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  • ISSN 1008-9357
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PDA-TiO2杂化纳米粒子的制备及其防晒应用

黎赛瑶 汪洋 李婷 东为富

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PDA-TiO2杂化纳米粒子的制备及其防晒应用

    作者简介: 黎赛瑶(1994—),女,硕士研究生,主要研究方向为复合纳米粒子的紫外屏蔽性。E-mail:18230306627@163.com.
    通讯作者: 东为富, wfdong@jiangnan.edu.cn
  • 中图分类号: O63

Preparation of PDA-TiO2 Hybrid Nanoparticles and Their Application in Sun Protection

    Corresponding author: DONG Weifu, wfdong@jiangnan.edu.cn
  • CLC number: O63

  • 摘要: 采用溶胶凝胶法制备二氧化钛(TiO2)前驱体,将其与盐酸多巴胺共混后制备聚多巴胺-TiO2(PDA-TiO2)杂化纳米粒子。在PDA与TiO2的协同作用下,PDA-TiO2粒子具有高效的防紫外线性能。利用红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜、紫外-可见光吸收光谱、热失重曲线以及皮肤渗透实验对纳米粒子的基本结构与性能进行了一系列表征。结果表明:以PDA-TiO2杂化纳米粒子作为唯一功效成分制备的防晒霜,其防晒系数(SPF)达到33.7;PDA具有良好的生物黏附性,能有效防止PDA-TiO2杂化纳米粒子渗透皮肤,确保了其使用安全性。
  • 图 1  样品的红外光谱图

    Figure 1.  FT-IR spectra of samples

    图 2  TiO2和PDA-TiO2杂化纳米粒子的XPS谱图

    Figure 2.  XPS spectra of TiO2 and PDA-TiO2 hybrid nanoparticles

    图 3  样品的SEM(a, b, c)和TEM(d, e, f)图

    Figure 3.  SEM (a, b, c) and TEM (d, e, f) images of samples

    图 4  PDA和PDA-TiO2的紫外-可见光吸收谱图

    Figure 4.  UV-Vis absorption spectra of PDA and PDA-TiO2

    图 5  PDA-TiO2的热失重曲线

    Figure 5.  TGA curves of PDA-TiO2

    图 6  苯酮类小分子防嗮剂与PDA-TiO2在光学显微镜(左)和荧光显微镜(右)下的皮肤渗透性

    Figure 6.  Skin permeability of benzophenone small molecule antiseptics and PDA-TiO2 under optical microscope (left) and fluorescence microscope (right)

    表 1  防晒霜的配方

    Table 1.  Formula of sunscreen

    Namew/%
    Oil phaseOctadecanol3.0
    Beewax1.0
    Simethicone1.5
    Mono-fatty acid glycerides3.5
    Stearyl alcohol polyether-2/213.0
    Water phaseGlycerinum3.0
    Kalam-9400.3
    PDA-TiO25~25
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    表 2  掺入PDA-TiO2防晒霜的SPF

    Table 2.  SPF value of sunscreen with PDA-TiO2

    Samplew(PDA-TiO2)/%
    5101525
    PDA-TiO2(1/10)8.2±1.312.3±1.221.4±2.533.7±2.9
    PDA-TiO2(1/20)4.2±1.16.6±1.713.5±1.821.2±3.2
    PDA-TiO2(1/30))2.6±0.94.8±1.310.2±2.314.6±2.1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-04
  • 网络出版日期:  2021-03-05

PDA-TiO2杂化纳米粒子的制备及其防晒应用

    通讯作者: 东为富, wfdong@jiangnan.edu.cn
    作者简介: 黎赛瑶(1994—),女,硕士研究生,主要研究方向为复合纳米粒子的紫外屏蔽性。E-mail:18230306627@163.com
  • 江南大学化学与材料工程学院,合成与生物胶体教育部重点实验室,江苏 无锡 214122

摘要: 采用溶胶凝胶法制备二氧化钛(TiO2)前驱体,将其与盐酸多巴胺共混后制备聚多巴胺-TiO2(PDA-TiO2)杂化纳米粒子。在PDA与TiO2的协同作用下,PDA-TiO2粒子具有高效的防紫外线性能。利用红外光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜、紫外-可见光吸收光谱、热失重曲线以及皮肤渗透实验对纳米粒子的基本结构与性能进行了一系列表征。结果表明:以PDA-TiO2杂化纳米粒子作为唯一功效成分制备的防晒霜,其防晒系数(SPF)达到33.7;PDA具有良好的生物黏附性,能有效防止PDA-TiO2杂化纳米粒子渗透皮肤,确保了其使用安全性。

