中图分类号: TQ658    文献标识码：A    文章编号：

A microfluidic preparation method for microcrystalline water lotion

ZENG Jie-sheng^1*；MAI Yi-ming¹；LUO Chu-tian² ；LIN Chu-tao²；LIAO Li-min²

1. Foshan Dingzhi Biotechnology Co., Ltd，Guangdong，Foshan，Shunde，528311

2. Guangdong Shunde Industry Design Institute (Guangdong Shunde Innovative Design Institute)，Guangdong，Foshan，Shunde，528311

Abstract:

Oil in water microfluidic drop lotion, also known as microcrystalline water lotion, is a popular cosmetic lotion highly favored by consumers in recent years. Microfluidics is an interdisciplinary application discipline, with its basic feature and greatest advantage being the ability to flexibly combine multiple functional units on a small platform. This technology disperses internal phases, i.e. target nutrient solutions, and wraps them in suitable external phases to form microcapsule structures. The internal nutrients in each micro droplet can be accurately quantified, in addition, the microcapsule structure protect the nutrients to  be decomposed in the aqueous phase to lose effectiveness. What’s more, the microcapsule structure  provide better appearance and higher technical content to the consumers. In this paper, a microfluidic preparation method was applied for the microcrystalline water lotion. The stability of lotion was discussed from three aspects: the concentration of active agent, the solid content of micro droplet and the size of droplet, finally the feasibility of large-scale production for the microcrystalline water lotion with this method was analyzed.

Keywords: Microfluidics; microcrystalline water lotion; oil in water droplets; scale production

1. 引言

皮肤作为人体最大的器官，主要有以下两大功能：一是防止体内水分和营养物质的流失，；二是对外界环境中机械性损伤、化学物质的刺激和有害菌群的入侵起到重要的防护作用。但是，肌肤所需的许多营养物质在水相中溶解度较低，将其溶于有机相物质中更易于营养物质长期保存及机体吸收利用：如从橄榄科或菊科植物中提取的天然红没药醇，具有抗炎抑菌，抗刺激，修复的功效^[1]；从鱼类肝脏提取的视黄醇，对于减缓皮肤老化和促进胶原蛋白的合成具有重要作用^[2]；从菌菇孢子囊中提取的β-葡聚糖成分，使用后能显著提升皮肤含水量和弹性，并可清除自由基^[3]。市面上油水相混合形式的乳液类型，如护肤乳霜、BB霜、防晒霜等，使用后既可以给皮肤补充养分，又能在皮肤表面覆盖一层油膜，防止水分过快蒸发^[4]。国外香奈儿，芭特尔芙莱等知名品牌推出了微晶水系列化妆品，而国内品牌目前有瑷尔博士。其微晶水主要特点是用微囊结构包裹的精华水，该结构可以在显微镜下清晰可见，使用时经特制喷头打破微囊，使油水相均匀混合，让皮肤快速渗透吸收^[5][6]。

常规乳液类化妆品的制作一般是使用乳化剂进行物理搅拌、匀质的方法使油水两相混合，最终呈现出乳白软膏或者半透明状态。而微晶水体系需加入具有表面活性剂功能的的乳化剂以降低内外相之间的界面张力，并通过形成分子界面膜或电荷隔离层，防止分散的液滴聚集合并，从而起到增强乳液体系稳定性的作用^[7]。微晶水类型可分为油包水型（W/O）、水包油型（O/W）和复合型［O（W/O）/W］^[8]。此外传统工艺大致可划分为搅拌乳化法、反相乳化法、D₄相乳化法、液晶乳化法等^[9]，本文将使用精确度更高的微流控技术制备乳状液产品，该技术避免了传统方法中存在的缺点，如微晶液滴尺寸不均一，微滴内含量无法精准定量，产品在运输或者高温条件下稳定性差等。此外，一个微流控芯片可当作一条产线口，只需叠加微流控芯片数量即可实现多产线生产，理论上可以满足规模量产微晶水产品。

