唐穎，黃瓊毅，王曉蓮，阮捷菲，曹力化，熊紫怡，韓蕊

1.北京工商大學 化學與材料工程學院/中國輕工業(yè)化妝品重點實驗室，北京 100048；2.中國香料香精化妝品工業(yè)協(xié)會，北京 100079

0 引言

金/銀等貴金屬納米顆粒因其廣譜抗菌性能與獨特的理化特性而在材料、催化、醫(yī)學、環(huán)境等眾多領域廣泛應用。傳統(tǒng)制備金屬納米顆粒的化學還原法(溶膠凝膠法、多元醇法等)因其依賴有毒化學試劑(如NaBH4和水合肼)，對人體存在潛在危害，限制了其產(chǎn)品在生物醫(yī)學和人體健康領域的應用[1]。自2003年J.L.Gardea-Torresdey等[2]首次使用苜蓿葉生物合成銀納米顆粒以來，生物合成法因其不依賴有毒化學試劑和石油化工原料，且具有簡單廉價和綠色環(huán)保的優(yōu)點而備受業(yè)界青睞。此外，生物合成法制備的金/銀納米顆粒還被廣泛報道[3-5]具有協(xié)同抑菌、抗氧化、抗炎等新特性，展現(xiàn)出在化妝品等日用消費品領域的巨大潛力。本文擬對金/銀納米顆粒的生物合成法原理、目前在化妝品中的功能特性、毒理學研究與人體應用安全性評估現(xiàn)狀進行綜述，以期為拓展綠色納米顆粒在化妝品領域的創(chuàng)新研究與應用提供新思路。

1 金屬納米顆粒的生物合成法原理

生物合成法是指利用生物來源(細菌、真菌、海藻、植物及其提取物)的有機質或還原性輔酶，在生物體的胞內或胞外(無細胞培養(yǎng)上清液或提取液)還原金或銀離子，制備綠色無害的貴金屬納米顆粒的過程[6-8]。圖1為微生物和植物合成金/銀納米顆粒的主要機制。無論采用胞內還是胞外合成法，最終制備獲得的金屬納米顆粒的生物學特性都與其生物還原劑和合成條件密切相關。

圖1 微生物和植物合成金/銀納米顆粒的主要機制[9]Fig.1 The main mechanism of microbial and plant synthesis of gold/silver nanoparticles[9]

1.1 胞內合成

胞內合成是指在生物個體水平上進行的合成。微生物體內的多種次生代謝物(如生物堿、萜類、糖苷和酚類化合物)、酶類、蛋白質、多糖等生物大分子[10]能直接作為還原劑或封端劑參與反應，無需添加化學合成表面活性劑或穩(wěn)定劑。在微生物體內，金屬離子則會被細胞壁的陰離子基團吸附并與之相結合，最終形成穩(wěn)定的納米顆粒，這是微生物胞內合成納米顆粒的主要機制[11]。胞內合成納米顆粒的前驅體來源于可被細胞吸收的可溶性金屬離子，但金屬離子或納米顆粒對生物體具有毒害作用，濃度過高時會抑制植株或菌株的生長，降低產(chǎn)量[12]。此外，組織/細胞培養(yǎng)和分離純化納米顆粒的步驟較繁瑣，目前難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

1.2 胞外合成

相對于胞內合成，利用植物或微生物的提取物在胞外合成金屬納米顆粒則具有下游處理簡單快捷、工業(yè)生產(chǎn)效益高、環(huán)境友好等特點。與胞內合成金屬納米顆粒的過程類似，生物提取物中的各類有機還原劑可在還原過程中吸附于金屬納米顆粒表面并形成一層生物被膜。富含羥基和羧基的生物還原劑還對納米銀顆粒的合成和穩(wěn)定具有重要作用[13]。利用植物提取物合成的金屬納米顆粒具有抑菌防腐、清除自由基、抑制促炎癥因子等生物活性[14]，開拓了綠色納米顆粒在化妝品和皮膚生物醫(yī)學領域的創(chuàng)新應用。此外，利用微生物培養(yǎng)濾液中富集的還原酶類、蛋白質、多糖等組分合成納米顆粒也是一種常見的胞外合成方式。如何實現(xiàn)納米顆粒形貌、粒徑與功能的可控是促進胞外合成進一步發(fā)展所亟需解決的問題。

2 生物合成金/銀納米顆粒在化妝品中的功能特性

由生物合成法制備的貴金屬納米顆粒應用于化妝品領域具有抑菌防腐、抗氧化、抗炎修復、防曬修復等功能特性，如圖2所示。表1則總結了不同提取來源生物還原劑制備的金/銀納米顆粒及其在化妝品領域的應用。

表1 不同提取來源生物還原劑制備的金/銀納米顆粒及其在化妝品領域的應用Table 1 Gold/silver nanoparticles prepared from biological reducing agents with different extraction sourles and their applications in cosmetic

