细菌纤维素面贴膜对营养物的吸收及释放行为研究

聂英，陈春涛，朱春林，孙东平

(化学生物学与功能材料研究所 南京理工大学 化工学院，江苏 南京 210094)

面贴膜是以赋型物(合成或天然片状纤维物)为基底，吸附各种功能性营养物质，直接敷于皮肤表面，起集中护理和清洁作用的产品。上个世纪90 年代，研究人员开始研究棉纤维作为面贴膜基材的可行性，并取得了大量的研究成果［1-2］。细菌纤维素(BC)是由D-吡喃葡萄糖以β-1，4-糖苷键连接而形成的直链多糖。与动、植物纤维相比，BC 具有更多的优异性能，如纤维直径为10 ～100 nm［3］;亲水性极强，能吸收比自身干重大60 ～700 倍的水分。因此，BC 在许多领域都有很高的应用价值，特别在医药方面，对于受损皮肤，BC 是一种良好的医药载体，原因如下:第一，其能向患处输送治疗药物的同时隔绝患处与外界的接触，防止伤口感染;第二，由于较高的保湿作用，BC 能保证患处的湿润，易于患者康复［4］。另外，BC 也可以作为人工皮肤，诱导受损上皮细胞修复，Lin Y K 等［5］通过物理破坏，制备微孔BC 凝胶，随后修饰上细胞外基质(胶原蛋白、弹性蛋白和透明质酸)和生长因子等来提高凝胶的生物适应性及生物可降解性，制得了理想的皮肤替代物。

不难看出，BC 满足应用于美容行业的条件:第一，BC 具有优良的保水保湿性能，能保持皮肤的湿润;第二，BC 在将药物(包括护肤及美容的有效物质)输送到皮肤的同时，能抑制皮肤感染。若以BC为面贴膜，膜在保持皮肤湿润的同时更能促进有效物质的输送。

目前，国内外对于化妆品的透皮吸收研究则非常有限，分散于各种文献资料［6-7］。而护肤品中营养成分只有被吸收才能发挥功效［8］。因此，只有建立在透皮吸收的基础上，功效性成分的开发和应用才有意义。

此文旨在利用BC 为护肤物质的载体，研究其制备的面贴膜的功效性。将BC 制备的面贴膜与市售的面贴膜材料(棉纤维、蚕丝)的各种性能进行对比，利用药学理论，研究营养物质的吸收情况，为产品的有效性提供科学的数据依据，同时也优化产品性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

尿囊素、维生素E 等营养液配方组成均为分析纯;异丙醇，色谱纯;BC 薄膜，自制;0.22 mm 棉纤维及0.12 mm 蚕丝薄膜，市售;小型猪猪皮用剃须刀刮去毛发，手术刀除去皮肤脂肪，用生理盐水清洗干净，冷冻保存。

安捷伦1200 高效液相色谱仪;TP-6 智能透皮仪。

1.2 面贴膜的制备

将膜材浸于5 mL 实验室新鲜制备的含有0.1%尿囊素及0.2%的维生素E 醋酸酯的水包油乳液中，充分吸收营养液至饱和。乳液配方列于表1 中，乳液的制备方法参考Allef 等［9］。制得乳液呈白色，于显微镜下观察:乳液为粒径在3 ～10 μm的圆形颗粒。

表1 水包油乳液配方Table 1 Formula of O/W emulsion

1.3 BC 及棉纤维、蚕丝对营养物质吸附能力的测定

将膜材置于乳液中，测定吸附的营养物质含量，具体方法如下:

取2 cm ×2 cm 的待测膜片若干片，充分浸入乳液中5 d，剪碎超声提取其中营养物质，测定膜材料对营养物质的吸附量。每个样品重复测定5 次，结果列于图1 中。

1.4 BC 及棉纤维、蚕丝的控制释放研究

本实验分别采用尿囊素(亲水性抗炎物质)及维生素E 醋酸酯(疏水性抗氧化物质)两种小分子为模型营养物质，考察3 种不同材质对该两种物质的控制释放行为。同时，优化BC 膜片的厚度，即研究不同厚度的BC 膜片对模型营养物质的控制释放情况，并进行比较，选出释放效果最好的BC 膜片。在此实验中，考察的BC 厚度依次有0. 5，1，1. 5，2.0，2.5 mm 等。

