dermato1.Basel.Karger.1998.26.1511649李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