何文丹 ，劉 磊 ，楊舒顏 ，唐 穎

（1.北京工商大學(xué) 理學(xué)院 化妝品系，北京 100048；2.北京市植物資源研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

發(fā)用化妝品包括育發(fā)、染發(fā)、燙發(fā)類的特殊用途化妝品和清潔、護(hù)發(fā)類的非特殊用途化妝品。它們的作用對(duì)象包括毛發(fā)及其賴以生長(zhǎng)的皮膚區(qū)域（頭皮）。發(fā)用化妝品的品種繁多，功能和作用機(jī)理各異。例如洗發(fā)水用于清潔頭發(fā)和頭皮，護(hù)發(fā)素用于保護(hù)頭發(fā)纖維并提供理想的外觀和觸感，這些產(chǎn)品主要改變頭發(fā)表面的粗糙度、摩擦和粘附性能，而染發(fā)和燙發(fā)產(chǎn)品則主要通過(guò)改變頭發(fā)內(nèi)部的化學(xué)成分及相關(guān)物理性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。近年來(lái)，我國(guó)發(fā)用化妝品行業(yè)發(fā)展迅速，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，而消費(fèi)者日趨理性，對(duì)產(chǎn)品功效越來(lái)越重視。如果化妝品功效宣稱缺乏充分的科學(xué)依據(jù)，勢(shì)必影響產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣。因此，如何運(yùn)用生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)手段對(duì)發(fā)用化妝品的不同功效進(jìn)行科學(xué)表征和評(píng)價(jià)，是發(fā)用化妝品研發(fā)的重要課題，也是化妝品行業(yè)十分感興趣的問(wèn)題。

目前對(duì)化妝品的功效評(píng)價(jià)主要通過(guò)體內(nèi)試驗(yàn)和體外試驗(yàn)兩種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。體內(nèi)試驗(yàn)以動(dòng)物試驗(yàn)和志愿者人體試驗(yàn)為主，還包括了人體感官和主觀性評(píng)價(jià)。體外試驗(yàn)主要通過(guò)離體培養(yǎng)的細(xì)胞、微生物和組織等體外生物學(xué)模型進(jìn)行。此外，由于頭發(fā)的發(fā)干部分是由無(wú)生命的蛋白質(zhì)纖維構(gòu)成，發(fā)用化妝品的體外評(píng)價(jià)還可以采用以波譜學(xué)、理化分析為代表的材料學(xué)儀器分析。2013年歐盟全面禁止化妝品動(dòng)物試驗(yàn)禁令的提出，推動(dòng)了體外試驗(yàn)技術(shù)在化妝品評(píng)價(jià)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。與此同時(shí)，相對(duì)于試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、主觀性強(qiáng)的傳統(tǒng)動(dòng)物試驗(yàn)和人體試驗(yàn)，體外試驗(yàn)在評(píng)價(jià)時(shí)還具有試驗(yàn)周期短、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便和易于開(kāi)展深層次機(jī)理研究等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到行業(yè)和消費(fèi)者的重視。

根據(jù)作用部位的不同，可以將發(fā)用化妝品分為作用于頭發(fā)纖維和作用于頭皮兩類。對(duì)于作用部位在頭發(fā)纖維的大多數(shù)發(fā)用化妝品（包括清潔、修復(fù)、漂染、定型等），其功效評(píng)價(jià)主要針對(duì)頭發(fā)纖維的形貌、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和機(jī)械性能等的改變；而對(duì)于作用部位在頭皮的發(fā)用化妝品（如去屑、育發(fā)），其功效評(píng)價(jià)主要通過(guò)體外生物學(xué)模型進(jìn)行。

1 針對(duì)頭發(fā)纖維的體外評(píng)價(jià)