透皮实验具体操作如下:猪皮置于接收池与供给池中间(有效透皮面积S =2.49 cm2)，表皮层朝供给室方向，用镊子固定后，将吸附乳液的材质膜紧贴于皮肤表皮层。另外，接收池的接收液选择:测定尿囊素透皮量时，以去离子水为接收液;测定维生素E 醋酸酯时，以异丙醇为接收液。透皮条件:水浴温度37 ℃，接收池转速250 rad/min，供给室处于开放状态。

1.4.1 BC 对尿囊素的透皮实验方法分别取面积为2.48 cm2圆形BC 湿膜8 片，分别浸泡于5 mL 实验室新鲜制备的含有0.1%尿囊素及0.2%维生素E 醋酸酯的乳液中5 d，待其充分吸收精华液至吸附平衡后，用于透皮释放实验。分别对每片膜设定一定的透皮时间(如5，10，15，20，25，30，35，40 min)，每片膜仅测一个时间，透皮完毕后取下。对皮肤处理如下:利用去离子水除去皮肤表面的尿囊素，将皮肤剪碎浸于去离子水中，超声提取真皮及表皮的尿囊素，用高效液相法分析输送到皮肤的尿囊素含量。上述实验重复5 次，取平均值。对膜材输送到皮肤的营养物的量与时间关系作图，得到材质控制释放曲线。

BC 对维生素E 醋酸酯的透皮实验方法同上，只需将超声用溶剂用异丙醇代替。

棉纤维、蚕丝等控制营养物质释放实验方法同BC 的实验方法。

2 结果与讨论

2.1 BC 及棉纤维、蚕丝吸附营养物质能力的比较

图1 为棉纤维、蚕丝及不同厚度的BC 膜对两种营养物质的吸收能力研究结果。

图1 3 种不同材质载营养物的测定结果Fig.1 The results of carrier amount of nutrients for three different materials

由图1 可知，BC 对2 种物质的吸附量随膜厚度的增加而增加，且对亲水性小分子尿囊素而言，这种增幅更明显，而对疏水性小分子维生素E 醋酸酯的增幅较小。

上述结果与BC 及乳液的结构有关:乳液中，尿囊素溶于水为连续相，维生素E 醋酸酯则形成油状颗粒(粒径为5 ～10 μm)，而BC 为有致密的网状结构的亲水性高分子(见图2)，对连续相具有亲和作用，使之可以不断的扩散进入膜材中，因此膜厚度越大，吸收量增幅越大;反之，油状颗粒的孔径较大，在吸附过程中受到BC 孔径的物理阻碍而使吸收被部分抑制，且膜厚度越大，纤维层层重叠，抑制作用越明显，吸收量的增加幅度越小。

同时与棉纤维及蚕丝相比，除0.5 mm 薄膜的对尿囊素的吸收量较小外，其它厚度的BC 膜的吸收量均略高，最高的2.5 mm 薄膜(79.85 ±3.50)μg/cm2的吸收量约为棉纤维的1.35 倍，蚕丝的1.39 倍;而对维生素E 醋酸酯的吸收量明显较小，吸收量最大的2.5 mm 薄膜(35.98 ±1.70)μg/cm2的吸收量约为棉纤维的55%，蚕丝的67%。结果表明，BC 对亲水性小分子的吸附能力要强于其它2 种材质，而对疏水性小分子的能力较弱。

图2 3 种膜材料的微观结构图Fig.2 The SEM micrographs of CC (a)，NS (b)，BC membrane (c)and the optical microscope of emulsion (d)

