近年來，全球化妝品行業高速蓬勃發展，不斷涌現的創新技術與前沿方法持續引領著化妝品原料與配方的革新，成分更復雜、功能更多樣化的新產品應運而生。這些變化不僅極大地豐富了市場供應，同時也對相關產品的檢測與監管工作提出了新的要求。化妝品安全性和功效性檢測的重要性不言而喻。因此，為積極響應我國“兩品一械”（涵蓋藥品、化妝品及醫療器械）新法規的全面落實，并緊跟全球化妝品產業最新動態，研發并推出更加嚴謹、高效的化妝品原料評價方法已成為當務之急。
已知皮膚是我們人體最大的器官，由表皮、真皮和皮下組織三部分構成。作為保護人體的第一道防線，皮膚經常直接接觸多種化學和生物物質，包括化妝品、紫外線、病原體、環境污染物、微生物和洗滌劑等，從而引發如炎癥、過敏反應、衰老和癌癥等問題。因此，為評估某些原料的安全性或檢測化妝品的功效性，需要進行皮膚測試。
圖1 皮膚衰老的相關作用機制（圖片來源網絡）
此前，通常借助動物皮膚代替人體皮膚進行實驗。2019年，美國環境保護局宣布將從2035年開始停止支持使用哺乳動物進行安全性測試的研究。隨著“3Rs原則”（reduction，replacement，refinement）的提出，越來越多的國家考慮到動物福利，倡導盡量減少動物實驗。而且小鼠與人體皮膚厚度和毛發均存在明顯差異，除腳墊之外沒有汗腺。因此，開發穩定、能夠模擬人類的體外皮膚模型以替代化妝品行業中傳統的動物實驗變得尤為重要。
體外皮膚模型的發展始于20世紀40年代，最初的嘗試源于對成年哺乳動物皮膚上皮的體外培養。1975年，科學家們開發出了使用成纖維細胞的二維皮膚模型；隨后的第二年，首個三維皮膚模型問世，這一模型更接近真實皮膚的結構和功能。自那以后，研究者們陸續開發出多種類型的人類皮膚等效物，這些模型被廣泛用于評估化妝品的安全性和功效性，有效推動了化妝品行業的科技進步和動物福利的提升。
其中，人體體外皮膚模型的發展可以概括為幾個具有代表性的階段：二維皮膚模型（2D細胞培養）、三維皮膚模型、皮膚類器官（Organoids）、器官芯片（Organs-on-chips，OOC）、3D生物打印、傳統皮膚芯片（skin-on-chip，SoC）和新型皮膚芯片。
2D細胞培養一直是培養細胞的常用方法，這種模型主要涉及在平板培養基上培養皮膚細胞，操作簡單，成本較低，便于觀察細胞行為和進行基礎的毒理學實驗，但不能模擬皮膚的三維結構，且缺乏細胞-細胞或細胞-基質之間的交流相互作用，因此生理相關性較低。
在2D細胞基礎上，三維皮膚模型將細胞、細胞生長因子、再造基質蛋白以及適合的骨架混合在一個體系中進行共同培養，更貼近真實的皮膚結構，能夠模擬表皮和真皮層的相互作用，提高了模型的生理相關性。但三維皮膚模型缺乏血管系統，易出現營養和代謝物交換受限、藥物滲透和分布不真實、炎癥和免疫反應模擬不足及修復再生能力有限等缺點。
類器官（Organoids）和器官芯片（Organ-on-a-chip）是兩種先進的生物模型，用于研究人體器官的功能、疾病發展以及藥物測試，但其構建和應用方式有所不同。
類器官是一種三維細胞結構，由來源于干細胞或器官特定干細胞的細胞在體外培養而成，能夠模擬真實器官的微觀結構和功能。類器官廣泛應用于疾病建模、生理功能研究和藥物篩選等領域。但可能缺乏完整的血管系統，難以完全再現器官的所有生理和病理功能。
圖2 構建皮膚類器官的主要細胞來源（圖片來源網絡）
器官芯片是一種微流控芯片，通過在微型芯片上構建生物活性的微型環境來模擬人體器官的生理和機械功能。芯片通常由透明聚合物制成，內部含有微型通道，可以流動細胞和培養基，模擬血液流動等生理條件，精確控制細胞環境和外部物理條件，如流體力學和機械壓力。然而，器官芯片雖然可以模擬單個或多個器官的相互作用，但構建復雜的多器官系統仍具挑戰性。
圖3 不同細胞構建的器官芯片
3D生物打印將3D打印與生物醫學結合起來，利用醫學成像技術如核磁共振或斷層掃描獲得三維數據，活細胞和生物材料作為“生物墨水”，層層精確堆砌得到3D結構。與傳統模型相比，3D生物打印顯示出更高的靈活性、可重復性、分辨率以及能夠進行大規模培養的能力。但該模型同樣因缺乏血管系統存在部分缺點。