表1(續(xù))

圖2 生物法合成金/銀納米顆粒在化妝品領域的應用特性Fig.2 Characteristics of bio-synthetized gold/silver nanoparticles for cosmetic applications

2.1 抑菌防腐

貴金屬納米顆粒對多種條件下的致病菌和耐藥菌均具有顯著的生長抑制作用[32]。目前，對金屬納米顆粒抑菌機制的研究多集中在納米銀顆粒[15]，其作用途徑主要包括：1)釋放的金屬離子與帶負電荷的微生物細胞膜結合[33]，改變細胞膜的通透性，導致細胞三磷酸腺苷(ATP)耗盡和細胞解體[34-35]；2)

當細胞膜結構受到破壞后，金屬離子進入細胞與DNA結合，導致其損傷和斷裂，從而抑制微生物增殖[20]；3)在細胞中產(chǎn)生大量活性氧(ROS)自由基，引發(fā)氧化應激，破壞細胞的膜結構、蛋白質和DNA，最終誘發(fā)細胞死亡[36-37]。值得注意的是，生物合成的銀納米顆粒對革蘭氏陽性菌和陰性菌的抑菌效果存在爭議。L.Wang等[38]研究發(fā)現(xiàn)，番石榴提取物合成的銀納米顆粒對革蘭氏陰性菌的殺滅效果優(yōu)于革蘭氏陽性菌；而D.Mandal等[39]研究發(fā)現(xiàn)，穿心蓮提取物合成的銀納米顆粒更易被革蘭氏陽性菌吞噬，從而對陽性菌產(chǎn)生選擇性抑制作用。目前，國外已有將生物合成的納米銀作為廣譜抑菌劑添加于香皂、洗手液等洗護產(chǎn)品的應用實例，這亦是近年來綠色防腐劑研發(fā)的熱點。

2.2 抗氧化

相對于化學法合成的金/銀納米顆粒，采用植物提取物胞外制備的金/銀納米顆粒常常表現(xiàn)出對自由基DPPH、ABTS等良好的清除能力。這種抗氧化作用機理可歸因于金、銀存在2種氧化狀態(tài)(Ag+/Ag2+和Au+/Au3+)，因此金/銀納米顆?？赡芡ㄟ^提供或接受電子淬滅自由基,發(fā)揮抗氧化作用。同時，納米顆粒表面的還原性生物被膜成分也可能與自由基發(fā)生中和反應[40]。有研究[23,29]發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物修飾的金/銀納米顆粒能夠通過提供H+或電子形成穩(wěn)定的酚氧自由基，從而減少細胞中氧化應激的發(fā)生，對細胞產(chǎn)生抗氧化保護作用。此外，生物合成的貴金屬納米顆粒的抗氧化活性還與其尺寸有關,單分散的納米顆粒粒徑越小，其比表面積越大，能清除自由基的活性位點數(shù)量越多，抗氧化活性也越強[41-42]。目前已有添加了金納米顆粒的化妝品乳液宣稱具有抗氧化、舒緩等功效，通過有目的地篩選生物還原劑，能使合成的金/銀納米顆粒減少ROS族/活性氮(RNS)族，發(fā)揮抗氧化作用，實現(xiàn)延緩皮膚衰老的功效。

2.3 抗炎修復

由歐洲山茱萸等植物提取物合成的金納米顆粒還具有抗炎修復功效[43]。研究發(fā)現(xiàn)，不同生物合成的金/銀納米顆粒主要通過抑制各類炎癥誘導因素間接起到舒緩炎癥的作用，在抗炎舒敏類護膚品和皮膚外用藥中均具有應用價值。例如，山櫻花果實提取物合成的金/銀納米顆粒能夠減少巨噬細胞一氧化氮(NO)和ROS的產(chǎn)生，抑制促炎細胞因子mRNA和蛋白的表達[44]；葡糖酸醋酸桿菌屬菌株合成的金納米顆粒能夠抑制被脂多糖激活的RAW264.7細胞的核轉錄因子-κB(NF-κB)p65蛋白的表達及其抑制因子α(IκBα)的蛋白磷酸化，從而舒緩炎癥[27]。此外，生物合成的金/銀納米顆粒還具有修復與促進傷口愈合的功效。與未處理創(chuàng)面相比，由烏藥提取物合成的銀納米顆粒處理的傷口創(chuàng)面具有更高的閉合率，表明其對傷口創(chuàng)面具有一定的愈合活性[22]。同時，由于小尺度的納米粒子更易與小分子藥物結合，當其與抗炎藥物復合時能作為高效的藥物載體，充分發(fā)揮抗炎藥物與納米粒子生物被膜的協(xié)同增強效應，減少藥物用量,提升藥用功效，并較大程度地降低藥物的副作用風險[45]。

