纤维素基面膜材料的应用进展

胡婷婷， 贾庆明*， 陕绍云

（昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500）

随着物质生活的逐渐丰富，人们的需求不再停留于衣食住行方面，而是更加注重养生和保养，一系列的美容护肤产品应运而生，而面膜类的护肤品因其使用简便、效果显著、价格亲民等优点深受广大消费者的喜爱，在日用护肤品中的销量更是名列前茅。有数据显示我国面膜销售年增长率为20%，到2019年中国的面膜市场预计达到130亿人民币[1]，面膜已成为我国日化行业增长最快最细分的市场。面膜细分的依据有很多种[2-3]，其中按照使用方法可分为载体型面膜和非载体型面膜，载体型面膜也称贴式面膜。

贴式面膜的基布材料主要以纤维素为主，纤维素是世界上蕴含最丰富的天然高分子化合物，也是植物细胞壁的成分之一，它作为一种可再生资源，来源广泛，绿色环保，对人体无毒性，因此可用作贴式面膜基布材料，符合绿色可持续发展的理念。与此同时，随着消费者对面膜功能的需求越来越细分化、复杂化、个性化，贴式面膜在基布材质上不断地升级换代，推陈出新。依据材质的不同有以下类型的纤维素基贴膜：棉纤维贴膜、再生纤维素贴膜、生物纤维素贴膜等。贴式面膜一般由面膜基布和精华液组成，精华液一般具有保湿、美白、提拉等功效，面膜基布起到支撑和吸附、释放精华液的作用，面膜基布材料的好坏直接影响了面膜的使用效果。

不同材质的面膜基布加入精华液后，在服帖度、力学性能、透气度等方面各有差异[4]，带给消费者的体验感和舒适度是不同的。无纺布又称为非织造布，生产过程不需要纺纱织布，而是将短纤维或长丝原料进行定向或随机排列形成纤网结构，利用高压水刺针或物理粘合等方法加固成布[5]，它可以由任何纤维形成纤网，经济实惠，但生产过程不环保，吸水性差[6-7]。从天然植物中提取的纤维素，如棉纤维制成的贴式面膜，具有良好的透气性和吸水性[8]，且天然不刺激，但是棉纤维贴膜的贴合度不高。而生物纤维素，如细菌纤维素，可应用于医用敷料[9-10]，促进伤口的愈合[11]。细菌纤维素应用于面膜基布材料，具有高度的服贴性[12]、吸水性[12-14]、生物相容性[15]和力学性能优良[14]等优点，但是细菌纤维素的培养条件较为严苛，目前还难以实现工厂化生产。总之，纤维素基材料的丰富性使得膜布材料更加地多样化。

图1 不同类型的纤维素贴膜

1 纤维素应用于面膜中的性能特点

纤维素作为面膜基布材料，要附载精华液，需具备一定的吸水性。纤维素自身不溶于水，但是却具有吸水性能，这和自身的结构是分不开的。纤维素是 β-1,4-糖苷键以椅式构象联结而成的天然线型高分子化合物[16-17]，它的分子式为(C6H10O5)n。每一个葡萄糖苷键上的羟基具有化学反应活性，可与另一个纤维素分子、水分子中电负性大的O原子之间形成氢键（-OH···O）[18]，可以吸附水分子，同时这些羟基也是对纤维素进行改性的基础[19-20]。尽管纤维素自身不溶于水，但是其吸湿能力主要是因为纤维素的无定形区和空隙结构对水的物理吸附作用。

2 纤维素基面膜的分类

2.1 棉纤维贴膜

棉花在成熟之后在其种籽上覆盖了一层白色柔软的物质，这就是天然的棉纤维。早在 1974年日本旭化成公司以棉籽绒为原料生产了铜氨丝长纤维无纺布“Bemliese”[8]，现今它应用于面膜基布材料具有高的吸水性、保水性、肌肤触感柔和等优点受到消费者的亲睐。David L Trigg等[21]对棉纤维贴膜的性质进行了探究，结果发现棉式贴膜能创造一个良好的皮肤吸收环境，使精华液的渗透程度增加，改善皮肤含水量，达到护肤的目的。

