CN107349111A

CN107349111A - 多孔框架材料在面膜中的应用

Info

Publication number: CN107349111A
Application number: CN201710604783.8A
Authority: CN
Inventors: 陈瑶; 张振杰; 卓明晶; 孙佳兴; 段文杰
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: CN107349111B

Abstract

本申请针对传统面膜基质刺激性强、清洁能力一般、添加的均相防腐剂易导致皮肤过敏发炎、活性物质利用不充分等问题，创造性地利用多孔框架材料强吸附性、抗菌性，能够将活性成分缓释的性能将现有面膜技术中的难题解决。同时，经过大量实验和长期摸索，建立了用作不同种类面膜的多孔框架材料的筛选标准，并根据材料结构研究了多孔框架材料与客体分子的相互作用机制。

Description

多孔框架材料在面膜中的应用

技术领域

本发明涉及材料化学和护肤品领域，尤其是涉及多孔框架材料在面膜中的应用。

背景技术

随着生活水平的提高，人们越来越注重皮肤的保养和护理。面膜作为一种方便、有效的护肤品，受到了很多爱美人士的喜爱。从面膜的功能来看，可以将其分为清洁面膜和功能性面膜。其中清洁面膜主要是通过高岭土、火山泥、硅藻土等基质的吸附作用，对面部皮肤多余的油脂以及毛孔中的污染物进行吸附清除，从而达到对皮肤的清洁作用。但是，目前所用的清洁面膜基质，由于其吸附能力有限且刺激性较强，无法达到对皮肤的深层清洁作用，从而容易导致毛孔堵塞、痤疮滋生等问题。功能性面膜，主要是通过添加一些功能性活性物质，如：尿囊素、透明质酸、原花青素、维生素等，从而达到保湿、抗衰老、美白等作用。但是，在面膜的使用过程中，这些活性物质很难被皮肤快速吸收，长时间暴露在空气中（尤其是在睡眠面膜的使用过程当中）可能会使其结构分解氧化，从而使其不能很好地发挥护肤作用。另外，为了防止细菌滋生，延长保质期，大多数面膜都需要加入一些相应的抑菌防腐成分（如苯甲酸钠、对羟基苯甲酸酯等），这在一定程度上增加了对面部皮肤的刺激，容易引起皮肤过敏、皮炎，加速皮肤衰老，还可能引发癌症。

多孔框架材料（金属-有机框架材料、共价有机框架材料）是近年来新兴的一类多孔材料。它们凭借高比表面积、高孔道率，孔道大小容易调控等性能，表现出了非凡的吸附能力，并能对其所吸附的客体分子进行缓慢释放，在气体吸附与分离、离子吸附解析方面发展迅猛。另一方面，区别于成分复杂、孔道等结构未知的传统多孔材料（如硅藻土、火山泥等），多孔框架材料具有很好的结晶性、确定的空间结构和孔道环境，可以清楚地研究和分析此类材料与其所吸附、释放、负载的客体分子间的相互作用和相关机理。此外多孔框架材料，如金属-有机框架材料可以由构成生命的金属（如铁、锌、镁、钙等）与有机配体（如氨基酸、多肽等）通过配位键作用力形成。这些非凡性能极大地拓展了多孔框架材料在生物医药领域的应用价值。但其在化妆品、护肤品领域，尤其在面膜领域的应用，至今还没有相关报道。通常而言，面膜的作用更多为皮肤的美容、保养而非疾病治疗，面部皮肤较敏感又相对被额外重视，目前大多数技术都选择从自然物中提取相关物质作为面膜成分以保护面部皮肤安全，而对化学合成物质应用于面部肌肤存在安全性偏见。因此，难以想象将多孔框架材料应用于面膜时，是否既能够保证其安全性又能实现其他性能。基于上述面膜领域所存在的问题，本发明首次研究和发展了多孔框架材料在不同类型面膜中的创新性应用，并全面检测和评估了各项性能，解决了上述提到的技术问题，并实现了非常好的技术效果。