2. 制备原理及设备

微流控技术是指使用微米级别的管道精确操控微尺度流体系统的技术，并在微通道上实现化学反应，分离和检测的功能，所以又称为微型实验室，是一门涉及化学、流体物理、微电子、高分子材料、生物医学的交叉学科^[10]。目前乳化体类化妆品在传统生产模式下，得到的乳液微滴尺寸均一程度非常低，而使用微流控生成乳状液化妆品的工艺具有以下优势：一是有利于各种乳液微滴结构的设计，如多重乳液结构，JANUS乳液结构^[11]，以及无乳化剂的乳化体系，乳液微滴粒径均一度高；二是能够对化妆品的各相组分进行高效、精确的控制，同时将一定数量的微流控芯片叠加使用，便可进行大规模生产，因此在工业生产上具有很强的灵活性^[12]。

本文主要使用的微流控技术设备是由压缩空气源、精密流量恒压泵、管路、微流控芯片以及视觉识别系统组成，如图1（d）。压缩空气源为芯片微通道内的各相流体提供动力，通过恒压泵调节适当的输出压力，将油相（内相）和水相（外相）按目标流量注入到芯片的分散相和连续相通道中，经过流体仿真并液路设计后的微流道可以将两相在Y型交汇处图1（a）相遇并相切形成水包油微滴，微滴在芯片后端通道运输中趋于稳定如图1（b），并最终在芯片的尾部进行收集，即可获得尺寸均一的乳液微滴，如图1（c）。产品粒径及微晶液滴类型，可以根据芯片设计及仪器参数设置去制作完成。本文针对微流控生产模式中三个关键因素：活性剂浓度、微滴固含量及微滴尺寸，分别展开进行探讨。最终通过一系列稳定性测试后确定最佳方案。

图1 微流控乳液概况图 

a微流控芯片Y型交汇处；b微晶水中微滴生产中；c微晶水成品；d 微流控生成流程图

3. 实验

3.1实验一 活性剂脱氢黄原胶浓度

  黄原胶^[13]是经微生物发酵技术生产的一种多糖，主要由D-葡萄糖、D-甘露醇、D-葡萄糖醛酸组成，具有优异的增稠，悬浮和乳化功能，此外黄原胶稳定性好，不含毒性，因此被广泛应用于医药食品，涂料及化妆品中^[14]。由于化妆品在运输及使用过程容易受外界各种不可控因素影响，所以乳状液的稳定性要求较高，乳化剂在体系中是保持乳液状态稳定的重要成分，本文对其浓度进行测试，以得到最适浓度范围。

按下表1的成分表配置适量的油水相，其中脱氢黄原胶的浓度设置5组梯度，分别是0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%（质量分数w/w%）。水相具体配制过程是先在超纯水中加入卡波姆和脱氢黄原胶，并磁力搅拌2h，随后加入甘油、丁二醇搅拌10 mins，紧接着加入EDTA搅拌5 mins，最后加入氢氧化钠调节水相PH值至6.5。油相的配制过程是将季戊四醇四酯和辛酸甘油三酯两者在80℃混合搅拌5 mins，再加入氢化环戊二希在75℃中搅拌1小时。实验流程按图1（d）所示连接相应模块，油水两相在微流控芯片Y型交汇处相切形成微滴。

按上述5组黄原胶浓度样品，分别生产收集五组微晶水微滴，并进行两项稳定性测试：A：置样品于高低温循环试验箱测试15天（在-20至50℃温度区间中进行反复循环）；B：置样品于旋转混合仪进行360°水平翻转30天，观察各组样品的微滴破损率，以确定样品间稳定性差异。

表1 微晶水成分表配置表

表2 活性剂脱氢黄原胶浓度梯度实验结果

    实验一结果如表2所示，五组实验组经稳定性方案测试后，第5组即0.8%黄原胶添加量的微滴状态最佳，其余4组均出现微滴破裂及破乳的现象。黄原胶浓度直接影响到油、水界面表面张力，通过该表面张力形成的界面膜是保护微晶水微滴稳定性的关键。0.8%浓度下，可以使两相之间界面膜稳定产生，不会出现过低或过高浓度时由于两相之间作用力相互吸引或排斥导致融合破损。

3.2 实验二 微晶水微滴固含量

    微滴固含量，顾名思义即是产品中微晶水液滴（水包油液滴）的质量含量，因此也可认为是试剂油水比例。实验发现，油水相不同压力下成品的微滴固含量会有明显差别，如保持油相压力不变，增大水相流量会导致微滴固含量减少，反之则增加，成品整体流动性更好。考虑化妆品在日常携带使用中的各种情况，液滴会在储存瓶内壁来回滑动拉扯，导致微滴容易破裂。因此需对比不同固含量的微滴乳液稳定性，以找出最适固含量浓度。选择调整水相压力，设置6组分别为30%，40%，50%，60%，70%，80%微滴固含量的液滴，进行稳定性测试。

表3 微晶水微滴固含量梯度实验结果

实验二结果如表3所示，50-60%固含量的微滴无明显破裂现象且形状清晰可见，其余4组均有不同程度的破乳现象，样品整体颜色呈乳白色状。当固含量高于60%时，液滴过度拥挤导致相互间融合破损；而固含量过低时液滴储存瓶内壁上有充足的空间滑动碰撞。因此合适的固含量才可保证微晶水产品的运输稳定性。

3.3实验三 微晶水微滴尺寸

    尺寸越大的微滴能包裹更多护肤有效成分且给予的视觉感受更加强烈，因此大尺寸的微滴也许受消费者青睐。但伴随着微滴尺寸增大，稳定性有可能下降。针对微晶水微滴的生成尺寸，不能单靠调整油水压来实现，芯片通道设计也需要进行调整。根据流道设计后的微流控芯片，可以实现500/1000/1500/2000 μm尺寸的微滴生成，并对该4组的微滴进行稳定性测试。

表4 微晶水微滴尺寸实验结果

实验三结果如表4所示，经稳定性测试后，可明显观察到尺寸为1000 μm的微滴形态最佳，整体仍呈透明状，其余3组微滴均有微滴破裂导致整体呈乳白色状。此外在显微镜下观察可得，500μm与1000μm的微滴均一程度较好，视野中没有出现异常液滴，但另外两个实验组1500μm与2000μm均出现破损液滴，呈现尺寸不一的现象。实验表明在0.8%(质量分数w/w%)黄原胶浓度条件下，微晶水微滴稳定的尺寸范围在1000 μm。如果微滴尺寸过大或者过小，由于存在两相接触比表面积该因素，该浓度下黄原胶未能在油、水两相之间形成合适、稳定的界面膜，因此导致微滴趋于不稳定。

4. 结论

针对恶劣环境下存放以及模拟运输过程中可能出现微晶水微滴稳定性问题，故本文围绕乳液活性剂浓度，产品微滴固含量和微滴尺寸开展了三项研究实验。综合各组实验数据显示，活性剂脱氢黄原胶浓度为0.8%(质量分数w/w%)，液滴固含量为50-60%，且微晶水微滴尺寸范围为1000μm时，该成品乳液的稳定性最好，可以经受15天在-20至50℃温度区间中的反复循环，以及30天的360°水平翻转。此外，在实验三的样品中，1500μm以上的微晶水微滴对于消费者更具视觉观感，若后期需迎合消费市场对于大尺寸微滴的需求，可尝试增加活性剂的添加量，除了可在油、水两相间提供足够的表面张力使得两相平衡，增大用量会使油相粘度在常温下流动性变低甚至成为固溶胶状态，提升了抗压性，有助于形成水包油微滴时内相的稳定程度。除此以外，本文所使用微流控方式可以简单叠加，单个微流控芯片可以看作为一条产线，根据厂商需求组合一定数量的芯片后一起生产，即可灵活实现规模量产微流控微晶水产品。

参  考  文  献

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