玻尿酸在功能性纺织品中的应用

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玻尿酸,学名“透明质酸”,是1934年美国哥伦比亚大学科学家Karl Meyer和John Palmer从牛眼玻璃体中提取得到的一种多糖物质,其质地黏稠透明,像玻璃一样,因此命名为“Hyaluronic Acid”,简称“HA”。工业生产中所用HA多为其钠盐形式,即透明质酸钠,医药领域中也称其为“玻璃酸钠”。HA的生产方法主要有两种,动物组织提取法和微生物发酵法。动物组织提取法因为原材料来源限制、产品纯度低、生产成本高等缺点已逐渐被淘汰,微生物发酵法成为大规模生产HA的主流技术。不同来源的HA在结构、性质方面无种属差异。

HA是由葡萄糖醛酸和

N

-乙酰氨基葡萄糖组成的双糖单位重复连接而成的高分子聚合物,平均相对分子量约10~ 10Da。HA具有优异的保湿性、润滑性、黏弹性和生物相容性,已被广泛应用于医药、食品、化妆品等领域。全球每年新上市含HA的化妆品超过 1 万种,在某化妆品成分查询APP归纳总结的消费者关注的功效成分排名中,HA位列前三。

与化妆品相比,纺织品与人体的接触时间更长、接触面积更大,织物中添加美容护肤成分可更大程度地达到皮肤保健的作用。目前纺织品中使用较多的护肤成分有胶原蛋白、维生素E、芦荟提取物等。近几年随着生产技术的提高和应用研究的深入,HA作为护肤明星成分逐渐进入纺织品研究者的视野,成为功能性纺织品的创新应用热点之一。本文介绍了HA的护肤作用及其在纺织品中的应用,同时因为护肤纺织品的功效常常受到消费者的质疑,例如经过洗涤后护肤功效差等,所以本文也讨论了HA含量测定的常用方法,以期为HA护肤纺织品的开发和检测提供参考。

HA广泛存在于动物和人体结缔组织细胞外基质中,脐带、关节、皮肤、眼睛等器官组织中HA含量较高。机体含有的HA一半以上存在于皮肤中,表皮层和真皮层均有分布。HA与其他硫酸化多糖、纤维性蛋白等组成含有大量水分的胞外胶状基质,维持正常的胞外空间,有利于营养物的供应和代谢物的排放。

HA在常态下是白色固体,不溶于有机溶剂,可溶于水。HA分子中含有大量的羟基和其他极性基团,可以像“分子海绵”一样吸附约为自身重量1 000倍的水分。与其他常用保湿剂如甘油、山梨醇、吡咯烷酮羧酸钠等相比,HA受环境湿度影响较小。有数据表明,HA在低相对湿度(33%)下的吸湿量相对较高,而在高相对湿度(75%)下吸湿量相对较低。这种独特的性质,适应了皮肤在不同季节、不同湿度环境下的要求,因此被誉为理想的天然保湿因子。此外,HA对紫外、高温、刮擦等因素造成的细胞损伤有明显的修复作用,可减少炎性细胞因子释放,清除自由基,促进细胞迁移与增殖,有利于恢复正常的组织形态。余惠等的研究也表明长期使用HA可增加皮肤表面含水量,改善皮肤屏障功能,且减少细纹效果明显。

HA在纺织品中的应用可以追溯到20世纪90年代,1992年法国JEAN等公开了一种防止氮释放的织物整理剂专利,在其实施方案中,优选HA为保湿添加剂。但之后HA的相关应用鲜有报道,直到最近 5 年,随着HA护肤应用的普及,一些创新型公司开始探索HA面料的制备方法。

2.1 浸轧法

浸轧法是采用含有HA的整理剂,通过浸轧方式处理织物的一种加工方法。具体步骤是将织物浸泡在整理液中一段时间后取出,再经过轧挤、烘干,最终使HA固着在织物上。研究表明,在锦纶经编织物的后整理过程中加入HA,对面料的颜色和色牢度影响很小,并且经过HA处理的织物具有一定的保湿效果。如果将针织面料处理至纤维线密度小于0.13 dtex,可以提高HA与纤维的结合力,避免面料由于水洗等因素导致的保湿能力下降。另外,多篇专利显示浸轧法也可用于棉、丝绸、锦纶/氨纶混纺等织物的后整理,HA的添加使面料柔软舒适,同时具有保湿护肤功能。