发明内容

本申请针对传统面膜基质刺激性强、清洁能力一般、添加的均相防腐剂易导致皮肤过敏发炎、活性物质利用不充分等问题，创造性地利用多孔框架材料强吸附性、抗菌性，能够将活性成分缓释的性质将现有面膜技术中的难题解决，并保证面膜材料的安全性。

多孔框架材料在面膜中的应用，其特征在于，制备面膜的原料中包括多孔框架材料，其作为基质应用于清洁面膜，或作为抗菌防腐剂应用于防过敏面膜，或作为能够缓释活性成分的载体负载活性成分形成复合物应用于功能面膜。

优选地，其中多孔框架材料的安全性与传统面膜基质相当，或优于传统面膜基质，其中传统面膜基质为火山泥、高岭土或硅藻土。

优选地，多孔框架材料包括基于Fe、Zn、Cu、Mg、Ca、Ag、K、Al、Na、Pt等的金属-有机框架材料（MOFs）和所有的共价有机框架材料(COFs)。

优选地，多孔框架材料包括但不限于：MIL-101、MIL-101-NH₂、MIL-101-NO₂、MIL-101-CH₃、MIL-101-Br、MIL-100、PCN-333、ZIF-11、ZIF-100、Tb-mesoMOF、MIL-53、MIL-88-4CH₃、MIL-127、UiO-66、Ag₂(OIPA)(H₂O)·(H₃O) 、Ag₅(PYDC)₂(OH)等。

优选地，应用于清洁面膜时，多孔框架材料的比表面积应大于1700m²/g、孔隙率大于0.5cm²/g、孔道直径大于10 Å；应用于防过敏面膜时，多孔框架材料的金属离子应为Ag、Zn、Fe、Mg、Ca离子；应用于功能面膜时，多孔框架材料的有机配体应含有-OH、-NH₂或-OCH₃化学活性基团或含有能与客体分子进行π-π共轭作用的基团，或多孔框架材料具有多面体笼构筑的结构，具有大的空腔和较小的窗口。

优选地，多孔框架材料在清洁面膜原料中的质量比为15-30%；多孔框架材料在防过敏面膜原料中的质量比为0.01-3%；多孔框架材料负载活性成分形成的复合物在功能性面膜原料中的质量比为12-25%。

优选地，应用于清洁面膜时，多孔框架材料选自：MIL-101-CH₃、MIL-101-NO₂、MIL-101-Br、PCN-333、MIL-101、MIL-101-NH₂；应用于防过敏面膜时，多孔框架材料选自：ZIF-11、Ag₅(PYDC)₂(OH)；应用于功能面膜时，多孔框架材料选自：MIL-100、MIL-101、Tb-mesoMOF、PCN-333。

优选地，清洁面膜原料由以下质量比的组分构成：多孔框架材料15-30%、甘油6-10%、丁二醇2-4%、烷基糖苷1-3%、黄原胶1-3%、去离子水加至100%；功能性面膜原料由以下质量比的组分构成：多孔框架材料负载活性成分形成的复合物12-25%，甘油5-10%，丁二醇2-4%，烷基糖苷 1-3%，黄原胶 1-2%，薄荷醇1-2%，去离子水加至100%。

优选地，应用于功能面膜时，活性成分选自：原花青素、维生素、尿囊素、辅酶Q10、丝瓜苷、红景天苷、甘草酚、桑皮素等。

多孔框架材料与传统的面膜基质（高岭土、火山泥、硅藻土等）相比，对空气中的污染物以及皮肤表面的油脂等有超强的吸附能力（如附图1、2 所示），将其作为新型清洁面膜的基质，能达到对皮肤彻底的清洁作用。此外，对皮肤表面油脂的深度清洁也切断了痤疮丙酸杆菌的碳源，从而有效避免痤疮滋生。

