生物合成金/银纳米颗粒在化妆品领域的应用研究进展

唐颖，黄琼毅，王晓莲，阮捷菲，曹力化，熊紫怡，韩蕊

1.北京工商大学 化学与材料工程学院/中国轻工业化妆品重点实验室，北京 100048；2.中国香料香精化妆品工业协会，北京 100079

0 引言

金/银等贵金属纳米颗粒因其广谱抗菌性能与独特的理化特性而在材料、催化、医学、环境等众多领域广泛应用。传统制备金属纳米颗粒的化学还原法(溶胶凝胶法、多元醇法等)因其依赖有毒化学试剂(如NaBH4和水合肼)，对人体存在潜在危害，限制了其产品在生物医学和人体健康领域的应用[1]。自2003年J.L.Gardea-Torresdey等[2]首次使用苜蓿叶生物合成银纳米颗粒以来，生物合成法因其不依赖有毒化学试剂和石油化工原料，且具有简单廉价和绿色环保的优点而备受业界青睐。此外，生物合成法制备的金/银纳米颗粒还被广泛报道[3-5]具有协同抑菌、抗氧化、抗炎等新特性，展现出在化妆品等日用消费品领域的巨大潜力。本文拟对金/银纳米颗粒的生物合成法原理、目前在化妆品中的功能特性、毒理学研究与人体应用安全性评估现状进行综述，以期为拓展绿色纳米颗粒在化妆品领域的创新研究与应用提供新思路。

1 金属纳米颗粒的生物合成法原理

生物合成法是指利用生物来源(细菌、真菌、海藻、植物及其提取物)的有机质或还原性辅酶，在生物体的胞内或胞外(无细胞培养上清液或提取液)还原金或银离子，制备绿色无害的贵金属纳米颗粒的过程[6-8]。图1为微生物和植物合成金/银纳米颗粒的主要机制。无论采用胞内还是胞外合成法，最终制备获得的金属纳米颗粒的生物学特性都与其生物还原剂和合成条件密切相关。

图1 微生物和植物合成金/银纳米颗粒的主要机制[9]Fig.1 The main mechanism of microbial and plant synthesis of gold/silver nanoparticles[9]

1.1 胞内合成

胞内合成是指在生物个体水平上进行的合成。微生物体内的多种次生代谢物(如生物碱、萜类、糖苷和酚类化合物)、酶类、蛋白质、多糖等生物大分子[10]能直接作为还原剂或封端剂参与反应，无需添加化学合成表面活性剂或稳定剂。在微生物体内，金属离子则会被细胞壁的阴离子基团吸附并与之相结合，最终形成稳定的纳米颗粒，这是微生物胞内合成纳米颗粒的主要机制[11]。胞内合成纳米颗粒的前驱体来源于可被细胞吸收的可溶性金属离子，但金属离子或纳米颗粒对生物体具有毒害作用，浓度过高时会抑制植株或菌株的生长，降低产量[12]。此外，组织/细胞培养和分离纯化纳米颗粒的步骤较繁琐，目前难以实现工业化生产。

1.2 胞外合成

相对于胞内合成，利用植物或微生物的提取物在胞外合成金属纳米颗粒则具有下游处理简单快捷、工业生产效益高、环境友好等特点。与胞内合成金属纳米颗粒的过程类似，生物提取物中的各类有机还原剂可在还原过程中吸附于金属纳米颗粒表面并形成一层生物被膜。富含羟基和羧基的生物还原剂还对纳米银颗粒的合成和稳定具有重要作用[13]。利用植物提取物合成的金属纳米颗粒具有抑菌防腐、清除自由基、抑制促炎症因子等生物活性[14]，开拓了绿色纳米颗粒在化妆品和皮肤生物医学领域的创新应用。此外，利用微生物培养滤液中富集的还原酶类、蛋白质、多糖等组分合成纳米颗粒也是一种常见的胞外合成方式。如何实现纳米颗粒形貌、粒径与功能的可控是促进胞外合成进一步发展所亟需解决的问题。

2 生物合成金/银纳米颗粒在化妆品中的功能特性

由生物合成法制备的贵金属纳米颗粒应用于化妆品领域具有抑菌防腐、抗氧化、抗炎修复、防晒修复等功能特性，如图2所示。表1则总结了不同提取来源生物还原剂制备的金/银纳米颗粒及其在化妆品领域的应用。

表1 不同提取来源生物还原剂制备的金/银纳米颗粒及其在化妆品领域的应用Table 1 Gold/silver nanoparticles prepared from biological reducing agents with different extraction sourles and their applications in cosmetic

