来源：任泽平

富勒烯在护肤领域的研究与应用

富勒烯论文速递

一

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自由基与皮肤

1956年Denham Harman教授提出了人体衰老的自由基学说。自由基的产生分为两个渠道 ：一是机体氧化代谢中产生自由基。二是辐射、 环境污染以及不良生活习惯等产生自由基。自由基又称游离基，是具有不成对电子的原子或基团，包括超氧阴离子自由基，羟自由基、过氧化氢、单线态氧及其衍生物等。自由基具有高度的活泼性和极强的氧化反应能力，能通过氧化作用攻击体内的生命大分子，如核酸、蛋白质、糖类和脂质等，使这些物质发生过氧化变性、交联和断裂，从而引起细胞结构和功能的破坏，导致机体的组织破坏和退行性变化。在正常情况下，机体会不断产生多种内源性抗自由基的活性物质，包括非酶类抗自由基物质（如：维生素C、β-胡萝卜素等）和抗自由基的酶类（如：SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶）。他们能不断地清除自由基，因而使机体细胞和组织免受损害。但在内外环境异常的情况下，体内抗自由基系统的平衡就会被破坏，从而引起生物膜的脂质过氧化，破坏生物膜的功能和结构完整性，结果使机体更易于发生各种病变和老化1-7。

人类的皮肤是人体的重要器官之一，它覆盖着体表，具有保护、感受刺激，吸收、分泌、调节体温及维持平衡等多种功能。同时，皮肤也是人类健美的重要标志，一个体魄健康的人，其皮肤一定是滋润丰满、富有弹性的。但随着年龄的增加，人的皮肤，特别是暴露于衣服外部的皮肤，就会逐渐变得粗糙、发皱、变黑，并且长出老年斑。这些变化与氧自由基的代谢密切相关。

二

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自由基清除剂

自由基种类很多，其中OH·、O2－·、H2O2在体内的含量最多，过剩后损害也最大。OH·是最活泼、毒性最大的自由基，它可以与活细胞中的任何分子发生反应而造成损伤，而且反应速度极快，被破坏的分子遍及糖类、氨基酸、磷脂、核苷和有机酸等。O2－·可使核酸链断裂、多糖解聚及不饱和脂肪酸过氧化作用，进而造成膜损伤、线粒体氧化磷酸化作用的改变等。H2O2能使少数酶的-SH（巯基）氧化失活，因为H2O2能迅速穿过细胞膜，而O2－·不能，在细胞内的H2O2能与Fe2+ 或Cu2+ 离子反应生成OH·，这是H2O2毒性的真正原因。

自由基清除剂发挥作用必须满足三个条件：

1、自由基清除剂要有一定的浓度；

2、因为自由基活泼性极强，一旦产生马上就会与附近的生命大分子起作用，所以自由基清除剂必须能以极快的速度抢先与自由基结合，否则就起不到应有的效果；

3、在大多数情况下，清除剂与自由基反应后会变成新的自由基，这个新的自由基的毒性应小于原来自由基的毒性才有防御作用。

自由基清除剂是指能清除自由基或能阻断自由基氧化反应的物质。可分为酶类清除剂和非酶类清除剂两大类。酶类清除剂一般为抗氧化酶， 主要有超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等几种。非酶类自由基清除剂一般包括黄酮类、多糖类、维生素C 、维生素E、β-胡萝卜素和还原型谷胱甘肽（GSH）等活性肽类。GPX、SOD和CAT协同作用，共同消除机体活性氧，减轻和阻止脂质过氧化作用。维生素Ｃ，又叫抗坏血酸，通过逐级供给电子而转变成半脱氢抗坏血酸和脱氢抗坏血酸，在转化的过程中达到清除O2-·、OH·、ROO·等自由基的作用。维生素Ｅ又称为生育酚，是强有效的自由基清除剂，它可将ROO·转化为化学性质不活泼的ROOH，中断了脂类过氧化的连锁反应，有效地抑制了脂类的过氧化作用。β-胡萝卜素具有较强的抗氧化用，能通过提供电子，抑制活性氧的生成，从而达到防止自由基产生的目的。

富勒烯是球形笼状分子，一个分子可同时容纳6个电子，具有庞大的共轭电子云，极易淬灭自由基的电子能量。它突出的抗氧化能力使其成为防晒、美白和抗衰老产品中重要的成分。Charles N. McEwen在研究富勒烯的质谱信号时发现了富勒烯可以连续结合多个甲基自由基，同时他们预测了富勒烯与自由基相互作用的一种机制：当富勒烯分子表面是奇数电子数时带电基团与富勒烯的电子云表面紧密结合，并在形成偶数电子物种时释放（图1），因此它被称为“自由基海绵”59。