人的頭發(fā)纖維直徑為50～100 μm，由角質(zhì)層、毛皮質(zhì)和毛髓質(zhì)三部分組成。最外層的角質(zhì)層覆蓋著毛鱗片，構(gòu)成了毛發(fā)表面約5 μm厚的保護(hù)層。最內(nèi)側(cè)區(qū)域的毛髓質(zhì)厚度為5～10 μm，由中空細(xì)胞組成。位于毛發(fā)中間區(qū)域的毛皮層（約45～90 μm）是毛發(fā)主要的結(jié)構(gòu)支撐部分，由長(zhǎng)圓柱形組裝的皮質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞膜復(fù)合物（CMC）組成。皮質(zhì)細(xì)胞由卷曲螺旋的α-角蛋白和角蛋白締合蛋白（KAP）橫向組裝成的微纖維和間質(zhì)材料構(gòu)成[1]。頭發(fā)纖維由無(wú)生命的死細(xì)胞構(gòu)成，因此，針對(duì)頭發(fā)纖維的體外評(píng)價(jià)主要運(yùn)用多種材料學(xué)和生物物理學(xué)儀器分析手段開(kāi)展，包括顯微成像分析、光譜、蛋白質(zhì)組質(zhì)譜、機(jī)械張力和摩擦力學(xué)等分析方法。

1.1 顯微成像分析

運(yùn)用各種顯微成像技術(shù)可方便地對(duì)頭發(fā)纖維的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并對(duì)包括化妝品、光照、機(jī)械損傷、干燥等對(duì)毛發(fā)的影響進(jìn)行評(píng)估。

1.1.1 掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscopy，SEM）是一種在真空下利用聚焦電子束掃描能夠使樣品表面產(chǎn)生放大和清晰圖像的成像技術(shù)[2]。利用SEM可以對(duì)頭發(fā)纖維的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)變化進(jìn)行直接觀察，是對(duì)頭發(fā)進(jìn)行顯微成像分析最常用的方法。例如頭發(fā)纖維表面毛鱗片的形態(tài)容易受到光照、風(fēng)化和梳理的影響，而發(fā)梢與發(fā)尾通常存在明顯的老化差異。2010年巴黎歐萊雅集團(tuán)（中國(guó)區(qū)）用SEM對(duì)一名女性的4.3 m長(zhǎng)發(fā)的發(fā)根、中間部分和發(fā)尾部分進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)毛發(fā)根部的毛鱗片組織結(jié)構(gòu)完好，中間部分的毛鱗片翹起、邊緣變得粗糙，而發(fā)梢的毛鱗片已經(jīng)完全脫落，直接暴露了毛皮質(zhì)[3]。SEM還能觀察發(fā)用化妝品處理對(duì)頭發(fā)微觀結(jié)構(gòu)的影響，從而對(duì)其損傷或修復(fù)功能進(jìn)行定性或半定量評(píng)價(jià)。韓國(guó)延世大學(xué)的Ahn等[4]曾報(bào)道了一項(xiàng)永久性染發(fā)劑對(duì)毛發(fā)損傷的SEM研究，發(fā)現(xiàn)未染色的毛發(fā)具有完整而致密的毛鱗片，毛發(fā)表面均勻有光澤，而染發(fā)的毛鱗片則變得破碎、剝離和脫落。2012年，西班牙學(xué)者Fernández等[5]通過(guò)SEM觀察發(fā)現(xiàn)使用朝鮮薊提取物制備成的護(hù)發(fā)劑對(duì)頭發(fā)表面毛鱗片在老化過(guò)程中的翹起有改善作用，因此認(rèn)為該提取物具有護(hù)發(fā)功效。

1.1.2 透射電子顯微鏡

透射電子顯微鏡（Transmission electron microscopy，TEM）是將經(jīng)加速和聚焦的電子束投射到非常薄的樣品（一般需要切片）上，利用電子與樣品中的原子碰撞產(chǎn)生立體角散射而成像的一種顯微成像技術(shù)。該系統(tǒng)是由封裝在低壓抽空柱子中控制光束的電磁透鏡組成的發(fā)射電子源，當(dāng)電子束通過(guò)樣品時(shí)，由于衍射電子束的角度分布而形成可觀察的圖像。利用TEM可以觀察頭發(fā)纖維內(nèi)部橫截面的超微結(jié)構(gòu)。在上述Ahn等[4]的研究中，還同時(shí)應(yīng)用TEM觀察永久性染發(fā)劑染發(fā)引起毛發(fā)表層在橫截面上的變化，發(fā)現(xiàn)染發(fā)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷（表現(xiàn)為角質(zhì)層細(xì)胞的破碎和空洞化）在6～24 h內(nèi)最嚴(yán)重，需要8周才能恢復(fù)到未染發(fā)狀態(tài)，因此建議消費(fèi)者補(bǔ)染發(fā)的間隔為8周時(shí)間[4]。類似的，2016年巴西的一項(xiàng)利用TEM分析毛發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究也觀察到了頭發(fā)在紫外線輻射和水洗過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)損害，認(rèn)為光照和過(guò)度清洗都會(huì)使毛發(fā)變得脆弱[6]。而韓國(guó)的一項(xiàng)TEM研究表明，在護(hù)發(fā)產(chǎn)品中添加原花青素低聚物可以減緩漂染處理中毛發(fā)皮質(zhì)中黑素小體和蛋白質(zhì)的降解[7]。