English Abstract

  • 紫外线按照波长分为长波紫外线(UVA 320~400 nm)、中波紫外线(UVB 280~320 nm)和短波紫外线(UVC 190~280 nm)[13]。其中,UVA和一部分UVB可以到达地球表面,部分UVC被行星周围的平流层和臭氧层阻挡[4]。UVA可以穿透皮肤表面到达真皮层,引起皮肤松弛和皱纹[5-7]。UVB辐射在皮肤上,可以引起皮肤表面细胞核酸或蛋白质变性,引起急性皮炎,皮肤癌等。因此,对紫外线进行有效防护十分必要[8, 9]

    市面上的防晒霜按照化学组成和防晒机理的不同主要可分为两类:化学类有机防晒剂和物理屏蔽类无机防晒剂[10, 11]。然而,有机防晒剂的光稳定较差,其自身的油溶性使之可以轻易透过皮肤角质层进入表皮及真皮层。2019年,美国食品药品监督管理局(FDA)比较了不同市售防晒产品中的4种常见活性成分在最大使用条件下对人体的影响[12]。结果表明,尽管市场上的防晒霜中有机小分子防晒剂的含量在规定限度内,但使用防晒霜一天的志愿者血液内含有有机小分子的质量浓度超过了FDA规定的0.5 mg/mL。并且随着防晒产品的重复使用,血液中这些分子的浓度持续增加。虽然无机类防晒剂,如二氧化钛(TiO2)和氧化锌,被认为对人体安全无毒、不致癌,但是该类防晒剂对紫外线的吸收屏蔽效果不显著,需要大量添加以达到效果。无机防晒剂一般光催化活性较强,其在光反应中所产生的活性氧(ROS)等自由基对皮肤有一定的刺激性和光致毒性,并且大量添加会造成防晒霜过于厚重、涂抹不匀等肤感问题[1315]。因此,迫切需要设计和探索新的光保护概念和机理简单、安全有效的防晒产品。

    聚多巴胺(PDA)纳米粒子可由多巴胺自聚而成,由于其出色的吸收紫外线、金属螯合、自由基清除等能力逐渐成为人们关注的焦点。PDA以其出色的紫外线防护能力而闻名,因为它可以在纳秒甚至更快的时间范围内将约90%的吸收的紫外线能量作为热量[1620]消散出去。此外,PDA对几乎所有类型的表面都具有优异的黏附性,而且与基材的化学性质无关[21, 22]

    本文制备了PDA-TiO2杂化纳米粒子。利用多巴胺的黏附性,将其于二氧化钛前驱体进行杂化,形成复合杂化粒子,并进一步研究杂化粒子的紫外吸收性能和皮肤渗透性。将杂化粒子作为唯一功效成分制备成防晒霜,探究其防晒性能。

    • 盐酸多巴胺(DA)、钛酸四丁酯(TBT):化学纯,上海阿拉丁试剂有限公司;异丙醇(IPA)、无水乙醇:化学纯,国药集团化学试剂有限公司;三乙醇胺(TEOA):分析纯,江阴创林化工有限公司。

    • 全反射傅里叶红外光谱仪(FT-IR):美国赛默飞世尔科技有限公司Nicolet 6700型,波数范围选取500~4 000 cm−1,扫描32次;X射线光电子能谱仪(XPS):岛津集团英国Kratos公司AXIS Supra型,实验操作参数为:铝/银靶、真空条件、高压 15.0 kV、样品采集0~1450范围;场发射扫描电子显微镜(SEM):日本日立株式会社S-4800型,将制备的纳米粒子置于真空烘箱充分干燥,并固定于电镜台喷金处理进行测试;透射电子显微镜(TEM):日本电子株式会社JEM-2100plus型,将样品充分提纯并使其均匀分散,将分散液稀释数倍,用微量进样器将其滴在铜网上对样品的微观形貌进行观察;双光束紫外可见分光光度计(UV-Vis):北京普析通用仪器有限责任公司TU-1901型,称取一定质量的样品配置成溶液进行测试,测试范围为200~900 nm;热重分析仪(TGA):梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司TGA/DSC1/1100SF型,以N2作为保护气,从50 ℃升温到800 ℃,升温速率为20 ℃/min。