微流控皮膚芯片是一種利用微流控技術模擬人體皮膚結構和功能的實驗平臺。這種芯片包含微小的流道和腔室，可以通過控制參數如培養基流動、機械力、生物化學物質的濃度梯度等模擬真實人體皮膚的三維培養微環境。精確控制流體的流動和環境條件，我們就可以在芯片上培養皮膚細胞，研究細胞間的相互作用、藥物輸送和病理狀態。微流控皮膚芯片應用范圍廣泛，包括藥物篩選、毒理學測試、疾病模型研究以及化妝品安全和功效評估等。這種技術通過減少對動物實驗的依賴，不僅提高了實驗的倫理性，還能提供更精確、更具人體相關性的研究結果。
圖4 微流控芯片結構示意圖
皮膚芯片目前主要有兩種制作思路：
- 轉移皮膚芯片：將供體的皮膚活檢或人體皮膚等效物（human skin equivalents，HSEs）引入微流控系統，通過系統下方培養基動態培養。這類芯片直接采用供體的皮膚樣本，操作簡便，但個體差異和體外存活問題不容忽視。
- 原位皮膚芯片：在微流控系統內部直接培養成纖維細胞和角質形成細胞等，以此形成皮膚模型。該法通過統一的細胞培養減少了來自不同供體的個體差異和對供體皮膚的損傷，但培養周期較長，成本高，所生成的皮膚模型與真實人體皮膚之間仍存在一定差異，仍需不斷改進。
圖5 皮膚芯片側視圖
此外，根據制備材料的不同，皮膚芯片被分為多種類型，我們將在后續推文中進行詳細介紹，今天一起來看看新型微流控皮膚芯片在化妝品安全和功效評價中的應用吧！
化學刺激評估
微流控皮膚芯片在安全性評估中主要作用于皮膚致敏性和刺激性試驗的毒理學評價。
Jong Seung Lee 等構建了一種皮膚-神經和皮膚-肝臟復合模型人體皮膚芯片，該芯片結合了鈣成像以監測神經元活性、GSH/ROS分析評估肝臟毒性的分析技術，可實時定量分析皮膚對化學物質的致敏性及化學物質的潛在肝毒性，達到精確評估化學物質對皮膚毒理學影響的目的。
Jing Zhang 等通過在微流控系統中直接培養和分化人類角質形成細胞構建出一款高度仿真表皮芯片，并對10種已知的毒性和非毒性物質進行體外細胞毒性刺激測試，深入分析評估炎癥因子的釋放。該皮膚芯片可以作為體外皮膚刺激評估的有效替代工具。
圖6（a）混合皮膚模型單元設計和六單元并聯全芯片；（b）高仿真表皮芯片結構
Mc Cormick 等利用微流控技術和可透過紫外線（UV）的石英基底裝置構建暴露于多種不同外部條件的多通道皮膚芯片，測定單參數暴露（UV或納米二氧化鈦）和多參數暴露（UV和不同濃度的納米二氧化鈦）下人表皮細胞（HaCaT）的毒性反應。
圖7 不同紫外線曝光方法的圖示：（a）生物安全柜頂部向下的紫外線照射96孔板；（b）光臺底部向上的紫外線照射微流控芯片；（c）為孔板照片；（d）為微流控設備照片
有效成分篩選
化妝品開發過程中，有效活性成分的篩選需要花費大量時間，微流控平臺的開發能夠有效提升篩選效率。Chen 等在芯片上培養真皮成纖維細胞球體（dermal fibroblast sphere，DFS），而后將不同濃度的維生素C加入微室，探究其對DFS產生I型膠原蛋白和纖維連接蛋白的影響。該方法能夠在3天內高效地篩選出維生素C對蛋白質合成的作用。此外，該芯片能夠對12種不同的成分或組合進行高通量篩選，極大地縮短了化妝品的研發周期。
圖8 支持真皮成纖維細胞球培養的四聯體芯片
透皮吸收
透皮吸收實驗可以測試化妝品中活性成分能否有效穿透皮膚并達到預期的皮膚層，從而發揮作用效果，包括在體內的積累情況及可能的副作用，對于證明產品的功效聲明、確保成分安全至關重要。Franz擴散池法是目前最常用的透皮吸收測試方法，它使用雙室系統，一室裝有待測試化妝品，另一室裝有接收介質。兩室之間通過皮膚（可以是動物皮膚或人體皮膚）隔開。測量從供給室通過皮膚到接收室的活性成分遷移量，評估待測物的透皮吸收能力。