多孔框架材料，如金属-有机框架材料，可以由构成生命的金属（如铁、锌、镁、钙等）与有机配体（如氨基酸、多肽等）通过配位键等作用力构成。实验表明，当构成多孔框架材料的金属离子为Zn、Ag时能有效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞杆菌等菌株的生长，尤其可以选择性的抑制金黄色葡萄球菌，有良好的抑菌杀菌作用从而避免痤疱的加重。因此，将多孔框架材料作为一种安全有效的抑菌防腐剂添加到面膜中，可以有效避免使用传统防腐剂（如苯甲酸钠、对羟基苯甲酸酯等）带来的危害。另外作为非均相防腐剂，多孔框架材料便于从体系中分离（如过滤等），从而使防腐剂发挥其效能但又不必被人体接触吸收，大大提高了安全性。

本发明将多孔框架材料与一些功能性酶（如：溶菌酶、超氧化物歧化酶、木瓜氧化酶等）或活性物质（如：尿囊素、原花青素、维生素E、辅酶Q10、丝瓜苷、红景天苷、甘草酚、桑皮素等）形成的复合物作为功能性面膜的有效成分。该复合物中的酶或活性物质与多孔框架材料通过氢键、静电相互作用等分子间作用力相结合在一起，在面膜的使用过程中再缓慢释放出来供皮肤吸收利用(如附图6所示)，大大提高了活性物质和酶的利用率。这相比于结构不明确，几乎与客体分子（如所负载的活性物质）没有相互作用的传统面膜材料，一方面避免了活性物质短时间高浓度地“爆发性”释放对皮肤代谢造成的不良影响，另一方面避免了性质不稳定的活性物质长时间暴露在空气中引起的失活。

基于多孔框架材料的结构的明确性、灵活性和可调控性，经过长期实验摸索我们对部分MOF材料进行了基团修饰，并得到了生化性能显著提高的新结构。这为面膜材料在分子水平上的设计、合成和调控提供了技术突破，也为治疗型面膜和保健型面膜的设计和应用提供了基础。

与此同时，我们对多孔框架材料进行了细胞毒性测试以确保其作为面膜材料的安全性。

多孔框架材料是由有机配体与金属离子通过配位键等作用力络合而成的新兴杂交多孔材料。根据不同面膜原料应具备的性质，经过各种性能测试实验及长期摸索，较优多孔框架材料应具备如下性质：

当多孔框架材料的比表面积大于1700m²/g、孔隙率大于0.5cm²/g、孔道直径大于10 Å时，有较强的吸附能力，宜于作为清洁面膜基质。

当构成多孔材料的金属离子为构成生命的金属（如铁、锌、镁、钙等）时，具有较好的生物兼容性（细胞毒性低等）。当构成多孔框架材料的金属离子为Ag、Zn时，其抗菌抑菌能力较强，宜于作为面膜防腐剂。

当构成多孔框架材料的有机配体很有较多-OH、-NH₂、-OCH₃等基团或含有能与客体分子进行π-π共轭作用的基团如苯环、氮杂环时，多孔框架材料能通过与客体分子间的相互作用，减缓活性物质的释放；另外，MOF材料的结构可以是多面体笼构筑的结构，具有大的空腔和较小的窗口，被封装在MOF中的客体分子不易快速扩散出来。因此，在面膜的使用过程中活性成分或酶可以从材料孔道中温和缓慢释放，供给皮肤吸收利用。相比传统材料，这大大提高了面膜使用过程中活性物质的利用率。再者，当多孔框架材料有独特的呼吸效应时（如MIL-53、MIL-88等），在吸附客体分子后，其孔体积会发生收缩，从而限制了客体分子的离去，达到对活性物质的缓释效果，宜于作为将面膜活性物质或酶进行缓释的载体，与活性物质或酶形成复合物，添加到功能性面膜中。

附图说明：

图1、图2：多孔框架材料与传统清洁面膜基质吸附油脂性能对比，误差线代表了三次独立实验的标准偏差。其中图1 是对油酸的吸附情况，图2是对三乙酸甘油脂的吸附情况。

图3、图4：多孔框架材料抗金黄色葡萄球菌数据。图3是不同浓度的ZIF-11抗金黄色葡萄球菌的示意图。图4是不同浓度 MIL-101抗金黄色葡萄球菌的示意图。

图5、图 6：多孔框架材料与传统多孔材料对活性物质的吸附解析曲线。图5是MIL-101、火山泥、高岭土对原花青素的吸附情况，图6是MIL-101对原花青素的缓释曲线。

具体实施方式：

除非本申请上下文中另有其他说明，否则本申请中所用技术术语及缩写均具有本领域技术人员所知的常规含义；除非另有说明，否则下述实施例中所用原料化合物均为商购获得。

按照本发明所提到的，多孔框架材料的合成、各种性能的表征测试及其对活性物质的吸附解析方法，其具体实施方式如下。下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

将本发明中的清洁面膜提供给39位志愿者使用，每周2~3次，使用一个月后，对比实验者使用前后的皮肤情况。实验表明，使用该发明的清洁面膜后，志愿者面部皮肤油腻、痤疮滋生等情况得到改善。这充分证明了多孔框架材料优越的清洁能力和一定的杀菌抗菌能力。

实施例1：

MIL-101基质的制备：

称取1.08 g 氯化铁，0.66 g对苯二甲酸放于60 mL密闭玻璃瓶中，并向其中加入40 mLN，N-二甲酸甲酰胺超声，使固体溶解得到棕黄色溶液。将该体系放入烘箱中，110℃持续加热24小时。反应结束后，将反应混合物高速离心，弃棕色上清液，得到橘黄色固体，用去离子水多次洗涤。放入干燥器内，室温干燥24 小时。

用乙醇对上述所得固体进行溶剂交换，保持每天交换4次的频率，交换三天，将所得固体室温下自然晾干。研磨，过筛，即得到清洁面膜MIL-101基质。

ZIF-11防腐剂的制备：

称取0.12 g 苯并咪唑置于反应瓶中，向反应瓶中加入4.8 g 乙醇，搅拌溶解，随后加入4.6 g甲苯，0.06 g 氨水，搅拌均匀。再向反应瓶中加入0.11 g 醋酸锌, 室温下搅拌反应6 小时。反应结束后，将所得乳白色混合物高速离心得到白色沉淀结晶，用乙醇将该沉淀多次洗涤，室温下自然晾干。研磨、过筛，即得到ZIF-11基质。

实施例2：

多孔框架材料的细胞毒性实验：收集指数期的Hela、3T3细胞，调整细胞浓度为4×10⁴~5×10⁴/mL。实验孔、对照孔为100μL 细胞悬液，空白对照孔为同体积的培养液。培养过夜，实验孔更换为不同浓度的多孔框架材料溶液，每个浓度5~6个复孔，对照孔、空白对照孔均加入同体积的培养液，放到CO₂恒温培养箱培养4小时后，吸走上清，用PBS清洗1~2遍。加入100μL 的培养液、10μL的MTT溶液，继续孵育3小时。3小时后，吸走上清，每孔加入100μL 的DMSO，放到台式恒温振荡器37℃、80 rpm震荡10 min，使用多功能酶标仪检测490 nm处每孔的吸收值。

细胞存活率（%）计算=（实验孔吸收值-调零孔吸收值）/（对照孔吸收值-调零孔吸收值）%

实验结果以平均值±标准偏差（X±S）表示。实验结果见表1。

表1 多孔框架材料、传统面膜基质对于Hela的细胞毒性情况

通过表1可以看出，相对于传统面膜基质而言，多孔框架材料的细胞毒性较小。其中，金属离子为Zn的多孔框架材料，如：ZIF-11(EC₅₀=0.9~1.0mg/mL)、ZIF-8(EC₅₀=1.1±0.01mg/mL)等，其细胞毒性与传统面膜基质相当。金属离子为Fe的多孔框架材料，如：MIL-101、MIL-101-NH₂、MIL-100、PCN-333等，其细胞毒性明显小于传统面膜基质。

实施例3：

多孔框架材料对油脂的吸附性能测试实验：

称取0.2 g干燥的多孔框架材料于密闭样品瓶中，110℃下，抽真空7小时除去材料孔道中的溶剂。用注射器将10 mL油脂加入样品瓶中，常温搅拌20min，用0.22μm 的疏水性针式滤器对吸附的油脂的材料进行过滤和洗涤，并定量检测。如附图1所示，大部分多孔框架材料的油脂吸附性能远大于传统多孔材料。其中具有较大比表面积、较大孔径的MIL-101-CH₃、MIL-101-NH₂、MIL-101以及PCN-333，比其他多孔框架材料显示出了更强的油脂吸附能力。另外对MIL-101进行结构改造后，由于新引进的官能团增强了材料与油脂的相互作用，所得到的多孔框架材料（MIL-101-NH₂、MIL-101-NO₂、MIL-101-CH₃、MIL-101-Br）显示出了更强的油脂吸附能力。这相对于成分复杂、结构固定的传统材料而言，多孔框架材料的结构灵活性和孔道可调性，为通过结构改造来得到不同生化特点的面膜材料提供了极大方便，为面膜的个性化定制提供了基础。

实施例4：

多孔框架材料对金黄色葡萄球菌的抑制实验：

菌液准备：从平板上挑取金黄色葡萄球菌单菌落接种到LB液体培养基，37℃培养10 h，计数，调整菌浓至1×10⁷~2×10⁷ CFU/mL。

多孔框架材料悬液准备：称取一定量的多孔框架材料，加入75%的乙醇浸泡一段时间后吸走75%的乙醇，放到超净工作台自然晾干。

准备若干只无菌试管，做好标记。对照组加入LB液体培养基和一定量菌液，实验组加入对应浓度的多孔框架材料悬液、LB培养基、一定量菌液。放到摇床上37℃、150 rpm培养，间隔一定时间取样，使用紫外分光光度计检测样液在600 nm处的吸光值。

多孔框架材料对于金黄色葡萄球菌抑制情况的实验数据见表2。多孔框架材料对于大肠杆菌抑制情况的实验数据见表3。金属离子为Ag、Zn系列的多孔框架材料以及传统防腐剂对于金黄色葡萄球菌抑制情况的实验数据见表4。

表2 多孔框架材料对于金黄色葡萄球菌的MIC

表3 多孔框架材料对于大肠杆菌的MIC

对比表2、表3可以看出，金属离子为Ag、Zn系列的多孔框架材料（如：Ag₅(PYDC)₂(OH)、ZIF-11），其抗菌性要强于金属离子为Fe系列的多孔框架材料。另外，多孔框架材料对金黄色葡萄球菌的抑制效果要好于大肠杆菌，这说明在抗菌方面，多孔框架材料显示出了一定的选择性。

表4 多孔框架材料、传统防腐剂对于大肠杆菌的MIC

通过表4可以看出，金属离子为Ag的多孔框架材料，其抑制大肠杆菌的效果要明显强与传统防腐剂，金属离子为Zn的多孔框架材料，其抑制大肠杆菌的效果与传统防腐剂（如：尼泊金复合酯钠）相当，但是传统防腐剂往往具有诱癌性、致畸性，并且易于引起皮肤发炎、过敏。多孔框架材料作为非均相防腐剂，便于从体系中分离（如过滤等），既可以发挥其抗菌效能又不必被人体接触吸收，可以有效避免使用传统防腐剂（如苯甲酸钠、对羟基苯甲酸酯等）带来的危害，使安全性大大提高。

实施例5：

多孔框架材料对活性物质的吸附与释放实验:

吸附：称取5 mg材料于离心管中，加入3 mL活性物质溶液，37℃恒温震荡，于不同时间间隔取样用紫外分光光度法检测上清液中剩余活性物质的含量。

释放：材料吸附活性物质达到饱和后，将上清液吸出，加入3 mL高纯水，37℃恒温震荡，于不同时间间隔取样用紫外分光光度法检测上清液中活性物质的释放量。

如图5所示，以MIL-101为载体，对原花青素进行吸附。实验结果显示MIL-101对原花青素的饱和吸附量为1.2 mg（原花青素）/mg（MIL-101），这表明材料在封装活性物质方面具有很大潜力。而传统面膜基质如火山泥，高岭土几乎不吸附原花青素。