    • 苯酮类小分子防晒剂的荧光负载:2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠盐与荧光素钠充分混合后进行染色。PDA-TiO2的荧光负载:将PDA和5-羧基荧光素溶于二氯甲烷中,再加入催化剂二环己基碳二亚胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP),室温下搅拌24 h,10 000 r/min下离心5 min,无水乙醇洗涤3次,真空干燥得到荧光染色后的粉末。

    • 将市售新鲜猪皮用镊子去毛,除去皮下组织,洗净后于−20℃储藏。使用时将猪皮置于PBS缓冲液(pH=7.4)中先在室温下解冻30 min,再将猪皮剪成2.5 cm × 2.5 cm 的正方形样品,采用Franz扩散池进行皮肤渗透性实验。

      将4块猪皮样品角质层一侧朝上分别夹于扩散池的接受池与进样池之间,向4个进样池中分别加入质量浓度均为1 mg/mL的荧光染色后的苯酮类防晒小分子溶液和PDA-TiO2溶液 1 mL;在接收池中装满PBS缓冲液,加入磁子,确保PBS 缓冲液中无气泡残留后将扩散池放置于透皮扩散仪中,37 ℃恒温,400 r/min搅拌下作用24 h后取出样品,用脱脂棉擦净样品表面残留,对样品进行截面切片,通过激光共聚焦显微镜对其截面荧光强度及深度进行表征。

    • 在石英玻璃板上均匀涂抹各试样2 mg/cm2,并在黑暗环境中自然干燥15 min。之后在玻璃面板上方10 mm处进行紫外线照射。采用紫外线透射分析仪在280~400 nm的范围内随机检测石英玻璃板上的5个位置,取5次检测的平均值得到 SPF。

    • 将15 mL无水乙醇、7 mL去离子水和82 mL异丙醇充分混合后机械搅拌,加入3 g钛酸四丁酯,产生大量白色沉淀,即得二氧化钛前驱体。反应0.5 h后离心,水洗两次,再将所得的二氧化钛前驱体分散于90 mL水中。随后加入相应质量的盐酸多巴胺,用HCl调节溶液pH为1~2,于80 ℃下冷凝回流反应12 h,得到橙红色溶液。将该溶液于50 ℃下机械搅拌5 h, 用NaOH调节pH为7~8,离心水洗3次后烘干得到PDA-TiO2杂化纳米粒子。文中按m(DA):m(amorphous TiO2)=x/y,将产物标记为PDA-TiO2x/y)。

    • 防晒霜的具体配方如表1所示。

      Namew/%
      Oil phaseOctadecanol3.0
      Beewax1.0
      Simethicone1.5
      Mono-fatty acid glycerides3.5
      Stearyl alcohol polyether-2/213.0
      Water phaseGlycerinum3.0
      Kalam-9400.3
      PDA-TiO25~25

      表 1  防晒霜的配方

      Table 1.  Formula of sunscreen

      在一定温度下溶解油相和水相成分,制备亲油性亲水性混合物并通过均质机混合均匀;之后向其中加入适量pH稳定剂三乙醇胺即制得防晒霜。

    • TiO2、纯PDA纳米粒子和PDA-TiO2杂化纳米粒子的红外光谱图如图1所示。TiO2和纯PDA粒子在3 400~3 000 cm−1处的吸收峰分别归属于羟基―OH和氨基―NH的伸缩振动。纯PDA粒子在1 600 cm−1处的吸收峰证明了结构中有羰基的聚集,而在1 500 cm−1左右的吸收峰则为芳环的骨架振动峰。PDA-TiO2杂化纳米粒子在1 430 cm−1处出现了―CH―的伸缩振动峰。证明了PDA-TiO2杂化纳米粒子内PDA的存在。根据X射线光电子能谱图(图2), PDA-TiO2杂化纳米粒子出现了Ti2p,O1s,N1s和C1s这4个特征峰,其中398.5 eV处出现的N1s峰证明杂化粒子内PDA的形成。

      图  1  样品的红外光谱图

      Figure 1.  FT-IR spectra of samples

      图  2  TiO2和PDA-TiO2杂化纳米粒子的XPS谱图

      Figure 2.  XPS spectra of TiO2 and PDA-TiO2 hybrid nanoparticles

    • 图3为纯PDA、TiO2前驱体和PDA-TiO2杂化纳米粒子的SEM和TEM照片。对比纯PDA、TiO2前驱体和PDA-TiO2杂化纳米粒子的微观形貌图片可以看出,纯PDA纳米粒子呈球形,经过杂化后,PDA纳米粒子表面明显有物质附着,为TiO2前驱体,且粒径变小,这表明PDA-TiO2杂化纳米粒子制备成功。