2.2 粘胶纤维复合贴膜

粘胶纤维是从棉花、木材、竹子等天然植物中提取的纤维素为原料制成浆粕，经过一系列的化学处理而得到的一种再生纤维素纤维[22]。

彭富兵等[23]将聚丙烯无纺布与粘胶纤维网制成双层复合结构面膜基布。该面膜基布具有良好的透气性、优异的力学性能，且聚丙烯无纺布的加入可以提高面膜基布的柔软度，降低成本。双层的复合结构可以使精华液得到有效利用，不易滴落。

刘亚娟等[24]对一种内部是4 μm超细纤维、外部是无纺布的弹力高功能复合面膜基布进行了性能测试。并与普通无纺布、天丝、铜氨纤维基布做了对比。结果表明该复合膜布的饱和吸液量少，能够更好地控制面膜成本，且在120 min之后依旧能保持14 g的水分含量，补水持久性更长。

李娟等[25]采用纳米喷雾法将胶原蛋白/壳聚糖微球（图3a）喷洒于粘胶纤维上，制备了含胶原蛋白/壳聚糖微球保湿面膜（图 3b、3c）。与传统的粘胶纤维面膜相比，该复合基布的保湿性由最初的 76.7%提高至85.3%，同时也使手感变得柔软，更易锁住水分，并且对细胞没有毒性。

图2 胶原蛋白/壳聚糖微球（a）、含胶原蛋白/壳聚糖微球面膜（b）的SEM照片和面膜的实物图（c）

一些植物的提取物如苦参、板蓝根、薄荷、草珊瑚、银杏叶、姜黄、罗布麻叶等具有抗菌性[26-27]，粘胶纤维和以上植物提取物复合制备面膜基布时，会表现出良好的抑菌性。孙梦尧等[28]将粘胶纤维分别和积雪草提取物、高吸湿性的聚乙烯醇、胶原蛋白肽共混制备面膜基布，与传统的粘胶纤维基布相比吸液率可高达23.7 g/g，护肤功能显著，干、湿态断裂率明显提高，尤其在抑菌性能方面表现优异。图3为膜抗菌实验细菌生长情况图，从左到右依次为空白粘胶纤维膜、聚乙烯醇/胶原蛋白粘胶纤维膜、积雪草提取物/聚乙烯醇/胶原蛋白粘胶纤维膜对金黄色葡萄糖球菌的抑菌情况，可以看出积雪草提取物的加入使得菌落生长最少，抑菌率可达到97.50%。

图3 膜抗菌实验细菌生长情况图

刘亚等[29]制备了7种不同比例的壳聚糖/粘胶纤维面膜基布。结果表明面膜基布干态和湿态下，试样的纵横向强度都随壳聚糖纤维的增加而减小。壳聚糖纤维含量多的面膜柔软性更好，抑菌性能更佳，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到29.5%和34%，当壳聚糖纤维质量分数为10%时，横纵断裂强度最好，持液率分别高达1082.5%和1047.5%，为最佳的混纺比例。

2.3 铜氨纤维贴膜

铜氨纤维的取材来自天然的棉花短绒毛，是一种可再生的纤维素。之所以称之为铜氨纤维，是因为将天然纤维素溶解在铜氨溶液中，可以生成一种结构十分复杂的物质——铜氨纤维。袁月等[30]对海藻/铜氨面膜基布进行凝胶化处理，检测表明改性后的面膜基布更薄，仅为0.116 mm，更具透气性和保水性，提高了对重金属离子的吸附能力，对镉的吸附量达到1.352 21 mg/cm2，是一款理想的新型功能性面膜。

2.4 莱赛尔纤维贴膜

莱塞尔纤维是以N-甲基吗琳-N-N氧化物为溶剂的纤维素纤维[31]，其原料取之于可以再生的人工林，其优点是成丝过程所使用的溶剂回收率高，毒性极低，且不污染环境[32]。李祖安[33]探究了竹莱赛尔纤维在面膜产品中的应用。采用水刺法制备的竹莱赛尔纤维基布具有良好的吸液能力、保水耐干性、通透性、柔软性以及优异的贴肤效果，并且天丝与竹莱赛尔纤维混纺后能改善后者强力不足的缺陷，提高混纺面膜基布的力学性能。由图4两者贴附性能的对比可以很直观地看出莱赛尔纤维贴膜的贴合度明显优于铜氨纤维贴膜。