2.2 微胶囊法

微胶囊法是用成膜材料将HA包裹在微粒子胶囊中,再将微胶囊固着在织物纤维上的一种方法,当织物与皮肤接触时,微胶囊经摩擦、挤压而发生爆裂,释放出HA,发挥护肤功效。HA是水溶性物质,在洗涤过程会大量流失,将其微胶囊化处理后会大大提高HA在面料上的驻留性,改善织物的功能持久性。北京洁尔爽高科技有限公司将HA制成纳米微胶囊并应用到织物上,织物的回潮率达到16%以上。吴秀英制备了一种含HA的保湿微胶囊,并通过低温交联树脂和低温固着技术,将其固着在薄型涤纶和纯棉面料上,以此获得织物持久的保湿性。

同时,也有研究者利用HA的高分子聚合物特性,将HA作为微胶囊的包裹材料使用。例如将HA/壳聚糖聚合物包裹介孔二氧化硅纳米粒子,用于纤维素纤维织物的光学漂白;
或以海藻酸钠、壳聚糖、HA为壁材制备多糖微胶囊,可以制备缓释型功能纺织材料。HA是天然成分,可生物降解,因此无论HA作为微胶囊芯材还是壁材,均安全环保,且对皮肤健康有益。

2.3 涂层法

涂层法是指在织物表面形成含HA的薄膜,通过穿着过程中织物与皮肤充分接触达到护肤功效的一种方法。例如,采用层层静电自组装技术将壳聚糖阳离子组装体系与HA阴离子组装体系交替沉积于棉织物纤维表面。此方法较为简单,但制得的护肤织物经多次洗涤后,功效可能会丧失。

2.4 纤维法

纤维法是在纤维聚合阶段或纺丝原液中加入HA,再进行纺丝的一种方法,这种方法使HA不仅存在于纤维表面,而且均匀分布于纤维内部,耐久性好。吴翔等将HA和丝素蛋白制成静电纺丝混合液,并加入精油和维生素C进行混纺,得到可缓释精油和维生素C的透明质酸/丝素蛋白纳米复合纤维。MILAŠIUS R等同样采用静电纺丝技术将HA以液滴的形式分布于纳米纤维中,实验表明,即使经过95 ℃热水浸泡也仍有HA存留。HA是高分子长链结构,纺丝过程中剧烈的反应环境可能会造成其分子结构的破坏,因此有研究者将HA进行预处理保护,例如将HA与金制备成纳米粒子,再均匀分散在聚酰胺纤维中,可以获得具有较高耐久性和有效性的美容纺织纤维。

目前围绕HA纺织品进行的学术研究资料很少。早在2010年,国外研究者就曾以HA为例,考察环保材料应用于纺织品对消费者行为的影响。结果显示,使用0.1%HA与0.1%壳聚糖混合液处理纯棉纤维,不仅能明显改善织物的柔软度、湿度、手感,还可以赋予其更高的价值以及环保的理念,提高消费者的购买意愿。但由于HA高昂的添加成本以及耐久性难以解决等问题,之后很长一段时间未见有市场应用。近几年随着功能性纺织品制备技术的进步、HA价格下滑以及消费者认知度的提升,一批以HA为功效因子的护肤纺织品渐渐涌现出来。

2017年韩国Let’s young推出了“玻尿酸恒温面膜衣”,该产品既能起到保暖作用,又能让皮肤持续湿润不干燥。自2019年开始,中国内衣品牌也相继推出玻尿酸护肤产品,例如THREEGUN美肤修身内衣系列、如氧玻尿酸美肤保暖内衣、欧妃倩玻尿酸连体塑身衣等。2020年夏季,HA成为不少知名服装品牌的新宠,如Cache Cache水光美肤玻尿酸T恤(图 1)、乐町黑科技玻尿酸T恤、韩都衣舍玻尿酸T恤和牛仔裤等。此外,也有将HA应用于床上用品的案例,酒店布草品牌“斯得福”将HA与天丝结合,提出“精致睡眠,睡出水光肌”的概念;
大朴的玻尿酸床品系列,可在面料接触皮肤时逐渐释放HA护肤因子。

