English

• 液晶是介于固态和液态之间的聚集状态，其分子排列长程有序，既有类似液体的流动性和连续性，又有类似晶体的各向异性^[1-2]。奥地利科学家在1888年就发现了液晶结构^[3]，因其种类繁多，结构多变，应用广泛，至今仍是基础研究的对象。表面活性剂溶液形成的层状液晶作为液晶的一种，具有优异的稳定性^[4]、缓释性^[5-6]、保湿性^{[2, 7]}和屏障作用^[7]等优点，近年来逐步被用于护肤品领域。在一些水包油(O/W)乳液体系中，乳化剂在油水界面定向排列，形成有序的油、乳化剂和水的多层液晶结构^[8]。因液晶层与层之间含有一定的水，容易相对滑移，故有利于其在皮肤表面的铺展^[9]。

  一般乳化剂形成的层状液晶可模拟人体皮肤角质层结构^[7]，而卵磷脂类液晶乳化剂更是与人体皮肤含有相同的成分，能进一步模拟人体角质层，相当于人体的“第二层皮肤”^[7]，受到化妆品行业的关注。然而，国内对层状液晶的研究主要以蔗糖酯和烷基糖苷类乳化剂为主^[10-12]，对卵磷脂类液晶乳化剂的研究较少^[9]。而且目前所制备的乳液液晶织构无法在皮肤上长时间保持完整，导致液晶乳液的优异性能无法在实际应用中发挥。

  本研究组前期通过大量的实验获得了普适性高、性能优越的以卵磷脂为主乳化剂的复合液晶乳化剂。本文针对该乳化剂形成的乳液体系各项性能进行了系统研究：液晶织构在皮肤上的稳定性、乳液锁水性、缓释作用、耐温性以及储运稳定性等。研究证实，该乳化剂形成的乳液在皮肤温度附近可较长时间保持完整的液晶结构，克服了一般液晶乳液中液晶织构无法在皮肤上长时间停留的问题，为液晶乳液的锁水、缓释等性能的发挥提供了条件。该研究不仅可为卵磷脂类液晶乳化体系在护肤乳液中的应用提供理论依据，也为开发高端化妆品提供基础信息。

  1.   实验部分

  1.1   仪器和试剂

  T25型均质机及EUROSTAR 60 control型搅拌器(德国IKA公司)；50iPOL型偏光显微镜(日本Nikon公司)；UV-2550型紫外分光光度计(日本岛津公司)。

  自行研发的复合液晶乳化剂成份：氢化卵磷脂(S-10)及PEG-30植物甾醇(BPS-30)(均为化妆品级，日本NIKKOL化学有限公司)，单甘油硬脂酸酯(GMS)、山嵛醇及辛酸/癸酸三甘油酯(GTCC)(均为化妆品级，德国巴斯夫化工公司)，植物甾醇(化妆品级，江苏春之谷生物制品有限公司)；棕榈酸异辛酯(2EHP)(化妆品级，比利时欧力昂公司)；卡波980(化妆品级，美国路博润特种化工有限公司)；苯氧乙醇(PE9010)(化妆品级，德国舒美有限公司)；硬脂醇，鲸蜡醇，甘油，氢氧化钠，水杨酸钠，磷酸二氢钠，磷酸氢二钠和吐温20(均为分析纯试剂，购自上海泰坦股份有限公司)；实验用水均为超纯水。

  1.2   实验方法

  1.2.1   样品的制备

  乳液的配方分为油相、水相和其它相，油相包括油脂(8%，占乳液总质量的百分比，下同)和复合液晶乳化剂(6%)，水相包括去离子水、甘油(8%)和卡波980(0.15%)，其它相包括防腐剂PE9010(0.6%)和质量分数为10%的NaOH溶液(0.3%)。对比实验时传统乳液中乳化剂为吐温20(6%)，缓释实验时加入0.5%(质量分数)的水杨酸钠，在其它涂料添加完毕后，将去离子水添加到100%。

  实验时，一定量的油相物质和事先分散了卡波980的水相分别置于75 ℃水浴锅内加热，待油相融化后加入水相中，在6000 r/min速率下用均质机进行均质分散5 min，然后在500 r/min下搅拌使其冷却至室温，冷却过程中在乳液温度降至50 ℃时加入其它相。

  1.2.2   液晶织构的观察

  制备好的乳液样品室温下放置24 h后，取少量样品在偏光显微镜下观察液晶织构并拍摄图像。其中考察乳液的耐高温性时，需将样品置于热台上，调节热台的温度至实验所需温度，待热台温度稳定约8 min后观察样品的液晶织构。