2.2 BC 及棉纤维、蚕丝的控制释放研究

BC 及棉纤维、蚕丝的控制释放研究见图3。

由图3 可知，棉纤维及蚕丝对营养物质的释放速度较快，在15 min 时对2 种营养物质的释放量已达到最大值，而BC 对营养物质的释放因膜厚度而异。总体而言，BC 膜越厚，对营养物质的最大释放量越大，达到平衡的时间也越长。说明膜越厚，对营养物质的释放速度越慢。可能原因是BC 的三维网状结构使得物质的释放过程中需要经过的路径较长，且膜越厚，路径越长，使得物质的释放越缓慢，此推断与黄琳等［10］研究结果一致。同时，膜厚度大于1.5 mm 的BC 膜的输送速度慢，在短时间内输送累计量小，但是根据释放曲线趋势可知，如果透皮实验时间继续延长，膜会继续输送营养物质进入皮肤，此依据来源于Trovatti 等［11］的研究结果。

图3 3 种膜材料对尿囊素及维生素E 醋酸酯的控制释放曲线Fig.3 Allantoin(a)and tocopherol acetate (b)control released profiles from three different films

各膜材的最大释放量结果见图4。

图4 膜材传递到皮肤的营养物质的最大释放累计量Fig.4 The highest cumulative amount of nutrients delivered onto skin

由图4 可知，在实验时间内，棉纤维对营养物质的最大释放量要高于蚕丝的释放量，而膜厚度大于1.0 mm 的BC 薄膜对营养物质的最大释放量均高于其它两种材质，且1.5 mm 薄膜的释放量最大，对尿囊素的最大释放量约为棉纤维的2 倍，对维生素E 醋酸酯的最大释放量约为棉纤维的1.5 倍。

就实际应用而言，在恰当的时间内，如20 ～30 min，1.0 ～1.5 mm 厚的BC 膜输送的营养物质明显比其它膜多。因此，1.0 ～1.5 mm BC 膜更适合于制备面贴膜，且其产品效果比其它两种材质更优。

3 结论

BC 膜与其它两种商业可用的材质(棉纤维，蚕丝)相比，当以尿囊素及维生素E 醋酸酯为模型营养物时，BC 膜对亲水性小分子的吸附能力普遍较高，而对疏水性小分子的吸附能力普遍较低;就膜材料对物质的输送性能而言，1.0 ～1.5 mm 的BC 膜在20 ～30 min 内的传递效果最好，即采用同一营养乳液配方，该厚度的BC 膜制备的面贴膜产品能将更多的营养物质输送到皮肤，功效性更好。因此，在面贴膜制备方面，BC 膜是一种优良的备选材料。

［1］ Eden J L，Cole M A，Santacecilia R. Method for treating non-woven webs:US，7141108［P］.2006-11-28.

［2］ 戴杰龙. 一种生物纤维面膜:CN，201949364U［P］.2011-08-31.

［3］ Yoshinaga F.Bacterial cellulose production by aeration and agitation culture and its application as a new industrial material bioscience［J］. Biotechnology and bochemistry，1997，61(2):219-224.

［4］ Huang Y，Zhu C，Yang J，et al.Recent advances in bacterial cellulose［J］.Cellulose，2014，21(1):1-30.

［5］ Lin Y K，Chen K H，Ou K L，et al.Effects of different extracellular matrices and growth factor immobilization on biodegradability and biocompatibility of macroporous bacterial cellulose［J］. Journal of Bioactive and Compatible Polymers，2011，26(5):508-518.

［6］ 林婕，何聪芬，董银卯，等. 化妆品功效成分的透皮吸收途径与技术［J］.中国化妆品，2009(2):90-97.

［7］ Kezic S.Methods for measuring in-vivo percutaneous absorption in humans［J］.Human ＆ Experimental Toxicology，2008，27(4):289-295.

［8］ Wiechers J W. Avoiding transdermal cosmetic delivery［J］.Cosmetics and Toiletries，2000，115(2):39-46.

［9］ Allef P，Veeger M，Klotzbach V.Foamable oil-water emulsion:US，13380064［P］.2010-06-30.

［10］黄琳，王心怡，向继洲，等. 新型纳米纤维素药用缓释载体的研制［EB/OL］. 北京:中国科技论文在线［2011-02-22］.http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201102-521.

［11］Trovatti E，Freire C S R，Pinto P C，et al.Bacterial cellulose membranes applied in topical and transdermal delivery of lidocaine hydrochloride and ibuprofen:in vitro diffusion studies［J］.International Journal of Pharmaceutics，2012，435(1):83-87.