1.1.3 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡（Atomic force microscopy，AFM）是通過(guò)探針與被測(cè)樣品之間的微弱的相互作用力即原子力來(lái)獲得物質(zhì)表面形貌的信息，從而獲得納米尺度顯微成像的技術(shù)。AFM由于具有超高圖像分辨率、測(cè)試和樣品制備時(shí)的簡(jiǎn)易性（無(wú)需SEM和TEM時(shí)的噴金制樣和高真空條件），在局部的三維拓?fù)涑上駮r(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在過(guò)去的20年里，AFM被廣泛地應(yīng)用于研究頭發(fā)角質(zhì)層的各種微納結(jié)構(gòu)（如A層、外表皮、內(nèi)皮細(xì)胞和細(xì)胞膜復(fù)合物），并用這些數(shù)據(jù)來(lái)比較研究環(huán)境因素和化妝品處理對(duì)頭發(fā)粗糙度和摩擦力學(xué)性質(zhì)的影響，從而對(duì)產(chǎn)品的護(hù)發(fā)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。如Chen等[8]利用AFM的不同模式對(duì)頭發(fā)表面上的護(hù)發(fā)素的分布、厚度與頭發(fā)摩擦力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究。AFM還可以用來(lái)表征毛發(fā)纖維的各種物理特性，如摩擦力、附著力、磨損、彈性剛度和黏彈性等納米力學(xué)性能。2013年，英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)使用AFM圖像確定了頭發(fā)表面亞結(jié)構(gòu)的微尺度摩擦系數(shù)、尖端-表面粘附力和相應(yīng)的粘附能量值[9]。另一項(xiàng)研究[10]通過(guò)AFM成像表征了頭發(fā)纖維的納米楊氏模量，并發(fā)現(xiàn)漂白后毛發(fā)表面的模量降低，表現(xiàn)為纖維彈性下降。

1.1.4 光學(xué)相干斷層掃描

對(duì)頭發(fā)纖維截面的高分辨率圖像分析還可以通過(guò)光學(xué)相干斷層掃描（Optical coherence tomography，OCT）進(jìn)行。OCT利用低長(zhǎng)度相干干涉測(cè)量的原理，通過(guò)設(shè)備的直接相干反射光子獲得具有高分辨率層析成像的生物結(jié)構(gòu)圖像[11]。2014年，巴黎歐萊雅集團(tuán)（美國(guó)區(qū)）使用X射線斷層顯微鏡研究了非裔美國(guó)女性毛發(fā)斷裂情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)頭發(fā)纖維拉伸超過(guò)30%后，毛發(fā)的橫截面積（尤其是斷裂發(fā)生的部位）明顯減小[12]。此外，由于OCT可以分析毛發(fā)在相同部位由外界因素引起的結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)變化，具有對(duì)同一部位的變化進(jìn)行精確比較、減小測(cè)量誤差的優(yōu)點(diǎn)。2016年，巴西圣保羅大學(xué)報(bào)道了使用OCT觀察氧化型染發(fā)劑染發(fā)引起同一部位毛發(fā)的超微結(jié)構(gòu)變化，研究發(fā)現(xiàn)染發(fā)后毛發(fā)的散射系數(shù)和折射率增加，而毛髓質(zhì)和毛皮質(zhì)的OCT圖像清晰度降低，從而判斷髓質(zhì)和皮質(zhì)結(jié)構(gòu)受損[13]。

1.2 光譜分析

光譜分析是根據(jù)物質(zhì)的光學(xué)特性，鑒別物質(zhì)及確定其化學(xué)成分的技術(shù)。目前在發(fā)用化妝品功效評(píng)價(jià)中最常用的是紫外可見(jiàn)光譜、熒光光譜、紅外光譜和拉曼光譜。