图4 莱赛尔纤维贴膜（左）和铜氨纤维贴膜（右）贴肤性能对比

2.5 海藻纤维复合贴膜

海藻酸是从褐藻类植物中提取的一种无毒、无害、可生物降解的天然绿色高分子材料，海藻酸纤维由海藻酸通过湿法纺丝制得[34]，可应用于面膜基布材料。

胡炳辉[35]采用水刺法制得海藻纤维面膜基布，并和市售的天丝面膜做对比。得出结论如下：海藻纤维面膜的透气性、润湿性、吸液率（1 296.37%）、抑菌率（70.45%）均优于天丝面膜，而其力学性能则不及天丝面膜，这是因为海藻纤维本身的力学性能、卷曲性能较差导致。由图5可以直观地看出，纯海藻纤维基布的润湿性明显优于天丝面膜基布。

图5 纯海藻纤维面膜基布（左）和天丝面膜基布（右）润湿性对比

秦益民等[36]探究了海藻酸钙纤维与竹纤维、天丝纤维、棉纤维共混制备的面膜基布，探究了该基布对阴离子和非离子溶液的吸液率和重金属的吸附能力，结果表明：阴离子溶液可以提高面膜基布的吸液率和保湿性能。在透明质酸钠浓度为0.5%时，海藻酸钙纤维/竹纤维共混无纺布的吸液率可达24.37 g/g，纯的竹纤维无纺布只有20.16 g/g。每克共混面膜基布分别和铜离子、铅离子的水溶液接触24 h之后，吸附铜离子、铅离子可达到21.4 mg和44.8 mg，因此海藻酸盐纤维面膜基材在功能性面膜基材中有很高的应用价值。

2.6 多种纤维复合贴膜

当多种纤维混纺制成的面膜基布，较单一纤维的面膜基布有更为突出的性能。李杨等[37]利用多种新型纤维以不同比例混纺制成面膜基布，并进行性能测试。测试的面膜基布纵向强力明显高于横向，纯铜氨纤维面膜基布拉伸断裂性能较为优异。而20/80铜氨/海藻纤维混纺而成的面膜基布吸收水分最好，可达到自身的1 337%。20/80海藻/壳聚糖的透气性最好，而5/95聚乳酸/铜氨的透湿量最大，铜氨的透湿量相对较小。在抗菌性测试中，壳聚糖纤维、海藻纤维和薄荷纤维这些生物纤维均具有良好的抗菌性能。最终筛选出性能优异的四种水刺布：100%铜氨纤维水刺布，20/80壳聚糖/铜氨水刺布，20/80海藻/铜氨水刺布，16/20/64 薄荷/壳聚糖/铜氨的水刺布，为优化面膜基布提供了参考依据。

尹月煊等[38]对7种材质面膜的性能进行了安全评价、感官评价和综合问卷调查。研究发现在相同条件下，不同的面膜材质表现出明显的差异性。在皮肤刺激性测试中最好的三种是：棉纤维基布＞果纤基布＞灰色竹炭基布；感官评价包括滴液量、厚度、贴合度、透气性、水润感等一系列综合性评价指标，排名前三的为：天丝基布＞果纤基布＞铜氨纤维基布；所以棉纤维和天丝纤维综合性较好，为新产品的研发以及基材的优化提供科学依据。

苏婷婷等[39]收集了市面上可以作为面膜基布的13种非织造材料，对其性能进行测试分析。结果表明：铜氨纤维湿态下的断裂强度最大；棉纤维和粘胶纤维的透气性低，而铜氨和木浆纤维的透气性较高，即随着纤维基布孔径的增大，织物的透气性变好；木浆纤维的带液率最高，涤纶/粘胶混纺材料的带液率最低，而试样的孔径、透气性、透湿性、柔软性、带液率都随着共混粘胶质量百分比的增加而变差，但是厚度会相应的变小，为科学选择面膜提供理论依据。

图6 细菌纤维素的SEM照片

2.7 细菌纤维素贴膜

细菌纤维素（BC）是微生物在液态含糖基质中产生的，并分泌到基质中的胞外纤维素。BC的结构是由葡萄糖分子以β-1,4糖苷键聚合而成的高分子材料[40]。由图6的 SEM照片可以看出，BC的基本结构由许多微纤组成束状纤维，束状纤维相互交联，形成了错综复杂的网状结构和孔道，这也决定了BC良好的吸水性和透气性。天然的纤维素中通常含有木质素、半纤维素等成分，纤维素的纯度不高，而细菌纤维素纯度高，全部由纤维素组成。