2.4 防曬修復與著色修飾

納米顆粒具有良好的防曬修復和著色修飾能力。Z.Jiménez 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，由人參果實提取的紫丁香酚合成的金納米顆粒具備酪氨酸酶抑制和抗氧化能力，能顯著減少黑色素的合成，抑制細胞內ROS的增加，表現(xiàn)出對紫外損傷后皮膚的曬后修復功效。還有研究[3]發(fā)現(xiàn)，石榴提取物介導合成的銀納米顆粒在290～400 nm紫外線波長范圍內具有很強的等離子共振吸收，這表明該提取物具有作為紫外吸收增強劑的潛力，將其添加到防曬霜配方中能顯著提升產(chǎn)品的防曬系數(shù)(SPF)。另一方面，在可見光波長范圍內具有等離子體響應的金/銀納米顆粒還具有著色能力，可將其制備成新型的染發(fā)或彩妝產(chǎn)品。Y.Tang 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，由于生物分子的表面修飾，生物合成的納米顆粒具有良好的單分散性和抗顆粒聚集能力，能均勻擴散并吸附于毛發(fā)的角質層中，無需媒染劑輔助就能將頭發(fā)染成淺黃褐色至深棕色，且漂染后頭發(fā)還具有抑菌和抗靜電的優(yōu)點。

3 毒理學研究與人體應用安全性評估現(xiàn)狀

人體安全性是一種新型納米顆粒能否成為化妝品原料的關鍵。根據(jù)我國2021年的化妝品新原料法規(guī)[46]，納米級原料在審批時需要提供比普通原料更復雜、更嚴格的毒理學實驗和風險評估證據(jù)。因此，對生物合成的金/銀納米顆粒的毒理學研究和人體應用風險評估尤為重要。但是，目前國內外對金/銀納米顆粒的人體應用安全性還缺乏系統(tǒng)的實驗研究。2018年歐盟消費者安全委員會(SCCS)認為，依據(jù)目前的毒理學數(shù)據(jù)還無法對納米銀在護膚品和口腔用品(如牙膏)中的應用風險進行準確評估[47]。以化妝品風險評估中至關重要的透皮吸收為例，納米金屬顆粒的透皮吸收與其理化性質和皮膚屏障功能有關，一般粒徑越小、配方濃度越高的納米顆粒越容易透過皮膚[48]；在皮膚創(chuàng)面和口腔黏膜等皮膚屏障較弱的部位，納米顆粒甚至能穿透角質層進入真皮層[49]。但這些暴露數(shù)據(jù)主要來源于化學合成的納米銀顆粒，對于納米金顆粒，尤其是具有生物被膜的生物合成納米金顆粒，尚缺乏系統(tǒng)的實驗研究。另一方面，盡管前人研究[50]表明，與化學合成相比，由植物提取物合成的納米金顆粒對人體細胞的毒性明顯降低、生物相容性更高，且能夠抑制ROS的產(chǎn)生，但由于不同生物分子介導合成的納米金屬顆粒具有不同的修飾成分和粒徑分布，其毒效應譜尚不明確，也無法在顆粒的開發(fā)設計中建立準確的毒性預測機制。

4 結語與展望

由各種微生物或植物及其提取物介導、生物合成的金/銀納米顆粒結合了生物活性基團與金屬納米顆粒獨特的理化與生物學性質，并在抑菌防腐、抗氧化、抗炎修復、防曬修復、著色修飾等與化妝品相關的功能領域嶄露頭角。盡管優(yōu)勢顯著，但作為一種新型化妝品原料，其推廣與普及仍面臨諸多問題：1)生物還原劑合成金/銀納米顆粒的生長成型機制還有待深化研究。雖然所涉及的化學反應非常簡單，但如何在液相制備過程中僅采用生物還原劑獲得粒徑、形貌均一且分散穩(wěn)定的納米顆粒仍是一個具有挑戰(zhàn)性的課題，也是制約其工業(yè)化生產(chǎn)的關鍵。2)生物被膜與修飾成分對金/銀納米顆粒的生物活性或毒性的影響尚不明晰。有些生物還原劑及其合成的金屬納米顆粒對微生物和不同來源的細胞表現(xiàn)出選擇性毒性，其機制有待研究。3)盡管文獻報道眾多，但是顆粒的理化性質表征不夠全面，所以在毒性評估時難以比較和利用不同來源的數(shù)據(jù)。而且相對于化學合成的納米顆粒，生物合成的金/銀納米顆粒還缺少應用于化妝品配方的透皮吸收數(shù)據(jù)，不能為新原料的人體應用風險評估提供關鍵性參考數(shù)據(jù)。4)目前針對生物合成金屬納米顆粒的安全性與功效性研究主要基于體外模型，體內和臨床水平的研究較少。因此，未來應從完善生物合成機制、開展多維度的人體應用安全/功效性研究和建立針對性的風險預測模型三方面入手，大幅提高生物合成金/銀納米顆粒的定向制備與性能調控能力，推動化妝品領域生物納米技術的創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展。