1.2.1 紫外可見(jiàn)光譜

紫外可見(jiàn)光譜（UV-Visible spectroscopy）包括紫外可見(jiàn)光區(qū)域（320～780 nm）的漫反射光譜（Diffuse reflectance spectroscopy，DRS）和吸收光譜（Absorption spectroscopy，AS）。漫反射光譜反映了物質(zhì)在紫外可見(jiàn)光波段的反射率，常用于判斷樣品的色彩和明暗度。通過(guò)將放射率數(shù)值轉(zhuǎn)換為CIELab色彩空間，漫反射光譜可用于定量評(píng)價(jià)染護(hù)發(fā)產(chǎn)品處理后頭發(fā)纖維的光澤和顏色變化。2016年，北京工商大學(xué)唐穎[14]通過(guò)漫反射光譜研究了包括自然白/黑發(fā)、灰發(fā)和漂染發(fā)等不同類型的中國(guó)人頭發(fā)在UVA光老化中的顏色變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同類型的頭發(fā)對(duì)紫外輻射的敏感程度和光變色反應(yīng)具有明顯差異，漂染過(guò)的頭發(fā)表現(xiàn)出光變暗，而自然白發(fā)表現(xiàn)出光黃化。而Dario等[15]的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，將石榴提取物復(fù)配成護(hù)發(fā)素可以有效減少染發(fā)在光老化中的顏色變化。吸收光譜反映了物質(zhì)生色團(tuán)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收特征，常用于染料或吸光物質(zhì)的定量分析。2014年，Pires-Oliveira等[16]通過(guò)分析毛發(fā)提取物溶液的吸收光譜，比較研究了4種表面活性劑引起的毛發(fā)損傷，發(fā)現(xiàn)吸收峰面積與毛發(fā)降解得到的黑色素顆粒和蛋白質(zhì)成分成正比，建立了對(duì)毛發(fā)損傷進(jìn)行表征的分光光度法。

1.2.2 熒光光譜

熒光光譜（Fluorescence spectroscopy）是指利用某些熒光物質(zhì)在紫外光照射下產(chǎn)生熒光的特性進(jìn)行物質(zhì)的定性或定量分析的方法。頭發(fā)角蛋白中的氨基酸如色氨酸、酪氨酸、半胱氨酸都是熒光基團(tuán)，因此可以通過(guò)熒光光譜評(píng)估頭發(fā)中蛋白質(zhì)成分的降解以及護(hù)發(fā)產(chǎn)品中功效成分對(duì)毛發(fā)的保護(hù)作用。2012年，Estibalitz等[17]發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)頭發(fā)中色氨酸熒光強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)可定量毛發(fā)的光損傷；并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)使用大米提取物制備成護(hù)發(fā)素對(duì)頭發(fā)具有光防護(hù)作用[5]。除了二維發(fā)射光譜對(duì)色氨酸進(jìn)行定量檢測(cè)外，還可以利用三維熒光光譜得到指紋圖譜對(duì)頭發(fā)纖維中存在的多種氨基酸及其氧化產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行分析，來(lái)鑒別不同化妝品處理過(guò)的頭發(fā)類型及其光老化規(guī)律[14]。

1.2.3 傅里葉變換紅外光譜

傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T IR）由化合物的分子振動(dòng)能級(jí)在吸收紅外光照后發(fā)生躍遷而產(chǎn)生，包含了化合物的官能團(tuán)、結(jié)晶態(tài)等結(jié)構(gòu)信息。將FT IR與ATR衰減全反射相連，可直接對(duì)頭發(fā)纖維進(jìn)行測(cè)量，利用紅外光譜的指紋特征性評(píng)估不同化妝品處理（如保濕、漂白和染色等）對(duì)頭發(fā)角蛋白分子結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響[18]。2016年，北京工商大學(xué)唐穎等[14]通過(guò)FT IR指紋圖譜對(duì)不同漂染處理后的頭發(fā)樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)UVA和過(guò)氧化氫可以使毛發(fā)中胱氨酸的二硫鍵斷裂，產(chǎn)生半胱氨酸，而后者易被氧化產(chǎn)生大量磺基丙氨酸。由于頭發(fā)表面胱氨酸含量相對(duì)恒定（約11%～18%），因此磺基丙氨酸可用來(lái)監(jiān)測(cè)高硫蛋白的氧化程度。