细菌纤维素贴膜一般具备良好的拉伸性能，因而更能适应于不同的脸型。Soni Muhsinin等[41]利用木醋杆菌发酵香蕉皮形成细菌纤维素并以此制备纤维素贴膜。结果表明制备的纤维素贴膜平均厚度在0.015 cm，拉伸强度可高达6174.00±837.06 kg/cm2，伸长率可达到自身的79.05%±15.78%，这些数据进一步验证了细菌纤维素面膜优异的力学性能。

吴旭君[12]利用葡萄糖杆菌静态培养得到 BC面膜，并且与市场上的三种面膜进行了比较，结果表明：自制面膜纤维平均直径为48.6±13.4 nm，是无纺布面膜纤维直径的1/306，与市场上现有面膜相接近；自制面膜湿态拉伸性能为无纺布面膜的2倍，略高于市场上现有的BC面膜，持液率为无纺布的665倍。

在细菌纤维素的基础之上，还可添加其他物质可增强细菌纤维素贴膜的功效性。WangLei等[42]在纤维素静态发酵阶段添加透明质酸制得透明质酸——细菌纤维素生物面膜，该面膜贴呈现“上致密、下疏松”的双层结构，较纯的BC和无纺布面膜更贴合人体皮肤结构且锁水能力更强；拉伸强度为（1.00±0.17）MPa，弹性模量为（4.90±0.86）MPa，在一定外力作用下拉伸能保持孔洞结构，抗拉性能优于无纺布面膜。

面膜制备的过程要求尽可能地多吸收营养物质，在接触人体皮肤时能快速地释放营养物质，这就涉及到面膜基布吸收和释放营养物质的能力。Nie Y等[43]等利用BC制备得到面膜基布，考察了BC基布对小分子的传递行为。结果发现，BC基布对物质的吸收能力与膜厚度成正比，而对物质的输送速度与膜厚度成反比；1.0～1.5 mm的膜在20～30 min内，对物质的传递量最高，是一种有前景的面膜基布材料。

苏建宇等[44]利用静态发酵的方式培养细菌纤维素，结果表明纤维素产量取决于培养基的成分和液层深度。而不同的培养方式得到的纤维素会存在性质上的差异。K Watanabe等[45]研究了在搅拌培养基中产生的细菌纤维素的结构和相关性质。扫描电子显微镜显示在搅动培养和静态培养中产生的细菌纤维素原纤维的网状结构几乎没有差异，然而，在搅拌培养中产生的细菌纤维素显示出微结构变化，即聚合度低和结晶度指数低且具有较低的杨氏模量，较高的持水能力和较高的悬浮粘度，其分散形式比在静态培养中产生的高。

3 结果与展望

纤维素基面膜材料从最初人工合成纤维贴膜，到植物纤维贴膜，到现今的生物纤维素贴膜，其中铜氨纤维、粘胶纤维复合贴膜在市场上具有广泛性，棉纤维、莱赛尔纤维贴膜综合性能较好，而细菌纤维素贴膜因制备工艺不成熟、价格普遍较高，在应用方面受到限制。然而随着面膜基材的多样化发展，可以看出，天然的、安全的面膜基布越来越受到消费者的推崇和喜爱，面膜一定会向着更加舒适化、经济化、轻薄化、人性化不断迈进。尽管纤维素材料在面膜上应用前景广阔，但是仍有一些问题值得关注。1）细菌纤维素的生产工艺复杂，如何优化工艺，提高产量是一项难点。2）目前纤维素的提取工艺要使用一些强酸强碱试剂，如果在后续过程中没有洗脱干净，会对人体皮肤有潜在的危害，所以寻求一种温和的提取工艺非常必要的。3）多种纤维复合贴膜的性能一般来说要优于单一纤维贴膜，在复合过程中要使面膜的性能达到最优，需对不同纤维的种类、比例进行定量化的描述，这在日后的工作中还要不断探索实践。现将多种纤维基面膜贴的性能汇总于表1。

表1 多种纤维素基面膜贴性能对比