在更多的研究中也发现了富勒烯独特的电子学特性：富勒烯及其衍生物具有高的电子亲和势、低的电子重组能、较高的电子迁移率, 并且能够与多电子材料相容。中科院化学所王春儒研究员针对富勒烯清除自由基的性质进行了详细的研究，采用电子自旋捕获的方法对富勒烯清除羟基自由基的性能进行了检测，发现富勒烯及其衍生物可以快速、长效清除羟基自由基14、15、16、17、18。

富勒烯是纯碳材料，溶解性极差，需要采用一定方式进行改性以提高其溶解性和分散性，同时增加其生命系统的适用性。目前许多已知的提高富勒烯溶解性和分散性的方法可主要分为两大类：a）物理方式：包封、形成混悬液、形成复合物、将富勒烯溶解于油脂中等20-30；b）通过化学反应连接增溶附属物形成功能化富勒烯，例如添加氨基酸，类固醇，羟基，羧基，氨基等20-30。

富勒烯电子转移和抗氧化能力强 31-38，被认为是皮肤治疗药物和化妆品中重要的成分39-46，富勒烯及其衍生物所形成的的新型微粒在皮肤病学和皮肤护理技术领域已经取得良好的成绩。因此，许多制造商都渴望将它们用于化妆品和外用制剂。

三

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富勒烯对抗紫外线对皮肤的损伤

富勒烯作为一种多功能的新型碳纳米材料，许多研究评价了它在增加皮肤的抗氧化能力和保护皮肤免受紫外线损伤方面所起的作用。在体外研究中，针对不同人类皮肤细胞经受紫外线照射后，用富勒烯及其衍生物进行处理，然后评针对ROS的清除作用或细胞保护作用。数种富勒烯衍生物（高分子包裹的富勒烯、富勒醇、富勒烯羧基衍生物等）均获得了可喜的结果表现出了优异的清除自由基抗氧化的性能47-54，能够减少细胞凋亡以及细胞和形态学变化。尽管大多数研究表明富勒烯改善细胞和形态变化的作用是其抗氧化特性的结果，但村上隆等人53的研究表明，富勒烯还可以通过促进角质形成细胞的分化来实现其保护作用。这项研究还提供了一个证据说明富勒烯没有通过屏障机制显示其细胞保护作用，因为在UVB照射期间，在叠置的培养皿中使用富勒烯时未见细胞保护作用；而当直接应用于含有角质形成细胞的培养皿时，则具有细胞保护作用55。

富勒烯对紫外线引起皮肤损伤也有一定的保护作用，在Ito等人的一项体内研究中56，在紫外线照射前1小时，将富勒烯溶液涂于小鼠背部皮肤，虽然在使用富勒烯后只能看到很小的ROS减少效果（它只能减少UVB诱导的皮肤中的O2•，）但是当富勒烯和抗坏血酸（AA）一起使用时，红斑、ROS指数和细胞凋亡指数显著降低并且O2•、H• 、OH•与AA•的产生被显著抑制。这些结果说明富勒烯和其他抗氧化剂共用可以产生协同作用。此外，在该研究中，未发现富勒烯对细胞具有任何毒性或光毒性。

Xiao等人51在新鲜的人皮肤器官培养物中使用了高分子包裹的水溶性富勒烯材料（100μM），发现它可以明显减少UVA诱导的黑色素生成达20%以上。在Kato等人的另一项研究中57，评估了油溶性富勒烯对3D人皮肤组织模型的影响。在UVA照射之前和之后，用油溶性富勒烯重复处理3D皮肤模型，结果表明，UVA诱导的表皮异常缩放减少，真皮和基底层的I/IV型胶原纤维的破坏减少，异常细胞核和凋亡细胞减少。Inui等58评估了水溶性富勒烯对UVB诱导的人表皮中前列腺素E2（PGE2）合成的影响，并发现PGE2的产生受到了显著抑制，由于PGE2可激活酪氨酸酶，进而引起黑色素细胞大量分泌黑色素，因此富勒烯对PGE2较强的抑制作用，说明其在抑制黑色素生成方面有着显著的优势，这一发现也是富勒烯影响黑色素生成的潜在机制之一。这些研究均支持富勒烯对紫外线引起的皮肤损伤和氧化应激的保护作用，并证实了其可作为防晒霜，皮肤美白和嫩肤产品中的活性成分的巨大潜力。