1.2.4 拉曼光譜

拉曼光譜（Raman spectroscopy，RS）是利用化合物受光照射后發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的非彈性散射光譜（“拉曼效應(yīng)”），對(duì)物質(zhì)的組成和分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析的技術(shù)。對(duì)頭發(fā)纖維拉曼光譜的測(cè)量，可以反映蛋白質(zhì)主鏈的骨架振動(dòng)、氨基酸的側(cè)鏈構(gòu)象與存在形式以及外部環(huán)境變化引起的微小改變（S-S的構(gòu)象和蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)等）[19]。2006年—2010年，日本中央研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)一系列基于拉曼光譜的機(jī)制研究，探討了老化和漂染等對(duì)毛發(fā)在黑色素含量、蛋白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)和抗拉強(qiáng)度等方面的影響[20，21]。他們通過(guò)直接分析不同年齡、不同處理（漂白發(fā)或黑色頭發(fā)）在不同深度橫截面的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長(zhǎng)，毛發(fā)皮質(zhì)區(qū)黑色素顆粒含量減少[22]；而漂白處理后毛發(fā)中的二硫鍵從角質(zhì)層到皮質(zhì)層的含量降低，同時(shí)半胱氨酸含量增加，此外，漂粉中的氧化劑還促進(jìn)了頭發(fā)皮質(zhì)中黑色素顆粒的分解，使黑發(fā)在漂白過(guò)程中二硫化物基團(tuán)的裂解水平更高[23]。

1.3 色譜

色譜（Chromatography）分析是按物質(zhì)在固定相與流動(dòng)相間分配系數(shù)的差別而進(jìn)行分離、分析的技術(shù)。在評(píng)價(jià)化妝品對(duì)毛發(fā)的損傷程度時(shí)，常利用色氨酸對(duì)蛋白質(zhì)成分的損失進(jìn)行定量評(píng)估，而用熒光分光光度法定量色氨酸容易受到檢測(cè)系統(tǒng)中其他熒光物質(zhì)的影響。2017年，Dario等[24]開(kāi)發(fā)了一種使用具有熒光和UV檢測(cè)的高效液相色譜法（HPLC），在毛發(fā)樣品堿水解后對(duì)色氨酸和光氧化物犬尿氨酸進(jìn)行定量檢測(cè)的方法。結(jié)果表明，漂白和染色過(guò)程會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)/氨基酸的損失，但色氨酸不會(huì)在毛發(fā)的光老化中大量降解。Khumalo等[25]將頭發(fā)經(jīng)過(guò)鹽酸水解后結(jié)合氨基酸分析儀進(jìn)行色譜分析，發(fā)現(xiàn)受損的毛發(fā)中的精氨酸、瓜氨酸和胱氨酸含量降低，谷氨酰胺水平增加。此外，色譜還常與質(zhì)譜聯(lián)用，廣泛用于化妝品中的功效成分或禁限用成分的定量檢測(cè)。

1.4 質(zhì)譜

質(zhì)譜（Mass spectrometry，MS）是將被測(cè)物質(zhì)離子化，按離子的質(zhì)荷比分離，通過(guò)測(cè)量各種離子譜峰的強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)分析目的的一種分析方法。毛發(fā)中的角蛋白和角蛋白締合蛋白（KAP）賦予了毛發(fā)重要的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能?；诘鞍踪|(zhì)組學(xué)的質(zhì)譜技術(shù)可以通過(guò)鑒定毛發(fā)中存在的所有角蛋白和主要KAP中氨基酸基團(tuán)的修飾變化，從而對(duì)不同化妝品處理或環(huán)境因素對(duì)毛發(fā)纖維蛋白質(zhì)的影響進(jìn)行表征。2013年，新西蘭農(nóng)業(yè)研究所Dyer等[26]使用LC-MS/MS鑒定堿處理、漂白處理前后毛發(fā)樣品中蛋白質(zhì)含量變化，結(jié)果表明堿處理會(huì)輕微增加毛發(fā)的氧化損傷程度，而漂白處理對(duì)毛發(fā)角蛋白（主要是半胱氨酸）造成明顯的氧化損害。2016年，北京工商大學(xué)和Dyer合作采用此技術(shù)分析中國(guó)人的常染發(fā)人群的頭發(fā)樣本，發(fā)現(xiàn)染發(fā)的蛋白質(zhì)氧化水平比未染發(fā)增加了近1.6倍，因此常染色的毛發(fā)更容易受到日光損傷[27]。