图1 Cache Cache水光美肤玻尿酸T恤

以上产品的面料大多采用后整理工艺将HA或其微胶囊结合在纤维上,当面料与皮肤接触时,HA逐渐转移至皮肤表面,发挥保湿护肤作用。东华大学伍霞对HA保湿功能袜的系统性研究验证了这一工艺的有效性。织物风格测试结果显示,整理后的裤袜在柔软度和光滑度方面有一定程度的改善;
保湿性测试结果表明,试验组人群的皮肤湿度增加值明显高于空白组,且穿着HA保湿功能袜 5 天以后,试验组人群的皮肤干燥度明显比空白组低;
受试者对于HA保湿功能袜整体上较为满意。

功能性纺织品的相关检测标准主要有产品标准、方法标准和技术评价说明,可以对防辐射、抗静电、抗菌、拒油、阻燃等织物功能进行标准化评价,但目前尚无统一规范的护肤纺织品的质量技术参考方法。由于护肤纺织品最终的使用效果体现在人体上,很难通过直接测试来实现产品功能的稳定性管理和使用过程中的功效验证,所以检测功效因子含量就成为一种较为便捷的方式。HA在多个行业已有几十年的应用历史,因此其含量检测方法也是多种多样,主要分为比色法、免疫分析法、高效液相色谱法,下文介绍几种代表性测定方法。

4.1 咔唑法

咔唑法是测定HA含量的经典方法,其原理是在酸性条件下使HA分子完全水解为葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖,葡萄糖醛酸与咔唑反应可生成紫色络合物,根据吸光度计算葡萄糖醛酸的含量,进而换算得到HA的含量。该方法被欧洲药典、日本药典、中国药品标准以及轻工行业标准QB/T 4416—2012《化妆品用原料 透明质酸钠》采用。由于双糖才是HA分子的最小结构单元,咔唑法只针对双糖结构中的葡萄糖醛酸进行鉴别和定量,专属性较差,大多用于HA精品的纯度检测。如果测定复杂混合物中的HA含量,很有可能受到其他成分的干扰,导致测定结果不准确。因此,虽然此方法简单易学,操作成本低,但不适用于织物中HA的含量测定。

4.2 放射免疫法

放射免疫法是利用HA结合蛋白(HABP)与HA高度亲和的特性,通过放射标记HA和非标记HA与其特异抗体HABP的竞争结合反应,测定放射复合物的量,从而计算得到非标记HA量的一种超微量分析方法,多用于机体组织或体液中HA含量的测定。此方法简便、快速、灵敏度高,可测定复杂环境下HA的含量,但需要购买专用试剂盒和特定的检测仪器,操作成本高。

4.3 酶解-HPLC法

透明质酸酶可特异性降解HA,通过HPLC测定降解产物的量可计算得到HA的含量。此方法特异性强,准确度高,已被证明可用于测定化妆品、保健食品、药品等复杂样品中的HA含量,推测此方法同样适用于织物中HA的含量检测。

此外,也有将近红外光谱分析技术、共振瑞利散射光谱分析技术、气-质联用技术等用于复合物中HA含量检测的报道。从众多检测方法中筛选或改良现有方法,简易方便地测定织物中HA含量,仍是HA护肤纺织品开发过程中需要探索的课题。

追求“天然、健康、环保”是当前纺织品发展的重要趋势之一,采用安全无毒,对环境无害的原材料是达到这一目的的基础。HA是人体存在的成分,通过微生物发酵技术获得的HA结构和理化性质与机体中存在的HA完全一致,使用安全并可生物降解。同时,HA保湿、润滑、修复等特性赋予纺织品更好的护肤功能,可以推测,随着工艺技术的进步,织物中功效因子的耐水性和耐久性得到极大改善,天然护肤因子 ——HA在功能性纺织品中将大有可为。

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