黎賽瑤，汪洋，李婷，東為富

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，合成與生物膠體教育部重點實驗室，江蘇無錫214122）

紫外線按照波長分為長波紫外線（UVA 320～400 nm）、中波紫外線（UVB 280～320 nm）和短波紫外線（UVC 190～280 nm）[1-3]。其中，UVA和一部分UVB可以到達(dá)地球表面，部分UVC被行星周圍的平流層和臭氧層阻擋[4]。UVA可以穿透皮膚表面到達(dá)真皮層，引起皮膚松弛和皺紋[5-7]。UVB輻射在皮膚上，可以引起皮膚表面細(xì)胞核酸或蛋白質(zhì)變性，以及急性皮炎和皮膚癌等。因此，對紫外線進(jìn)行有效防護(hù)十分必要[8,9]。

市面上的防曬霜按照化學(xué)組成和防曬機(jī)理的不同主要可分為兩類：化學(xué)類有機(jī)防曬劑和物理屏蔽類無機(jī)防曬劑[10,11]。然而，有機(jī)防曬劑的光穩(wěn)定較差，其自身的油溶性使之可以輕易透過皮膚角質(zhì)層進(jìn)入表皮及真皮層。2019年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）比較了不同市售防曬產(chǎn)品中的4種常見活性成分在最大使用條件下對人體的影響[12]。結(jié)果表明，盡管市場上的防曬霜中有機(jī)小分子防曬劑的含量在規(guī)定限度內(nèi)，但使用防曬霜一天的志愿者血液內(nèi)含有有機(jī)小分子的質(zhì)量濃度超過了FDA規(guī)定的0.5 mg/mL，并且隨著防曬產(chǎn)品的重復(fù)使用，血液中這些分子的濃度持續(xù)增加。雖然無機(jī)類防曬劑,如二氧化鈦（TiO2）和氧化鋅，被認(rèn)為對人體安全無毒、不致癌，但是該類防曬劑對紫外線的吸收屏蔽效果不顯著，需要大量添加以達(dá)到效果。無機(jī)防曬劑一般光催化活性較強(qiáng)，其在光反應(yīng)中所產(chǎn)生的活性氧（ROS）等自由基對皮膚有一定的刺激性和光致毒性，并且大量添加會造成防曬霜過于厚重、涂抹不勻等膚感問題[13-15]。因此，迫切需要設(shè)計和探索新的光保護(hù)概念和機(jī)理簡單、安全有效的防曬產(chǎn)品。

聚多巴胺（PDA）納米粒子可由多巴胺自聚而成，由于其出色的吸收紫外線、金屬螯合、自由基清除等能力逐漸成為人們關(guān)注的焦點。PDA以其出色的紫外線防護(hù)能力而聞名，因為它可以在納秒甚至更快的時間范圍內(nèi)將約90%的吸收的紫外線能量作為熱量[16-20]消散出去。此外，PDA對幾乎所有類型的表面都具有優(yōu)異的黏附性，而且與基材的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)[21,22]。

本文制備了PDA-TiO2雜化納米粒子。利用多巴胺的黏附性，將其與二氧化鈦前驅(qū)體進(jìn)行雜化，形成復(fù)合雜化粒子，并進(jìn)一步研究雜化粒子的紫外吸收性能和皮膚滲透性。將雜化粒子作為唯一功效成分制備成防曬霜，探究其防曬性能。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

鹽酸多巴胺（DA）、鈦酸四丁酯（TBT）：化學(xué)純，上海阿拉丁試劑有限公司；異丙醇（IPA）、無水乙醇：化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；三乙醇胺（TEOA）：分析純，江陰創(chuàng)林化工有限公司。

1.2 測試與表征

1.2.1 納米粒子的基本結(jié)構(gòu)表征 全反射傅里葉紅外光譜（FT-IR）儀：美國賽默飛世爾科技有限公司Nicolet 6 700型，波數(shù)范圍選取500～4 000 cm?1，掃描32次；X射線光電子能譜（XPS）儀：島津集團(tuán)英國Kratos公司AXIS Supra型，鋁/銀靶，真空條件，高壓15.0 kV；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）：日本日立株式會社S-4 800型，將制備的納米粒子置于真空烘箱充分干燥，并固定于電鏡臺噴金處理進(jìn)行測試；透射電子顯微鏡（TEM）：日本電子株式會社JEM-2100plus型，將樣品充分提純并使其均勻分散，將分散液稀釋數(shù)倍，用微量進(jìn)樣器將其滴在銅網(wǎng)上對樣品的微觀形貌進(jìn)行觀察；雙光束紫外-可見分光光度計（UV-Vis）：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司TU-1901型，稱取一定質(zhì)量的樣品配制成溶液進(jìn)行測試，測試范圍為200～900 nm；熱重分析（TGA）儀：梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司TGA/DSC1/1100SF型，以N2作為保護(hù)氣，從50℃升溫到800℃，升溫速率為20℃/min。

1.2.2 納米粒子的熒光負(fù)載苯酮類小分子防曬劑的熒光負(fù)載：2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸鈉鹽與熒光素鈉充分混合后進(jìn)行染色。PDA-TiO2的熒光負(fù)載：將PDA和5-羧基熒光素溶于二氯甲烷中，再加入催化劑二環(huán)己基碳二亞胺（DCC）和4-二甲氨基吡啶（DMAP），室溫下攪拌24 h，10 kr/min下離心5 min，無水乙醇洗滌3次，真空干燥得到熒光染色后的粉末。

1.2.3 PDA-TiO2的皮膚滲透實驗 將市售新鮮豬皮用鑷子去毛，除去皮下組織，洗凈后于?20℃儲藏。使用時將豬皮置于PBS緩沖液（pH=7.4）中，先在室溫下解凍30 min，再將豬皮剪成2.5 cm ×2.5 cm 的正方形樣品，采用Franz擴(kuò)散池進(jìn)行皮膚滲透性實驗。

將4塊豬皮樣品角質(zhì)層一側(cè)朝上分別夾于擴(kuò)散池的接受池與進(jìn)樣池之間，向4個進(jìn)樣池中分別加入質(zhì)量濃度均為1 mg/mL的熒光染色后的苯酮類防曬小分子溶液和PDA-TiO2溶液1 mL；在接收池中裝滿PBS緩沖液，加入磁子，確保PBS緩沖液中無氣泡殘留后將擴(kuò)散池放置于透皮擴(kuò)散儀中，37℃恒溫，400 r/min攪拌下作用24 h后取出樣品，用脫脂棉擦凈樣品表面殘留，對樣品進(jìn)行截面切片，通過激光共聚焦顯微鏡對其截面熒光強(qiáng)度及深度進(jìn)行表征。

1.2.4 PDA-TiO2雜化納米粒子防曬霜的防曬系數(shù)（SPF）測試在石英玻璃板上均勻涂抹各試樣2 mg/cm2，并在黑暗環(huán)境中自然干燥15 min。之后在玻璃面板上方10 mm處進(jìn)行紫外線照射。采用紫外線透射分析儀在280～400 nm的范圍內(nèi)隨機(jī)檢測石英玻璃板上的5個位置，取5次檢測的平均值得到SPF。

1.3 實驗步驟

1.3.1 PDA-TiO2雜化納米粒子的制備將15 mL無水乙醇、7 mL去離子水和82 mL異丙醇充分混合后機(jī)械攪拌，加入3 g鈦酸四丁酯，產(chǎn)生大量白色沉淀，即得二氧化鈦前驅(qū)體。反應(yīng)0.5 h后離心，水洗兩次，再將所得的二氧化鈦前驅(qū)體分散于90 mL水中。隨后加入相應(yīng)質(zhì)量的鹽酸多巴胺，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH為1～2，于80℃下冷凝回流反應(yīng)12 h,得到橙紅色溶液。將該溶液于50℃下機(jī)械攪拌5 h,用NaOH調(diào)節(jié)pH為7～8，離心水洗3次后烘干得到PDA-TiO2雜化納米粒子。文中按m（DA）：m（amorphous TiO2）=x/y，將產(chǎn)物標(biāo)記為PDA-TiO2（x/y）。

1.3.2 含PDA-TiO2雜化納米粒子防曬霜的制備防曬霜的具體配方如表1所示。

表1 防曬霜的配方Table 1 Formulation of sunscreen

在一定溫度下溶解油相和水相成分，制備親油性親水性混合物并通過均質(zhì)機(jī)混合均勻；之后向其中加入適量pH穩(wěn)定劑三乙醇胺即制得防曬霜。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米粒子的結(jié)構(gòu)成分研究

TiO2、純PDA納米粒子和PDA-TiO2雜化納米粒子的紅外光譜圖如圖1所示。TiO2和純PDA粒子在3 400～3 000 cm?1處的吸收峰分別歸屬于羥基和氨基的伸縮振動。純PDA粒子在1 600 cm?1處的吸收峰證明了結(jié)構(gòu)中有羰基的聚集，而在1 500 cm?1左右的吸收峰則為芳環(huán)的骨架振動峰。PDA-TiO2雜化納米粒子在1 430 cm?1處出現(xiàn)了―CH―的伸縮振動峰，證明了PDA-TiO2雜化納米粒子內(nèi)PDA的存在。根據(jù)X射線光電子能譜圖（圖2）,PDA-TiO2雜化納米粒子出現(xiàn)了Ti2p，O1s，N1s和C1s這4個特征峰，其中398.5 eV處出現(xiàn)的N1s峰證明雜化粒子內(nèi)PDA的形成。

圖1 樣品的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of samples

圖2 TiO2和PDA-TiO2雜化納米粒子的XPS譜圖Fig.2 XPS spectra of TiO2 and PDA-TiO2 hybrid nanoparticles

2.2 納米粒子的微觀形貌研究

圖3 為純PDA、TiO2前驅(qū)體和PDA-TiO2雜化納米粒子的SEM和TEM照片。由圖3可以看出，純PDA納米粒子呈球形，經(jīng)過雜化后，PDA納米粒子表面明顯有物質(zhì)附著，為TiO2前驅(qū)體，且粒徑變小，這表明PDATiO2雜化納米粒子制備成功。

圖3 樣品的SEM（a, b,c）和TEM（d,e,f）圖Fig.3 SEM （a, b,c）and TEM（d,e,f）images of samples

2.3 納米粒子的紫外吸收及熱穩(wěn)定性

PDA和PDA-TiO2的紫外吸收分析結(jié)果如圖4所示。粒徑越小的PDA，紫外吸收效果越好。這是因為在分散性良好的前提下，納米粒子的粒徑越小，比表面積越大，因此吸收紫外光的有效面積越大。PDA與TiO2具有協(xié)同作用，PDA可以在極短的時間（50 ps）內(nèi)將99%的質(zhì)子吸收能以非輻射形式轉(zhuǎn)化為熱能。TiO2屬于n型半導(dǎo)體，當(dāng)受到紫外線照射時，價帶上的電子由于吸收紫外線而被激發(fā)到導(dǎo)帶上，同時產(chǎn)生空穴-電子對，因此TiO2具有吸收紫外線的能力。單純的TiO2只能吸收有限的紫外線，這是因為空穴-電子對的吸收紫外線能力有限，TiO2也無法將吸收到的紫外線轉(zhuǎn)化成熱能或者電能，所以無法空出空穴-電子對再去吸收紫外線。隨著PDA含量的增加，它與TiO2發(fā)揮協(xié)同作用，可以源源不斷地通過黑色素進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化，黑色素自身大π共軛體系產(chǎn)生的空穴電子對對紫外線的吸收能大幅提高紫外線吸收能力，因此PDA-TiO2（1/10）的紫外吸收能力最強(qiáng)。

圖4 PDA和PDA-TiO2的紫外-可見光吸收譜圖Fig.4 UV-Vis absorption spectra of PDA and PDA-TiO2

圖5 為PDA-TiO2的熱失重曲線。由圖可知，隨著PDA含量增加，由于PDA 的分解，PDA-TiO2質(zhì)量損失明顯增大。PDA 的含量可通過TGA曲線來估算。PDA-TiO2（1/10）、PDA-TiO2（1/20）和PDA-TiO2（1/30）的質(zhì)量損失分別約為32%，18%，5%，表明PDA含量越多，PDA-TiO2雜化粒子熱失重越明顯。

圖5 PDA-TiO2的熱失重曲線Fig.5 TGA curves of PDA-TiO2

2.4 納米粒子的皮膚滲透性

圖6 顯示了苯酮類小分子防曬劑與PDA-TiO2在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下的皮膚滲透性。從圖6可以看出，人體的角質(zhì)層厚度為15～20μm，而市售的苯酮類防曬小分子皮膚滲透深度達(dá)到18～35μm，說明其穿過角質(zhì)層達(dá)到活表皮層，進(jìn)入人體內(nèi)部。PDA-TiO2的皮膚滲透性明顯降低，滲透深度為9～17μm，主要分布在皮膚角質(zhì)層的上部和中部，不容易進(jìn)入人體內(nèi)部，不會對皮膚健康造成潛在威脅。這是由于多巴胺中的兒茶酚結(jié)構(gòu)具有良好的生物黏附性，其作為載體粒子，能有效黏附于皮膚表面，減弱粒子的皮膚滲透性。

2.5 納米粒子防曬霜的SPF

PDA-TiO2雜化粒子作為唯一防曬組分防曬霜的SPF如表2所示。由表可知，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和25%的PDA-TiO2（1/10）的防曬霜SPF分別為21.4和33.7，達(dá)到了日常防曬需求。PDA-TiO2（1/20）和PDATiO2（1/30）在添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，SPF分別為21.2和14.6，其SPF不如添加PDA-TiO2（1/10）防曬霜的，這也與前文PDA-TiO2的紫外-可見光吸收譜圖分析結(jié)果相吻合。

表2 摻入PDA-TiO2防曬霜的SPFTable 2 SPF value of sunscreen with PDA-TiO2

圖 6苯酮類小分子防曬劑與PDA-TiO2在（左）光學(xué)顯微鏡和（右）熒光顯微鏡下的皮膚滲透性Fig.6 Skin permeability of benzophenone small molecule sunscreen and PDA-TiO2 under （left）optical microscope and （right）fluorescence microscope

3 結(jié)論

（1）通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物料比成功制備了一種PDA-TiO2雜化納米粒子，它具有比小粒徑PDA更優(yōu)異的紫外吸收性能。

（2）以此雜化粒子納米粒子制備的防曬霜在保證日常防曬的同時，不具有皮膚滲透性。