表1(续)

图2 生物法合成金/银纳米颗粒在化妆品领域的应用特性Fig.2 Characteristics of bio-synthetized gold/silver nanoparticles for cosmetic applications

2.1 抑菌防腐

贵金属纳米颗粒对多种条件下的致病菌和耐药菌均具有显著的生长抑制作用[32]。目前，对金属纳米颗粒抑菌机制的研究多集中在纳米银颗粒[15]，其作用途径主要包括：1)释放的金属离子与带负电荷的微生物细胞膜结合[33]，改变细胞膜的通透性，导致细胞三磷酸腺苷(ATP)耗尽和细胞解体[34-35]；2)

当细胞膜结构受到破坏后，金属离子进入细胞与DNA结合，导致其损伤和断裂，从而抑制微生物增殖[20]；3)在细胞中产生大量活性氧(ROS)自由基，引发氧化应激，破坏细胞的膜结构、蛋白质和DNA，最终诱发细胞死亡[36-37]。值得注意的是，生物合成的银纳米颗粒对革兰氏阳性菌和阴性菌的抑菌效果存在争议。L.Wang等[38]研究发现，番石榴提取物合成的银纳米颗粒对革兰氏阴性菌的杀灭效果优于革兰氏阳性菌；而D.Mandal等[39]研究发现，穿心莲提取物合成的银纳米颗粒更易被革兰氏阳性菌吞噬，从而对阳性菌产生选择性抑制作用。目前，国外已有将生物合成的纳米银作为广谱抑菌剂添加于香皂、洗手液等洗护产品的应用实例，这亦是近年来绿色防腐剂研发的热点。

2.2 抗氧化

相对于化学法合成的金/银纳米颗粒，采用植物提取物胞外制备的金/银纳米颗粒常常表现出对自由基DPPH、ABTS等良好的清除能力。这种抗氧化作用机理可归因于金、银存在2种氧化状态(Ag+/Ag2+和Au+/Au3+)，因此金/银纳米颗粒可能通过提供或接受电子淬灭自由基,发挥抗氧化作用。同时，纳米颗粒表面的还原性生物被膜成分也可能与自由基发生中和反应[40]。有研究[23,29]发现，黄酮类化合物修饰的金/银纳米颗粒能够通过提供H+或电子形成稳定的酚氧自由基，从而减少细胞中氧化应激的发生，对细胞产生抗氧化保护作用。此外，生物合成的贵金属纳米颗粒的抗氧化活性还与其尺寸有关,单分散的纳米颗粒粒径越小，其比表面积越大，能清除自由基的活性位点数量越多，抗氧化活性也越强[41-42]。目前已有添加了金纳米颗粒的化妆品乳液宣称具有抗氧化、舒缓等功效，通过有目的地筛选生物还原剂，能使合成的金/银纳米颗粒减少ROS族/活性氮(RNS)族，发挥抗氧化作用，实现延缓皮肤衰老的功效。

2.3 抗炎修复

由欧洲山茱萸等植物提取物合成的金纳米颗粒还具有抗炎修复功效[43]。研究发现，不同生物合成的金/银纳米颗粒主要通过抑制各类炎症诱导因素间接起到舒缓炎症的作用，在抗炎舒敏类护肤品和皮肤外用药中均具有应用价值。例如，山樱花果实提取物合成的金/银纳米颗粒能够减少巨噬细胞一氧化氮(NO)和ROS的产生，抑制促炎细胞因子mRNA和蛋白的表达[44]；葡糖酸醋酸杆菌属菌株合成的金纳米颗粒能够抑制被脂多糖激活的RAW264.7细胞的核转录因子-κB(NF-κB)p65蛋白的表达及其抑制因子α(IκBα)的蛋白磷酸化，从而舒缓炎症[27]。此外，生物合成的金/银纳米颗粒还具有修复与促进伤口愈合的功效。与未处理创面相比，由乌药提取物合成的银纳米颗粒处理的伤口创面具有更高的闭合率，表明其对伤口创面具有一定的愈合活性[22]。同时，由于小尺度的纳米粒子更易与小分子药物结合，当其与抗炎药物复合时能作为高效的药物载体，充分发挥抗炎药物与纳米粒子生物被膜的协同增强效应，减少药物用量,提升药用功效，并较大程度地降低药物的副作用风险[45]。