  1.2.3   液晶在皮肤上的稳定性测试

  用酒精擦拭清洁测试者手臂内侧的测试区域，用滴管取适量样品涂抹于此处，分别在涂抹过后不同时间，刮取测试者皮肤上的乳液残留物置于载玻片上，用盖玻片压片后置于偏光显微镜下进行观察。

  1.2.4   锁水性测试

  采用称重法^[13]测定不同乳液在相同环境下的锁水率，分别称取2 g液晶乳液和传统乳液于50 mL烧杯内，平铺于烧杯底部，并同时随机置于30 ℃的恒温干燥箱内的不同位置，每隔30 min同时取出两种样品进行称量，直至样品质量基本恒定，获得不同时刻乳液剩余水含量，计算乳液锁水率，其中锁水率为乳液中剩余水分质量占原始水分质量的百分比。

  1.2.5   缓释性能测试

  分别取2 g质量分数为0.5%的水杨酸钠液晶乳液和传统乳液，加入磷酸盐缓冲溶液(PBS)定容至25 mL，随后将样品分别移至透析袋中，并放入含有175 mL PBS的烧杯中，恒温30 ℃，并用磁力搅拌子在袋外搅动。每隔30 min取袋外透析液，经紫外分光光度计测量其吸光度A并计算水杨酸钠累计释放量C_R，测毕倒回烧杯中。实验中为了减少水分挥发的影响，用保鲜膜对烧杯进行了膜封。

  1.2.6   乳液储运稳定性研究

  首先将制备好的几组样品分别置于离心机内，以3000 r/min的转速离心0.5 h，观察是否分层；然后将待测样品在-18 ℃的冰箱放置24 h后置于室温24 h，再放入40 ℃烘箱中24 h，之后室温放置24 h，如此循环3次后观察其稳定性和液晶织构变化情况。然后将待测样品分别在-18 ℃的冰箱和40 ℃的恒温箱内放置3个月后，室温放置24 h观察乳液是否稳定，并观察液晶织构的变化。

  2.   结果与讨论

  2.1   液晶结构在皮肤上的稳定性

  层状液晶具有与人体皮肤角质层类似的结构，液晶乳液涂抹于人体表面时，附着的层状液晶结构相当于人体的“第二层皮肤”^[7]，故其在皮肤表层的稳定性直接影响着乳液的性能，液晶结构在皮肤上的稳定性可通过偏光显微镜下观察到的取自皮肤测试部位样品的液晶织构的稳定性表征。图 1为在不同时间从皮肤测试部位刮取的样品中的液晶织构图像。可以看出，随着涂抹时间的延长，皮肤上残留物中的液晶越来越亮且织构开始模糊，这是由于水分挥发造成的。涂抹6 h后，液晶织构仍能保持完好，说明该液晶乳液中的液晶结构可以在皮肤表层长时间保持完整，这是液晶乳液能减少皮肤粗糙并发挥其优异功能的基础。

  图 1

  

  图 1.  皮肤上液晶织构随时间的变化

  Figure 1.  The variation of liquid crystal textures reserved on skin for 0(A), 30(B), 100(C), 180(D), 270(E) and 400(F) minutes

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  2.2   液晶乳液锁水性能

  水是皮肤保持活力的重要因素，锁水性是衡量护肤乳性能的一个重要指标。采用称重法测得的传统乳液(Trad emulsion)和液晶乳液(LC emulsion)水分挥发速率曲线如图 2所示。由图 2可见，液晶乳液的水分挥发速率明显慢于传统乳液，在7 h时传统乳液水分已经挥发殆尽，但液晶乳液中的水含量仍占原有水分总质量的50%左右，可见液晶乳液的锁水性能明显优于传统乳液。这是由于含有层状液晶的护肤乳液中，油水界面存在多层的液晶结构，层间含有大量的结合水，这些结合水被束缚在液晶层状结构内，需要通过多层的阻碍作用才能释放出去^[9]，所以这些水分不会快速挥发，有助于水分在皮肤上的长久停留，使皮肤达到水分持久充盈的状态。

  图 2

  

  图 2.  乳液锁水率随时间变化曲线

  Figure 2.  Water loss curves of different emulsions

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  2.3   液晶乳液缓释性能

  缓释是指特定活性物质在规定释放介质中，按要求缓慢地非恒速释放，以降低活性物质进入机体的吸收速率，延长体系内活性物质作用时间，提高其利用率^[14]。水杨酸钠为常见的抗炎药，可作为水溶性活性物质的代表。我们以水杨酸钠为目标分子，采用体外透析实验研究液晶乳液和传统乳液中水杨酸钠缓释性能的差异，图 3给出了不同乳液中水杨酸钠的释放曲线。由图 3可以看出，液晶乳液体系中的水杨酸钠释放速率明显低于传统乳液中水杨酸钠释放速率，说明液晶乳液对水杨酸钠有明显的缓释作用。7 h后液晶乳液中水杨酸钠释放率可高达96%，说明活性物质可以完全释放。

  图 3

  

  图 3.  不同乳液中水杨酸钠释放速率曲线

  Figure 3.  Release rate curves of sodium salicylate in different emulsions

  The midpoint of the graph is the experimental data and the solid line is the curve fitted by the first order kinetic equation

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  水杨酸钠在液晶乳液中的释放行为符合一级动力学方程，图 3中实线即为拟合得到的连续曲线，可以看出，实验所得的数据与连续曲线具有良好的重合度，拟合数据列于表 1中。

  表 1

  

  表 1  不同乳液中的水杨酸钠释放一级动力学方程

  Table 1.  First order kinetic equations of sodium salicylate in different emulsions

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  EmulsionType	First order kinetic equation	R2	Rate coefficientk
  Traditional emulsion	CR=1-e-0.01017t	0.997 44	0.010 17
  LC emulsion	CR=1-e-0.00755t	0.996 95	0.007 55
  The CR in the kinetic equation is the release rate of sodium salicylate in the solution outside the dialysis bag. The t is the release time. The k is the first order rate coefficient.

  由表 1中数据可以看出，拟合曲线的相关系数达到0.99以上，说明具有很好的相关性。同时也反应出目前研究的体系中水杨酸钠的释放是以扩散为主的过程^[15]，k值是一级速率系数，其大小是衡量水杨酸钠释放速率快慢的重要指标，k值越大，释放速率越快。可见，液晶乳液对水杨酸钠具有明显的缓释作用。层状液晶乳液结构包含多层的液晶网络，层与层间有大量的结合水，水溶性物质在液晶乳液中一部分存在于外相的水中，另一部分则被包裹于层间的结合水中，层间结合水中的水溶性小分子想要释放出来，需要通过多层的阻碍，这是造成液晶乳液具有明显缓释作用的直接原因^[5]。

  2.4   液晶乳液的耐温性能

  在实际应用中，乳液会放置于不同的温度环境，而温度则是影响液晶乳液产品微观结构和稳定性的主要因素。图 4给出了升温和降温过程中用偏光显微镜观察到的乳液样品的液晶织构图片。

  图 4

  

  图 4.  升温过程和降温过程乳液中液晶织构的偏光显微镜图片

  Figure 4.  Textures of liquid crystal in emulsion during heating-up to 25 ℃(A), 37 ℃(B), 41 ℃(C), 43 ℃(D) and 65 ℃(E), and cooling to 43 ℃(J), 41 ℃(I), 39 ℃(H), 37 ℃(G) and 27 ℃(F) under polarizing microscope

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  从图 4中可以看出，随着温度的升高，液晶结构逐渐被破坏，液晶织构消失，但温度低于43 ℃时仍有较多完整的液晶织构，说明在皮肤温度附近，液晶结构能稳定地保持。温度超过65 ℃以后液晶完全消失，这是因为温度升高，分子热运动加剧，破坏了层状液晶中“两亲性”的乳化剂在油水界面处的有序排列，使分子排列变得无序，双折射现象消失。而当温度恢复到43 ℃时，液晶织构逐步恢复，显然，降温过程中，乳化剂重新向油水界面处定向移动形成完整而有序的层状液晶结构。可见，高温对乳液中层状液晶的影响是可恢复的，乳液中液晶耐高温性能良好。

  乳液的耐低温性也是衡量产品性能的重要指标。图 5为低温冷冻后的乳液恢复至室温后的液晶织构照片。从图 5中可以看出，乳液经-18 ℃长时间冷冻后恢复至室温，液晶织构仅发生微小的改变，这可能是因为乳液是通过静电或空间位阻效应阻止油滴相互靠近，进而维持乳液稳定性的，而在冷冻过程中，水和脂肪结晶^[16-17]恢复室温后再次形成O/W乳液，不可避免产生微小差距。但总体看来，乳液中液晶结构仍然保持完好，且乳液低温冻融性较好，表明乳液产品耐低温性能良好。可见，该液晶乳液的耐温性能优良。

  图 5

  

  图 5.  -18 ℃冷冻不同时间后恢复至25 ℃时乳液中液晶织构照片

  Figure 5.  Textures of liquid crystal in emulsion(A) and recovered to 25 ℃ after freezing at -18 ℃ for 1 month(B), 2 months(C) and 3 months(D)

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  2.5   储运稳定性

  乳液在储藏和运输过程中会经历一系列的环境变化，液晶乳液的储运稳定性也是化妆品性能的一个重要指标。本文采用常用的3种检测乳液产品稳定性的方法对液晶乳液稳定性进行了考察，发现乳液产品经过离心，40 ℃高温放置3个月后产品外观及产品的液晶织构基本无变化，说明液晶乳液结构异常稳定，且较长时间高温存放可保持原有性状。同时，液晶乳液在经过3次冷热循环试验和-18 ℃长时间(3个月)放置，样品恢复至室温后，乳液性状及液晶织构无明显变化。乳液样品在-18 ℃放置时液晶织构随时间的变化如图 5所示。液晶结构使得界面膜的刚性和弹性明显优于传统乳状液^[2]，这是液晶乳液具有优良储运稳定性的直接原因。由此可见，我们自行研发的液晶乳化剂形成的液晶乳液稳定性极好，便于实际的应用和储运。

  3.   结论

  本文对卵磷脂类液晶乳化剂形成的乳液性能进行了系统的研究，实验考察了其在皮肤上的稳定性、乳液锁水性、缓释性、耐温性以及储运稳定性。研究结果表明，所制备的液晶乳液产品在皮肤上具有良好的稳定性能，乳液在皮肤表面停留6 h以上，其液晶结构仍可保持完好，这为液晶乳液优异性能的发挥奠定了基础；与传统乳液相比，该液晶乳液表现出优异的锁水保湿性能，实验7 h后，体系中仍可保留总水分质量的50%；此外，液晶的存在赋予乳液显著的缓释性能；乳液耐温性能测试表明，乳液中液晶耐温性能良好，高温对乳液中层状液晶的影响是可恢复的，乳液的低温冻融性能优良；研究结果也证实了液晶乳液产品储运稳定性极佳，便于实际的应用和储运。该乳液优异的锁水性使皮肤达到水分持久充盈的状态，乳液显著的缓释性能便于产品中活性成分的有效利用。同时，层状液晶的多层结构赋予其溶解各种成分的性能，便于增加产品功效，使该类液晶乳液在保湿、美白、防晒、抗敏、抗衰以及祛斑等方面都有广泛的应用前景。

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  图 1  皮肤上液晶织构随时间的变化

  Figure 1  The variation of liquid crystal textures reserved on skin for 0(A), 30(B), 100(C), 180(D), 270(E) and 400(F) minutes

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  图 2  乳液锁水率随时间变化曲线

  Figure 2  Water loss curves of different emulsions

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  图 3  不同乳液中水杨酸钠释放速率曲线

  Figure 3  Release rate curves of sodium salicylate in different emulsions

  The midpoint of the graph is the experimental data and the solid line is the curve fitted by the first order kinetic equation

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  图 4  升温过程和降温过程乳液中液晶织构的偏光显微镜图片

  Figure 4  Textures of liquid crystal in emulsion during heating-up to 25 ℃(A), 37 ℃(B), 41 ℃(C), 43 ℃(D) and 65 ℃(E), and cooling to 43 ℃(J), 41 ℃(I), 39 ℃(H), 37 ℃(G) and 27 ℃(F) under polarizing microscope

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  图 5  -18 ℃冷冻不同时间后恢复至25 ℃时乳液中液晶织构照片

  Figure 5  Textures of liquid crystal in emulsion(A) and recovered to 25 ℃ after freezing at -18 ℃ for 1 month(B), 2 months(C) and 3 months(D)

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  表 1  不同乳液中的水杨酸钠释放一级动力学方程

  Table 1.  First order kinetic equations of sodium salicylate in different emulsions

  EmulsionType	First order kinetic equation	R2	Rate coefficientk
  Traditional emulsion	CR=1-e-0.01017t	0.997 44	0.010 17
  LC emulsion	CR=1-e-0.00755t	0.996 95	0.007 55
  The CR in the kinetic equation is the release rate of sodium salicylate in the solution outside the dialysis bag. The t is the release time. The k is the first order rate coefficient.

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