1.5 熱分析

熱分析是在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)隨溫度變化的一類技術(shù)，包括熱重分析（TG）、衍生熱重分析（DTG）、差熱分析（DTA）和差示掃描量熱法（DSC）。其中，DSC常用于角蛋白變性溫度以及角蛋白變性焓的測(cè)定[28，29]。近年來(lái)，DSC越來(lái)越多地用于護(hù)發(fā)產(chǎn)品的功效評(píng)價(jià)。2011年，Rigoletto等[30]通過(guò)DSC評(píng)估毛發(fā)角蛋白降解和評(píng)價(jià)化妝品對(duì)損傷毛發(fā)的修復(fù)效果。結(jié)果表明，隨著熱處理溫度從205 ℃上升到232 ℃，角蛋白的變性溫度和變性晗均顯著下降，蛋白質(zhì)降解更加嚴(yán)重，而使用聚合物（月桂基甲基丙烯酸酯共聚物、聚季銨鹽-55等）對(duì)毛發(fā)進(jìn)行處理后，可有效降低角蛋白的熱降解和減輕毛小皮損傷。2016年，花王研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)干發(fā)中的α-角蛋白發(fā)生變性和降解，濕發(fā)的DSC變性溫度反而降低，提出DSC還應(yīng)與XRD、拉伸實(shí)驗(yàn)等方法聯(lián)用以更好地理解化妝品對(duì)毛發(fā)的實(shí)際作用效果[31]。

1.6 機(jī)械性能分析

毛皮質(zhì)中的α-角蛋白和二硫鍵決定了毛發(fā)纖維的機(jī)械性能（拉伸性和扭轉(zhuǎn)性）。與此同時(shí)，毛發(fā)的機(jī)械性能還受到各種環(huán)境因素的影響：相對(duì)濕度或溫度的升高會(huì)導(dǎo)致楊氏模量的降低和延展性的增加，而扭曲會(huì)對(duì)毛發(fā)纖維造成傷害，導(dǎo)致斷裂應(yīng)力、斷裂應(yīng)變和楊氏模量的降低[32]。對(duì)毛發(fā)的拉伸等機(jī)械性能分析可以利用美國(guó)英斯特朗INSTRON系列萬(wàn)能材料測(cè)試儀、英國(guó)戴亞斯特隆公司（Dia-Stron） MTT拉伸試驗(yàn)機(jī)等儀器進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試參數(shù)包括拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)力、斷裂應(yīng)變曲線、斷裂伸長(zhǎng)率等[30-33]。Davis等[33]通過(guò)拉伸性測(cè)試和扭轉(zhuǎn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)一個(gè)包含咖啡因、煙酰胺和泛醇的配方具有增強(qiáng)毛發(fā)拉伸力和柔韌性的功效。毛發(fā)纖維在外力作用下的拉伸性和扭轉(zhuǎn)性還與其柔韌性相關(guān)，除了護(hù)發(fā)產(chǎn)品，還可用于評(píng)價(jià)毛發(fā)造型類產(chǎn)品。例如，上海工程技術(shù)大學(xué)Yan等[34]通過(guò)測(cè)定一種聚氨酯聚合物涂覆后對(duì)毛發(fā)機(jī)械性能的影響，評(píng)價(jià)這種發(fā)用定型劑的形狀記憶效應(yīng)和耐水洗性能。