如图6所示，以达到饱和吸附量的MIL-101释放原花青素为例。从释放曲线来看，原花青素的释放是个缓慢的过程，这为将其作为缓释活性物质的载体，将面膜中的活性物质缓慢释放供皮肤逐步吸收提供了有利说明。

另外，多孔框架材料作为活性物质的载体应用于面膜中，可以根据面膜所需的作用时间，调整多孔框架材料封装活性物质的量，达到最适宜的缓释时间。

Claims

1.多孔框架材料在面膜中的应用，其特征在于，制备面膜的原料中包括多孔框架材料，其作为基质应用于清洁面膜，或作为抗菌防腐剂应用于防过敏面膜，或作为能够缓释活性成分的载体负载活性成分形成复合物应用于功能性面膜和睡眠面膜。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，多孔框架材料包括金属-有机框架材料（MOFs）和共价有机框架材料(COFs)。

3.根据权利要求1所述的应用，其中多孔框架材料的安全性与传统面膜基质相当，或优于传统面膜基质，其中传统面膜基质为火山泥、高岭土或硅藻土。

4.根据权利要求1 所述的应用，其特征在于，本发明通过一系列实验创新性地证明了多孔框架材料在面膜应用中的安全性和兼容性，克服了化学合成物质在美容护肤行业作为主要成分应用的障碍。

5.根据权利要求1 所述的应用，其特征在于用结构清晰、作用机理明确、吸附性强、抗菌性好、可将活性物质进行缓释的多孔框架材料代替结构模糊、清洁能力弱、性能单一的传统面膜基质，使面膜的安全性、清洁能力及活性物质的利用率大大提高。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，多孔框架材料的比表面积大于1700m²/g、孔隙率大于0.5cm²/g、孔道直径大于10 Å时，宜用于清洁面膜；多孔框架材料的金属离子为Ag、Zn、Fe、Mg、Ca时，宜用于防过敏面膜；多孔框架材料的有机配体含有-OH、-NH₂或-OCH₃化学活性基团或含有能与客体分子进行π-π共轭作用的基团，或多孔框架材料具有多面体笼构筑的结构，具有大的空腔和较小的窗口时，宜用于功能性面膜。

7.根据权利要求6所述，其特征在于，基于多孔框架材料（MOFs和COFs）结构的明确性和灵活性，可以通过在原子水平上的修饰和改性，得到一系列不同性质的结构，从而实现对不同肤质、不同需求人群的面膜的个性化定制。

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，多孔框架材料包括：基于Fe、Zn、Cu、Mg、Ca、K、Al、Ag、Na、Pt的MOFs以及COFs，其中，应用于清洁面膜时，多孔框架材料可以选自：MIL-101-CH₃、MIL-101-NO₂、MIL-101-NH₂、MIL-53、COF-LZU1、PI-COF-1、PACN-333等；应用于防过敏面膜时，多孔框架材料可以选自：ZIF-11、Ag₅(PYDC)₂(OH)、Ag₂(OIPA)(H₂O)•(H₃O)、ZIF-8、ZIF-7、ZIF-100等；应用于功能面膜时，多孔框架材料可以选自：MIL-101-NH₂、MIL-88-4CH₃、MIL-101、Tb-mesoMOF、PCN-333、MIL-53等。

9.权利要求1所述的应用，其特征在于，清洁面膜原料可以由以下质量比的组分构成：多孔框架材料15-30%、甘油6-10%、丁二醇2-4%、烷基糖苷1-3%、黄原胶1-3%、去离子水加至100%；功能性面膜原料可以由以下质量比的组分构成：多孔框架材料负载活性成分形成的复合物可以为12-25%，甘油5-10%，丁二醇 2-4%，烷基糖苷 1-3%，黄原胶 1-2%，薄荷醇1-2%，去离子水加至100%。

10.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，应用于功能面膜时，活性成分选自：原花青素、维生素、尿囊素、辅酶Q10、丝瓜苷、红景天苷、甘草酚、桑皮素等。