2.4 防晒修复与着色修饰

纳米颗粒具有良好的防晒修复和着色修饰能力。Z.Jiménez 等[16]研究发现，由人参果实提取的紫丁香酚合成的金纳米颗粒具备酪氨酸酶抑制和抗氧化能力，能显著减少黑色素的合成，抑制细胞内ROS的增加，表现出对紫外损伤后皮肤的晒后修复功效。还有研究[3]发现，石榴提取物介导合成的银纳米颗粒在290～400 nm紫外线波长范围内具有很强的等离子共振吸收，这表明该提取物具有作为紫外吸收增强剂的潜力，将其添加到防晒霜配方中能显著提升产品的防晒系数(SPF)。另一方面，在可见光波长范围内具有等离子体响应的金/银纳米颗粒还具有着色能力，可将其制备成新型的染发或彩妆产品。Y.Tang 等[24]研究发现，由于生物分子的表面修饰，生物合成的纳米颗粒具有良好的单分散性和抗颗粒聚集能力，能均匀扩散并吸附于毛发的角质层中，无需媒染剂辅助就能将头发染成浅黄褐色至深棕色，且漂染后头发还具有抑菌和抗静电的优点。

3 毒理学研究与人体应用安全性评估现状

人体安全性是一种新型纳米颗粒能否成为化妆品原料的关键。根据我国2021年的化妆品新原料法规[46]，纳米级原料在审批时需要提供比普通原料更复杂、更严格的毒理学实验和风险评估证据。因此，对生物合成的金/银纳米颗粒的毒理学研究和人体应用风险评估尤为重要。但是，目前国内外对金/银纳米颗粒的人体应用安全性还缺乏系统的实验研究。2018年欧盟消费者安全委员会(SCCS)认为，依据目前的毒理学数据还无法对纳米银在护肤品和口腔用品(如牙膏)中的应用风险进行准确评估[47]。以化妆品风险评估中至关重要的透皮吸收为例，纳米金属颗粒的透皮吸收与其理化性质和皮肤屏障功能有关，一般粒径越小、配方浓度越高的纳米颗粒越容易透过皮肤[48]；在皮肤创面和口腔黏膜等皮肤屏障较弱的部位，纳米颗粒甚至能穿透角质层进入真皮层[49]。但这些暴露数据主要来源于化学合成的纳米银颗粒，对于纳米金颗粒，尤其是具有生物被膜的生物合成纳米金颗粒，尚缺乏系统的实验研究。另一方面，尽管前人研究[50]表明，与化学合成相比，由植物提取物合成的纳米金颗粒对人体细胞的毒性明显降低、生物相容性更高，且能够抑制ROS的产生，但由于不同生物分子介导合成的纳米金属颗粒具有不同的修饰成分和粒径分布，其毒效应谱尚不明确，也无法在颗粒的开发设计中建立准确的毒性预测机制。

4 结语与展望

由各种微生物或植物及其提取物介导、生物合成的金/银纳米颗粒结合了生物活性基团与金属纳米颗粒独特的理化与生物学性质，并在抑菌防腐、抗氧化、抗炎修复、防晒修复、着色修饰等与化妆品相关的功能领域崭露头角。尽管优势显著，但作为一种新型化妆品原料，其推广与普及仍面临诸多问题：1)生物还原剂合成金/银纳米颗粒的生长成型机制还有待深化研究。虽然所涉及的化学反应非常简单，但如何在液相制备过程中仅采用生物还原剂获得粒径、形貌均一且分散稳定的纳米颗粒仍是一个具有挑战性的课题，也是制约其工业化生产的关键。2)生物被膜与修饰成分对金/银纳米颗粒的生物活性或毒性的影响尚不明晰。有些生物还原剂及其合成的金属纳米颗粒对微生物和不同来源的细胞表现出选择性毒性，其机制有待研究。3)尽管文献报道众多，但是颗粒的理化性质表征不够全面，所以在毒性评估时难以比较和利用不同来源的数据。而且相对于化学合成的纳米颗粒，生物合成的金/银纳米颗粒还缺少应用于化妆品配方的透皮吸收数据，不能为新原料的人体应用风险评估提供关键性参考数据。4)目前针对生物合成金属纳米颗粒的安全性与功效性研究主要基于体外模型，体内和临床水平的研究较少。因此，未来应从完善生物合成机制、开展多维度的人体应用安全/功效性研究和建立针对性的风险预测模型三方面入手，大幅提高生物合成金/银纳米颗粒的定向制备与性能调控能力，推动化妆品领域生物纳米技术的创新与可持续发展。