1.7 梳理性能表征

毛發(fā)纖維的摩擦系數(shù)和彈性特性是毛發(fā)梳理性能中的重要物理參數(shù)。與毛發(fā)的摩擦學(xué)特性緊密相關(guān)的是其毛干表面的脂質(zhì)（18-甲基二十烷酸）和角蛋白構(gòu)成的毛鱗片。當(dāng)毛發(fā)光老化或損傷后，脂質(zhì)流失、毛鱗片變得翹起、剝落，就會(huì)導(dǎo)致毛發(fā)表面變得粗糙，摩擦系數(shù)上升，同時(shí)手觸摸時(shí)的柔軟度下降，毛發(fā)變得難以梳理或易打結(jié)。因此，表征毛發(fā)表面的摩擦學(xué)性質(zhì)對(duì)于量化梳理性能和評(píng)估洗護(hù)發(fā)產(chǎn)品的功效十分重要。Chevalier[35]通過(guò)尼龍螺紋實(shí)驗(yàn)得到了計(jì)算單根毛發(fā)的自摩擦系數(shù)方程，并用此測(cè)得濕發(fā)的靜摩擦系數(shù)明顯高于干發(fā)，還發(fā)現(xiàn)堿處理會(huì)導(dǎo)致毛發(fā)摩擦系數(shù)的不可逆增大。自20世紀(jì)50年代Roeder開(kāi)發(fā)首個(gè)毛發(fā)靜摩擦力的測(cè)試方法以來(lái)，目前已有多種方法和技術(shù)可對(duì)毛發(fā)-毛發(fā)界面的摩擦力進(jìn)行定量測(cè)定，包括Dussaud的“斜面法”和Luengo的“AFM懸臂法”等[35，36]，并出現(xiàn)了專門針對(duì)毛發(fā)的測(cè)試儀器，方便對(duì)發(fā)用化妝品梳理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，如Dia-Stron MTT系列測(cè)試儀和亞什蘭公司的Aqualon SLT組件等。圣保羅大學(xué)Da等[37]使用Dia-Stron MTT175測(cè)試儀分析不同護(hù)發(fā)劑對(duì)染發(fā)后毛發(fā)的保護(hù)作用，結(jié)果表明含烷三醇和泛醇的配方可有效降低毛發(fā)的梳理阻力。

2 針對(duì)頭皮的體外評(píng)價(jià)

毛發(fā)的生長(zhǎng)離不開(kāi)頭皮上的毛囊組織。毛囊是頭皮的表皮向真皮處下陷而形成的重要的附屬結(jié)構(gòu)，分為表皮層與真皮層兩部分。毛囊表皮層包括內(nèi)根鞘（IRS）和外根鞘（ORS），內(nèi)根鞘在皮脂腺開(kāi)口處與內(nèi)陷的表皮水平相連，起決定毛發(fā)形狀的作用。外根鞘形成突起的毛囊隆突區(qū)，含有多種干細(xì)胞，這些干細(xì)胞與附近的上皮細(xì)胞、內(nèi)外根鞘、基底膜或者纖維細(xì)胞相互作用調(diào)控毛發(fā)的生長(zhǎng)。對(duì)于作用部位在頭皮的育發(fā)、去屑類化妝品，主要通過(guò)人工培養(yǎng)的細(xì)胞、微生物模型和離體的毛囊組織來(lái)進(jìn)行相關(guān)功效的體外評(píng)價(jià)。

2.1 細(xì)胞模型

育發(fā)類化妝品產(chǎn)品在功效評(píng)價(jià)時(shí)常采用真皮乳頭細(xì)胞、角質(zhì)細(xì)胞和毛囊上皮細(xì)胞，通過(guò)受試物對(duì)細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用、細(xì)胞因子（如VEGF）和相關(guān)基因表達(dá)的變化等來(lái)衡量其功效成分對(duì)毛發(fā)增長(zhǎng)的促進(jìn)效果。韓國(guó)學(xué)者Rho等[38]報(bào)道了木香烴內(nèi)酯（一種木香根中的倍半萜類提取物）可以刺激永生化的人頭皮毛囊真皮乳頭細(xì)胞（hHFDPC）的增殖，并在進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，表明該成分具有顯著的育發(fā)效果。永生化人角質(zhì)細(xì)胞（HaCaT）和真皮乳頭細(xì)胞（DP）被廣泛地應(yīng)用于育發(fā)和防脫發(fā)功效成分的篩選，多種植物提取物及化學(xué)合成物質(zhì)在體外細(xì)胞和在進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得到了一致的結(jié)果[39-41]。此外，由于白發(fā)的產(chǎn)生被認(rèn)為與高氧化壓力對(duì)黑色素的破壞有關(guān)，歐萊雅報(bào)道了采用過(guò)氧化氫損傷的人原代黑色素細(xì)胞模型用在烏發(fā)功效的評(píng)價(jià)上，如何首烏提取物被發(fā)現(xiàn)可有效抑制細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高和細(xì)胞凋亡，抑制氧化應(yīng)激下黑色素的減少，從而起到烏發(fā)固色的作用[42]。

