多效防护霜的处方优化

韩 凌，樊 莉，张 翮，吕 磊，邹 豪，鲁 莹

(1.海军军医大学药学院药剂学教研室，上海 200433；2.海军军医大学附属东方肝胆外科医院药材科，上海 200438)

晒伤和水母蜇伤均为部队海训高发训练伤[1-2]，市售防晒霜虽种类繁多，然而防水、防晒性能不足以满足海训需求。针对部队海训，王伟新等[3]曾开发过一款具有防水性能的防晒霜，但针对防水母蜇伤的产品却很少，仅有以色列Nidaria公司开发过一款具有防水母蜇伤的防晒霜Safe Sea[4]。为提高海训防护，我们以防晒霜为基质，包载水母蜇伤防护成分，制备具有防水、防晒、防水母蜇伤的多效防护霜。预期防水母蜇伤和防晒成分维持有效浓度2 h左右，SPF值为20左右。为实现防水效果，选用了W/O的乳液基质，疏水性较好的油相成分，同时加入了抗水性的成膜剂提高防水性能。在防晒剂的选择上，使用了安全、有效的甲氧基肉桂酸辛酯与水杨酸辛酯，为提高防晒性能，同时加入氧化锌、二氧化钛。为防护水母蜇伤，参照国外同类产品及相关资料[5-6]，以氯化钙作为防护水母蜇伤的主要成分。鉴于对防水性能的要求以及处方中较高浓度的离子，选用耐离子能力较好的W/O型乳化剂EM180，同时配合结构类似的O/W型乳化剂DC5200使用起到稳定霜剂的作用[7-9]。

参考国外同类产品防晒霜Safe Sea[4]，初步确定了霜剂的处方。鉴于霜剂流变性对SPF值和关键波长具有一定影响[10]，而成膜剂Antaron V-216对霜剂流变性影响较大。并且作为一种疏水性成膜剂，Antaron V-216对霜剂防水性能也有一定影响。因此，通过测定霜剂SPF值、关键波长以及防水性能，对Antaron V-216质量分数进行了单因素考察。考虑到处方中含有较多的离子，对霜剂的稳定性要求较高，通过星点设计-效应面法，以霜剂黏度、离心稳定性、冻融稳定性作为考察指标，对处方中乳化剂DC5200、EM180和氯化钙水溶液的质量分数进行了优化。

1 仪器与试药

1.1 仪器

AL-104电子天平(Mettler Toledo公司)；Barnstead D3750超级纯水仪(美国赛默飞世尔公司)；ROTANATA 460R离心机(Hettich Zentrifugen公司)；冰箱(Panasonic 公司)；恒温孵箱(Thermo Scientific公司)；PT3100高速剪切器(Polytron公司)；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(力辰科技公司)；SNB-2数字黏度计(上海精科天美公司)；UV-2000S紫外透射率分析仪(Labsphere公司)；SHZ-88台式水浴恒温振荡器(江苏太仓市试验设备厂)。

1.2 试药

月桂基聚乙二醇/聚丙二醇-18/18二甲基硅氧烷(DC5200，Dow Corning公司)；鲸蜡基聚乙二醇/聚丙二醇-10/1二甲基硅氧烷(EM180，Evonik公司)；吡咯烷酮/十六烯共聚物(Antaron V-216，Ashland公司)；对甲氧基肉桂酸辛酯、水杨酸辛酯(广东翁江化学试剂公司)；二氧化钛、氧化锌(上海依夫公司)；氯化钙、防腐剂(国药试剂)；香精(上海依克塞汀香料有限公司)。

2 方法与结果

2.1 多效防护霜的制备

参考国外同类产品，在前期预实验的基础上，初步拟定了多效防护霜的处方。将DC5200、EM180、Antaron V-216、防晒剂(甲氧基肉桂酸辛酯、水杨酸辛酯、氧化锌、二氧化钛)和其余油相成分在80 ℃水浴条件下搅拌均匀，然后加入氯化钙水溶液等水相成分，乳化后降至室温，加入香精、防腐剂。

2.2 成膜剂Antaron V-216质量分数单因素考察

SPF值(sun protection factor)即防晒指数，主要用于反映产品紫外线防护的效果，SPF值越大对紫外线的透过率越低，防护的时间越长[11]。关键波长(critical wavelength,λc)主要用于反映产品紫外防护波段是否广谱，一般关键波长越大，产品能防护的紫外线波段就越广[12]。防水性能主要考察产品在水流冲刷下，防晒能力的维持情况，参考《化妆品安全技术规范》2015年版，通过防水性能指标(防水性能=样品抗水试验后的SPF值/初始SPF值×100%)来进行考察[13]。成膜剂Antaron V-216含量对SPF值、关键波长以及抗水性能均可能有一定的影响[10]，因此通过测定SPF值、关键波长以及防水性能对成膜剂Antaron V-216质量分数进行了优化。

2.2.1SPF值、关键波长以及防水性能的测定[14-16]

在测试SPF值前，滴加15 μl甘油在空白PMMA板(5 cm×5 cm)的粗糙面上，并用带乳胶指套的手指将甘油涂布均匀，作为空白基底进行扫描。再准确称量(25±0.6)mg(1 mg/cm2)的样品于PMMA板的粗糙面上，并用带乳胶指套的手指将样品涂布均匀。涂布前，用样品将乳胶指套充分润湿。将涂布样品的PMMA板放于37 ℃的恒温孵箱中20 min后，取出测定SPF值和关键波长，作为初始值。每个样品共制备5块PMMA板进行测定，每块PMMA板上选取5个点进行测定并取平均值，使用UV-2000S紫外透射率分析仪直接读取样品SPF值及关键波长。之后，将涂布样品的PMMA板放入水浴恒温振荡器，振荡器事先注满人工海水，将水浴恒温振荡器温度设为25 ℃，振荡频率为100次/min，20 min后取出PMMA板，将PMMA板上的水滴甩干，放入37 ℃的恒温孵箱20 min后，再次放入水浴恒温振荡器，以相同的条件振荡20 min，取出将水滴甩干，放入37 ℃的恒温孵箱5 min，至水渍干掉，再次测定SPF值和关键波长，作为抗水试验后的数值，并计算防水性能指标。

2.2.2不同成膜剂Antaron V-216质量分数霜剂的SPF值、关键波长和防水性能

依次制备了Antaron V-216含量1%、2%、3%、4%、5%的5批霜剂，并对5批霜剂的SPF值、关键波长和防水性能进行了测定，结果如表1所示。

表1 不同成膜剂质量分数霜剂的SPF值、关键波长及防水性能

*Antaron V-216质量分数1%的与其质量分数3%的霜剂的初始SPF值有显著性差异

从表1可以看出关键波长和防水性能随成膜剂Antaron V-216含量变化并不明显，SPF值在成膜剂质量分数为3%时有较为明显的提升，之后随V-216质量分数的提升，SPF值变化不明显。SPF值在入水后均有一定程度的上升，这可能是由于霜剂在海水中的溶胀作用以及水流冲刷使得霜剂薄膜更加均匀的缘故。而关键波长在入水后的减短则可能是由于广谱防晒成分的流失以及紫外吸收在较短波段有所增加造成的。综上，确定最佳的成膜剂Antaron V-216质量分数为3%。

2.3 星点设计-效应面法试验

由于处方中含有大量的离子，对霜剂的稳定性要求较高，参考GB/T 29665-2013[17]，将离心稳定性和冻融稳定性作为考察指标。而黏度对于霜剂的使用肤感、稳定性和实际生产均有较大影响，因此，也作为考察指标之一。依据相关资料和前期试验结果，选择氯化钙水溶液、DC5200和EM180的质量分数作为考察指标。

2.3.1黏度的测定

将霜剂装入5 ml离心管中，以2 000 r/min的转速离心10 min，排出装样时产生的气泡，在25 ℃室温下放置12 h后使用旋转黏度计测定黏度。由于霜剂为非牛顿流体，黏度随测定时间逐渐下降，在测量开始后固定的时间读数作为该样品的黏度。同时，由于处方中加入了高分子聚合物，新制备的霜剂黏度在较长一段时间内呈缓慢上升的趋势，根据试验结果，样品在制备5 d后黏度趋于稳定。因此，在测定黏度时，以霜剂制备5 d后的黏度为准。

2.3.2离心稳定性的测定

将制备好的霜剂装入2 ml离心管，以2 000 r/min为起始转速，离心3 min，若霜剂出现分层则将离心稳定性记为2 000，若无明显变化，则将转速提升为2 500 r/min，离心3 min，每次增加转速500 r/min，依次递增，当转速超过10 000 r/min均按照10 000 r计。

2.3.3冻融稳定性的测定

将制备好的霜剂装入2支5 ml的EP管中，以2 000 r/min的转速离心10 min，排出装样时产生的气泡，取其中一支作为对照留观，将另一支放入60 ℃孵箱保存12 h，恢复至室温后观察，若乳液发生变化则冻融稳定性记为1，若无明显变化则放入-20 ℃冰箱中保存12 h，恢复至室温后观察，若乳液发生变化则冻融稳定性记为2。若无明显变化则再次放入60 ℃孵箱保存12 h，依次类推。当循环次数超过40次时均按40次计。

2.3.4模型拟合

应用Design-Expert 8.0.6分析软件，根据Central-Composite中心组合试验设计原理，以DC5200质量分数(A)、EM180质量分数(B)、氯化钙水溶液的质量分数(C)为自变量，黏度(Y1)、离心稳定性(Y2)、冻融稳定性(Y3)为响应值，设计3因素5水平的效应面分析实验。每个因素设5个水平，分别用代码-α,-1、0、+1、+α表示，α取1.682，效应面试验因素与水平见表2，试验设计方案及结果见表3。

表2 效应面试验因素与水平

通过软件Design-Expert 8.0.6进行回归拟合，分别得到了最佳拟合模型如下：

黏度(Y1)对DC5200质量分数、EM180质量分数和氯化钙水溶液的质量分数3个因素的二次多项式回归模型如下：

Y1=31.01+4.79A+7.26B+32.38C-4.02AB+6.40AC+6.50BC+0.26A2+3.55B2+9.261C2(R2=0.991 3，P<0.000 1)

离心稳定性(Y2)对3个因素的一次多项式回归模型如下：

Y2=7 450.00+429.35A+833.74B+2 093.51C(R2=0.898 9，P<0.000 1)

表3 效应面试验设计方案及结果

冻融稳定性(Y3)对3个因素的二次多项式回归模型如下：

Y3=29.95-0.38A+6.96B-9.11C-1.25AB-1.75AC+4.25BC+2.25A2-3.58B2-1.46C2(R2=0.897 8，P=0.000 7)

分别对黏度、离心稳定性、冻融稳定性与3个因素间的回归模型进行方差分析，3个模型的的拟合结果模型项均为显著，失拟项均为不显著，拟合结果较好。

2.3.5效应面优化与预测

将DC5200质量分数、EM180质量分数、氯化钙水溶液的质量分数三个因素中的1个固定在0水平，即得到其他2个因素对黏度、离心稳定性、冻融稳定性的三维效应面图，如图1所示。

由效应面图可以看出，对于黏度(Y1)、离心稳定性(Y2)、冻融稳定性(Y3)，氯化钙水溶液质量分数(C)均有显著影响，而EM180质量分数(B)对3个响应值的影响次之，DC5200质量分数(A)的影响最弱。对于黏度(Y1)，因素B、C和A、C之间交互作用较为显著。对于冻融稳定性(Y3)，B、C之间交互作用较为显著。

结合实际生产需求和使用肤感，霜剂黏度在20 Pa·s左右时较为理想，因此设定Y1值在18～22 Pa·s之间[18]。参照GB/T 29665-2013标准，要求霜剂在2 000 r/min，30 min的条件下不发生分层[17]。经过试验发现，当霜剂离心稳定性(Y2)达到4 000时，霜剂能满足该标准要求，因此，设定离心稳定性(Y2)值大于4 000。同样，根据GB/T 29665-2013标准要求[17]，设定冻融稳定性(Y3)大于4。将Y1、Y2、Y3值的设定通过Design-Expert8.0.6带入对应的多项式进行求解即得到目标区域。结合防水和成本因素，选择乳化剂DC5200、EM180质量分数较低的处方。尤其是DC5200，作为一种O/W型乳化剂，在接触水后容易导致霜剂的再次乳化，对防水性能影响较大。经过肤感测试发现，氯化钙水溶液质量分数较低时，霜剂涂布性和肤感较好。因此，选择DC5200、EM180和氯化钙溶液质量分数较低的处方。最终确定DC5200质量分数为0.76%，EM180

质量分数为2.32%，氯化钙水溶液质量分数为44.86%。在该处方下，黏度预测值为18.3 Pa·s，离心稳定性预测值为5 560，冻融稳定性预测值41。图2是目标处方的等高线图(氯化钙水溶液质量分数为44.86%)。

图2 目标处方等高线图

2.3.6验证试验

为了验证该效应面法所得结果的准确性进行了重复性验证试验，试验所得黏度为19.5 Pa·s，偏差6.56%，离心稳定性为5 000，偏差11.2%，冻融稳定性为37，偏差9.8%。

2.4 优化处方的制备

根据Antaron V-216单因素考察结果和星点设计-效应面法优化结果，得到如表4所示的优化处方，并参考资料设计制备工艺如下[9]。

表4 多效防护霜优化处方

在80 ℃水浴的条件下，将A相加热搅拌，混合均匀。另称取B相水浴加热至80 ℃。在剪切速度为7 000 r/min条件下，将B相缓慢加入A相，充分乳化约7 min。随后在慢速搅拌的条件下，自然冷却至30 ℃，加入C相，剪切速度为7 000 r/min条件下再次剪切7 min，即得。

2.5 优化处方的评价

2.5.1霜剂外观

按照优化处方制备霜剂并进行观察，本品为白色，质地均匀、细腻、光泽的半流体状霜剂。

2.5.2霜剂类型的测定

取霜剂适量，并在霜剂上方滴加少量水溶性染料苯酚红，若染料扩散，则霜剂为O/W型基质，若染料不扩散，则霜剂为W/O型基质。经测定，多效防护霜在滴加染料后，染料不扩散，说明为W/O型基质，符合试验预期。测定结果如图3所示，图片左侧为一款O/W型基质的霜剂，染料扩散，右侧为多效防护霜，染料不扩散。

图3 多效防护霜剂类型判断图

2.5.3pH值的测定

参照GB/T13531.1-2008[19]中稀释法测定多效防护霜pH值，称取霜剂1份(精确至0.1 g)，加入经煮沸冷却后的实验室用水9份，加热至80 ℃，冷却后过滤去除油块，进行测定。pH值的测定结果以两次测量的平均值表示，测得pH值为5.89，符合标准GB/T 29665-2013[17]中pH 4.0～8.5的要求。

2.5.4粒径的测定

取霜剂适量，置于载玻片上，涂成薄层，在显微镜下观察，粒径较为均一，分布于1～10 μm之间，粒径观察结果如图4所示。

2.5.5稳定性测定

参照GB/T 29665-2013标准[17]中耐寒、耐热和离心考验的要求，对霜剂进行相应测试。

离心试验：取霜剂约10 ml装入15 ml的离心管中，以转速2 000 r/min离心30 min，霜剂无油水分层现象，符合标准规定。

耐热试验：将霜剂取约8 ml分别装入2支10 ml的EP管中，将一支置于40 ℃恒温孵箱中放置24 h后取出，恢复至室温后与另一支比较无明显变化，符合标准规定。

耐寒试验：将霜剂取约8 ml分别装入2支10 ml的EP管中，将一支置于-8 ℃冰箱箱中放置24 h后取出，恢复至室温后与另一支比较无明显变化，符合标准规定。

图4 霜剂的光学显微镜照片

3 讨论

3.1 SPF值的测定

在进行SPF值测定时，曾参照QB/T 2410-1998标准[20]，使用3M胶带和石英表面皿作为基底，对霜剂的SPF值进行测定。但在实验中发现，测定的紫外吸收系数数值极不稳定，可重复性差。后改用含有粗糙表面的PMMA板作为基底，使用UV-2000S紫外透射率分析仪进行测定，测定结果重复性较好。

3.2 考察因素的选择

星点设计-效应面法共选择了黏度、离心稳定性和冻融稳定性3个指标作为考察对象。黏度主要影响霜剂的生产、稳定性和使用肤感。过高的黏度使霜剂黏稠，铺展性差，不利于生产和涂布使用。而黏度过低会使霜剂稀薄，在皮肤上不能成形，同时也会使稳定性变差。选择合适的黏度对霜剂的生产、稳定性和使用肤感至关重要。由于处方中加入了大量离子，对霜剂稳定性要求较高，因此，专门对霜剂的离心稳定性和冻融稳定性进行了考察。但由于离心稳定性和冻融稳定性的测定不具有连续性，导致其星点设计-效应面法的预测结果与实际测定结果的偏差相对较大。