      图  3  样品的SEM(a, b, c)和TEM(d, e, f)图

      Figure 3.  SEM (a, b, c) and TEM (d, e, f) images of samples

    • 采用双光束紫外可见分光光度计研究PDA和PDA-TiO2的紫外吸收能力。图4 所示,粒径越小的PDA,紫外吸收效果越好。这是因为在分散性良好的前提下,纳米粒子的粒径越小,比表面积越大,因此吸收紫外光的有效面积越大。而PDA与TiO2具有协同作用,PDA可以在极短的时间(50 ps)内将99%的质子吸收能以非辐射形式转化为热能。TiO2属于n型半导体,当受到紫外线照射时,价带上的电子由于吸收紫外线而被激发到导带上,同时产生空穴-电子对,因此TiO2具有吸收紫外线的能力。但单纯的TiO2只能吸收有限的紫外线,这是因为空穴-电子对的吸收紫外线能力有限,TiO2也无法将吸收到的紫外线转化成热能或者电能,所以无法空出空穴-电子对再去吸收紫外线,随着PDA含量的增加,两者发挥协同作用,可以源源不断地通过黑色素进行光热转化,再通过与黑色素自身的大π共轭体系转移,大幅度提高紫外线吸收能力,因此PDA-TiO2(1/10)的紫外吸收能力最强。

      图  4  PDA和PDA-TiO2的紫外-可见光吸收谱图

      Figure 4.  UV-Vis absorption spectra of PDA and PDA-TiO2

      图5为PDA-TiO2的热失重曲线。由图可知,随着PDA含量增加,由于PDA 的分解,PDA-TiO2质量损失明显增大。且PDA 的含量可通过TGA曲线来估算。PDA- TiO2 (1/10)的质量损失约为32%,PDA- TiO2(1/20)的质量损失约为18%,PDA- TiO2(1/10)的质量损失约为5%,表明PDA含量越多,PDA-TiO2杂化粒子热失重越明显。

      图  5  PDA-TiO2的热失重曲线

      Figure 5.  TGA curves of PDA-TiO2

    • 图6显示了苯酮类小分子防嗮剂与PDA-TiO2在光学显微镜和荧光显微镜下的皮肤渗透性。从图6可以看出,人体的角质层厚度约为15~20 μm,而市售的苯酮类防晒小分子皮肤渗透深度达到18~35 μm,说明其穿过角质层达到活表皮层,进入人体内部。而PDA-TiO2的皮肤渗透性明显降低,渗透深度为9~17 μm,主要分布在皮肤角质层的上部和中部,不容易进入人体内部,不会对皮肤健康造成潜在威胁。这是由于多巴胺中的儿茶酚结构,是有效的黏合剂,具有良好的生物黏附性,其作为载体粒子,能有效黏附于皮肤表面,减弱粒子的皮肤渗透性。

      图  6  苯酮类小分子防嗮剂与PDA-TiO2在光学显微镜(左)和荧光显微镜(右)下的皮肤渗透性

      Figure 6.  Skin permeability of benzophenone small molecule antiseptics and PDA-TiO2 under optical microscope (left) and fluorescence microscope (right)

    • PDA-TiO2杂化粒子作为唯一防晒组分防晒霜的SPF如表2所示。由表可知,添加质量分数为15%和25%的PDA-TiO2 (1/10)的防晒霜SPF分别为21.4和33.7,达到了日常防晒需求。而PDA-TiO2(1/20)和PDA-TiO2(1/30)在添加的质量分数为25%时,SPF分别为21.2和14.6,其SPF不如添加PDA-TiO2 (1/10)的防晒霜的,这也与前文PDA-TiO2的紫外-可见光吸收谱图分析结果相吻合。

      Samplew(PDA-TiO2)/%
      5101525
      PDA-TiO2(1/10)8.2±1.312.3±1.221.4±2.533.7±2.9
      PDA-TiO2(1/20)4.2±1.16.6±1.713.5±1.821.2±3.2
      PDA-TiO2(1/30))2.6±0.94.8±1.310.2±2.314.6±2.1

      表 2  掺入PDA-TiO2防晒霜的SPF

      Table 2.  SPF value of sunscreen with PDA-TiO2

    • (1)通过调节反应物料比成功制备了一种PDA-TiO2杂化纳米粒子,它具有比小粒径PDA更优异的紫外吸收性能。

      (2)以此杂化粒子纳米粒子制备的防晒霜在保证日常防晒的同时,不具有皮肤渗透性。

参考文献 (22)

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