2.2 微生物模型

馬拉色菌（Malassezia）與頭皮屑的形成密切相關(guān)，頭皮上真菌主要為馬拉色菌，其中限制性馬拉色菌（M.restricta）和球形馬拉色菌（M.globaso）為優(yōu)勢(shì)種屬[43]。因此，馬拉色菌抑菌試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于添加了抗菌成分的去屑洗發(fā)水的功效評(píng)價(jià)。德國(guó)拜爾斯道夫公司[44]報(bào)道了通過(guò)對(duì)馬拉色菌抑菌圈大小的測(cè)定，結(jié)合人體實(shí)驗(yàn)，比較含有不同抗菌原料（如吡羅克酮乙醇胺、氯胺酮和吡啶硫酮鋅）洗發(fā)水的去屑功效。除了比較不同配方產(chǎn)品，馬拉色菌實(shí)驗(yàn)還被廣泛應(yīng)用于抑菌去屑功效原料的篩選。多篇文獻(xiàn)[45，46]報(bào)道了通過(guò)馬拉色菌最小抑菌濃度（MIC）的測(cè)定篩選出了具有良好去屑抑菌性能的植物提取物（如茶樹(shù)油、蘆筍根提取物等）。這些植物成分可以作為化學(xué)抗菌劑的天然替代品用在去屑化妝品中。

2.3 組織模型

組織模型包含從人或者動(dòng)物分離培養(yǎng)的毛囊體外培養(yǎng)系統(tǒng)和商業(yè)化的3D皮膚模型。與細(xì)胞系相比，這類組織模型在三維結(jié)構(gòu)和生理功能等方面更接近真實(shí)人體，一般認(rèn)為在功效評(píng)價(jià)時(shí)具有更高的可靠性。因此，近年來(lái)，體外毛囊培養(yǎng)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于生發(fā)、育發(fā)藥品及其育發(fā)類化妝品的研究與開(kāi)發(fā)。Park等[47]報(bào)道了使用離體培養(yǎng)的人毛囊組織研究雙-油酰氨基異丙醇（BOI）對(duì)毛發(fā)生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)BOI處理能促進(jìn)毛囊中的毛發(fā)生長(zhǎng)并能將毛發(fā)的生長(zhǎng)期由生長(zhǎng)終期誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為生長(zhǎng)初期。此外，組織模型還可以與外源微生物共培養(yǎng)，進(jìn)行包括抗菌、去屑功效的評(píng)價(jià)。2013年，聯(lián)合利華報(bào)道了將馬拉色菌接種于VitroSkinTM皮膚模型上，發(fā)現(xiàn)復(fù)配有抗菌成分（吡啶硫酮鋅和甘寶素）的洗發(fā)水具有良好的去屑功效[44]。

3 發(fā)用化妝品體外功效評(píng)價(jià)方法匯總

與傳統(tǒng)的動(dòng)物和人體試驗(yàn)方法相比，以生物物理學(xué)儀器分析和離體生物學(xué)模型為代表的體外評(píng)價(jià)方法，具有經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于發(fā)用化妝品功效性原料的篩選、作用機(jī)理研究和配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。表1總結(jié)了目前常用的發(fā)用化妝品的體外功效評(píng)價(jià)技術(shù)。其中，針對(duì)頭發(fā)纖維部位的評(píng)價(jià)主要采用無(wú)損或微損的儀器分析，評(píng)價(jià)化妝品處理后頭發(fā)纖維在顏色、亮度、微觀結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)損失和力學(xué)特性等方面的變化。對(duì)于作用部位在頭皮的發(fā)用化妝品，其功效評(píng)價(jià)主要采用體外生物學(xué)模型。多種皮膚細(xì)胞、毛囊組織和微生物模型在育發(fā)、去屑類產(chǎn)品的功效評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用。

表1 常用的發(fā)用化妝品功效評(píng)價(jià)的體外試驗(yàn)方法Tab.1 In vitro techniques commonly used for the efficacy evaluation of hair cosmetics

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)用化妝品功效復(fù)雜、種類繁多，單一的體外試驗(yàn)方法很難對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面評(píng)價(jià)?；瘖y品評(píng)價(jià)人員需要在掌握產(chǎn)品功效成分和作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用多種體外方法，將不同靶部位、不同層面的試驗(yàn)技術(shù)手段有機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)一款發(fā)用化妝品的多角度、系統(tǒng)性功效評(píng)價(jià)。與此同時(shí)，如何在已有體外方法的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出適合臨床的原位快速檢測(cè)毛發(fā)理化性質(zhì)及成分變化的試驗(yàn)技術(shù)也是未來(lái)發(fā)用功效評(píng)價(jià)發(fā)展的重要方向。