但Franz擴散池法不能模擬皮膚的生理環境，如血液供應和代謝活動，導致實驗數據與實際情況出現偏差。且動物皮膚與人類皮膚在結構和功能上存在差異，可能涉及倫理問題。采用皮膚芯片不僅可以避免倫理問題和物種間差異，還能更有效地模擬皮膚微循環，多通道系統允許同時多個樣品的測試，大大提高實驗效率和準確度。
Bajza等所開發的基于聚二甲基硅氧烷的微流控芯片可用于局部化妝品經皮吸收的體外/離體監測，并可以根據具體需求部分改裝。實驗研究了兩種P-糖蛋白底物模型藥物（奎尼丁和紅霉素）在糖蛋白抑制劑存在和不存在條件下的透皮吸收曲線。結果表明，P-糖蛋白在皮膚中具有吸收方向性，局部抑制劑可改變其作用。該微流控擴散室能夠用于探究皮膚芯片微流控系統與透皮成分傳遞及真皮屏障中轉運蛋白之間的交互作用，在評估化妝品透皮吸收方面具有重要應用潛力。
圖9 “皮膚芯片”微流控擴散池結構示意圖
抗衰功效評估
隨著社會進步和人們生活水平的提高，皮膚抗衰領域近年來取得了顯著發展。抗衰意識逐漸深入人心，護膚品市場不斷細分，針對不同膚質、不同年齡及不同部位抗衰需求的護膚品層出不窮。人們希望通過使用化妝品來減緩皮膚老化進程，維持皮膚健康和年輕態，關于抗衰的研究也在持續進行。
Kim 等研發出一種模擬人體皮膚結構和功能的“無泵皮膚芯片”用于化妝品測試。該模型是利用人原代成纖維細胞和角質形成細胞構建的由真皮和表皮組成的皮膚等效模型。利用重力流裝置將介質以兩邊15°的角度旋轉，使其通過無泵的片上皮膚微流控通道循環流動。使用天然產物化妝品成分姜黃葉提取物進行測試，評估該成分的功效。研究發現，皮膚表皮層的屏障功能增強，從而表現出抗衰老作用。
圖10 微流控芯片裝置示意圖
β-半乳糖苷酶是一種通常用于監測衰老的生物標志物，其表達隨細胞衰老程度的加劇而升高。Subin Jeong 等通過構建基于人類成纖維細胞和角質形成細胞的全層三維柔性皮膚芯片，使用光交聯劑和周期性機械刺激加速全層皮膚老化，復制28天晝夜節律。在28天對比培養實驗中，觀察到全層皮膚模型的收縮和表皮層厚度均有所減少，同時β-半乳糖苷酶基因表達增加，詳細記錄了皮膚老化過程。這一新型皮膚芯片老化模型的應用，有助于揭示老化新機制，對開發抗老化化妝品具有重要應用價值。
美白功效評估
圖11 皮膚衰老模型培養過程：使用機械刺激驅動系統進行周期性壓縮刺激12 h，并在非刺激狀態下保持12 h
皮膚是保護人體免受紫外線輻射（UVR）的重要器官。黑色素的過度表達可導致黃褐斑等疾病。色素沉著已成為醫學領域的研究熱點，與此同時，出于對美麗和健康的考慮，美白化妝品對公眾越來越有吸引力。
Qiwei Li 等開發出一種自動化的仿生人體微生理系統（MPS），該系統可用于構建體外皮膚模型并提高仿生性能。基于三孔微流控的表皮芯片（EoC）系統具有表皮屏障和仿黑色素功能，適用于膏狀和半固態物質，同時也允許長期培養和成像。系統中表皮層分化良好，包括基底層、棘層、顆粒層和角質層，相應層中表皮標記物（例如角蛋白-10、角蛋白-14、角化蛋白、鱗狀蛋白）表達水平適當。該團隊使用此表皮芯片測試了一種化妝品的美白效果，通過表征與分析證明了化妝品在減少黑色素合成方面的功效。同時還使用該表皮芯片測試了四種化學物質的刺激和滲透特性。結果證明，該仿生EoC系統可作為皮膚刺激、滲透性、化妝品評估和藥物安全測試的有用工具。
圖12 （a）三單元表皮芯片結構圖；（b）化妝品美白測試后皮膚芯片光學圖片：（i）陰性對照，（ii） 陽性對照，（iii）試驗組，（iv）空白對照
皮膚芯片技術在化妝品安全和功效性評估方面的應用，標志著體外測試方法的一大進步，這種方法通過模擬人體皮膚的關鍵特性和功能，為化妝品安全性和功效性評估提供了一種高效、精確且符合倫理的新方法。不僅有助于提高產品質量和安全性，還推動了化妝品測試領域向更科學和人性化的方向發展。相信在未來，微流控皮膚芯片作為一種高度模擬人體皮膚結構和功能的先進技術，會擁有更廣闊的發展前景。
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