四

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富勒烯治疗痤疮

寻常痤疮是一种涉及皮脂腺的慢性炎症性皮肤病。这种慢性复杂疾病的多种病因包括角化过度，皮脂囊阻塞，皮脂分泌增加，丙酸杆菌增殖和炎性反应59，此外，氧化应激（皮肤和全身性的）也是其发病机理的另一个重要因素60,61。作为一种新型的纳米材料，富勒烯由于其诸多优点而被引入痤疮治疗中。它具有很高的抗氧化活性，可以穿透表皮，并且可以作为递送载体改善药物体内过程62。此外，对一种富勒烯衍生物（C60（OH）24）的研究表明，它可以抑制皮脂生成63，并对痤疮丙酸杆菌具有抗菌活性64。

Inui等人研究了富勒烯在临床中的抗痤疮作用65,73。将含有富勒烯角鲨烷溶液（1%）的凝胶（富勒烯含量2ppm）涂抹在11例痤疮患者的面部皮肤上，每天两次并持续8周，结果表明治疗后病人的炎性病变和脓疱的平均数量在统计学上显著减少，粉刺的数量无统计学差异。在仓鼠皮脂细胞上使用75μM PVP-富勒烯，显示皮脂分泌量减少25％，中性粒细胞浸润减少（较少脓疱），但在病人身上未观察到皮脂减少，猜测可能是由于测试样品中富勒烯用量少。这些机制和富勒烯的抗氧化作用一起被认为是其控制痤疮的可能途径。另外，脂质体富勒烯对皮肤含水量显示出有益的作用，并且不影响毛孔的数量。总体来看，Inui的实验中，富勒烯添加量极少，这一点也有可能是未能达到更好的预期效果的一个环节65。因此，需要进一步研究才能得到更加可靠的结论。针对这个问题Wang等人（一种水溶性富勒烯外用组合物， CN201810871219；一种油溶性富勒烯外用组合物， CN201810777244；一种祛痘组合物，201810124686.3）进行了进一步研究，他们将富勒烯溶于霍霍巴籽油中，然后配制成痤疮治疗外用软膏剂，其中富勒烯添加量较Inui试验提高了30倍，针对轻、中、重度痤疮患者进行临床测试，治疗组结果显示对粉刺、炎性丘疹有着显著的效果（如图2）。同时发现，在第3天时，脸部红斑就有显著的改善，第7天时粉刺明显减少，第14天时炎性丘疹也得到明显缓解；最为显著的是治疗组在治疗后痤疮部位的印痕几乎没有显现。对比Inui的试验可以得出富勒烯在治疗痤疮方面是存在量效关系的，添加量提高后，富勒烯对痤疮的治疗效果显著提高。同时Wang等人的试验中发现，虽然富勒烯的添加量提高了几十倍，但是在受试人群中并没有发现皮肤过敏者，也从一个侧面证明了富勒烯的安全性。

五

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富勒烯美白和细腻肌肤的功效

亚洲女性对皮肤的白皙度关注较多，富勒烯在这一领域也有其独特的功效和作用原理。紫外线会诱导产生活性氧，对人体皮肤细胞产生一系列生物效应，导致色素沉着等皮肤损伤，一般会用抗氧化剂来解决这个问题。但是，一旦色素形成后，表皮层是去除色素非常关键的一环。富勒烯具有持久稳定的抗氧化特性，除了可以抑制氧化应激带来的黑色素过度生成之外，同时研究还发现富勒烯可以促进角质形成细胞的分化和角质化，这一点可以促进黑色素代谢，并对角质层保水度有促进作用，角质层含水量搞了，皮肤白皙度也会提高。

在一项单盲临床研究中，Murakami等64评价了10名健康志愿者的前臂经胶带剥离后，再使用水溶性富勒烯后的皮肤屏障恢复情况。结果表明，志愿者表皮水分流失（TEWL）的情况显著改善，但角质层水化没有任何变化。根据分子水平检测，他们认为TEWL的改善可能是由于富勒烯促进角质形成细胞的分化和角质化包膜的合成。Inui等58研究了富勒烯在减少面部毛孔中的作用。使用含有水溶性富勒烯的润肤乳8周后，参与者的毛孔减少了17.6%（p 海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP