仿生植物表皮蜡质结构化薄膜增强皮肤表面紫外光防护的机制与应用研究

本研究受植物叶片自组装表皮蜡(Epicuticular Wax)紫外反射特性启发，通过物理化学方法在石英基底和皮肤模型表面构建结构化蜡质薄膜。研究发现异质性的Candelilla蜡和均质的Myristyl Palmitate(MP)蜡通过调控自组装条件可形成双尺度形态结构，其中垂直/水平堆叠的晶体板在亚微米尺度产生最大散射效应，使紫外反射率提升至32%。该成果为开发新型物理防晒策略提供了仿生学思路，发表于《Materials Today Bio》。

　　

在自然界中，植物通过进化形成了精妙的紫外防护机制——叶片表面的表皮蜡(Epicuticular Wax)能通过物理结构化和化学吸收双重途径抵御有害紫外线。这种天然防护系统引起了材料科学家的浓厚兴趣，因为当前主流化学防晒剂如二氧化钛(TiO₂
)和氧化锌(ZnO)存在潜在生物毒性，而物理防晒又难以兼顾透光性与防护效果。更关键的是，人类皮肤最外层的角质层(Stratum Corneum, SC)缺乏类似植物的结构性防护机制，导致紫外线引发DNA损伤、酶失活等严重后果。

针对这一挑战，法国欧莱雅集团与合作伙伴的研究团队在《Materials Today Bio》发表了一项突破性研究。他们从两种植物蜡——化学异质的Candelilla蜡（源自Euphorbia cerifera）和化学均质的肉豆蔻醇棕榈酸酯(Myristyl Palmitate, MP)中获取灵感，开发出可模拟植物表皮蜡光学特性的仿生涂层技术。通过精确调控溶剂组成（如isododecane:IPA混合比）、蒸发温度（25-37°C）和基底特性，成功在石英、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模型皮肤及离体人角质层上构建出具有分级结构的蜡质薄膜。

研究团队采用动态扫描量热法(DSC)分析蜡材料热力学性质，紫外可见分光光度计配合积分球测量总反射率(%R)和透射率(%T)，结合扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和光学轮廓仪多尺度表征表面形貌。特别设计粗糙度参数体系量化特征高度(h_F-avg
)、均方根梯度(SDQ)和自相关长度(SAL)，并通过静态接触角测试评估表面润湿性。

3.1 石英基底上的结构调控
在石英基底上，Candelilla蜡通过溶剂挥发自组装形成球状/板状混合晶体，在可见光区反射率达35%。而MP蜡展现出更规整的针状垂直排列晶体结构，双尺度形态（垂直板晶+水平堆叠）使紫外反射产生4-5%的选择性提升。关键发现是：当SAL（晶体板间距）控制在3-24.5μm、SDQ₂
（亚微米粗糙度）达0.85时，紫外反射最优。

3.2 模型皮肤表面的结构复制
在模拟皮肤粗糙度（Ra～30μm）的PMMA基底上，溶剂筛选成为关键。环己烷(CH)作溶剂时形成h_F-avg
～2.5μm的密集结构，反射提升20%；而异十二烷(isoDD)形成的稀疏结构（SAL～55μm）则无显著光学增益。研究首次证明基底固有纹理的几何特征决定蜡晶生长取向——离散尖锐的微结构（如角质层）比连续波状纹理更利于双尺度形态形成。

3.3 离体角质层的功能化修饰
在离体人角质层上，IPA:CH(50:50)溶剂体系构建的蜡膜(h_F-avg
～12μm)实现32%的紫外反射，且不改变皮肤天然微沟壑(microrelief)结构。重要规律是：蜡结构特征高度需超过角质层固有粗糙度(h_F-avg

25μm)才能产生额外散射。所有结构化蜡膜均保持105±2°的水接触角，证实其固有疏水性。

这项研究开创性地证明：通过仿生植物蜡的自组装策略，可在保留皮肤生理纹理的前提下构建光防护结构。双尺度形态在亚微米和微米级的协同作用使紫外反射达到植物天然蜡质的水平（32%），且溶剂工程可精确调控结构参数。该技术突破为开发不依赖化学吸收剂的物理防晒产品提供了新范式，同时保留皮肤触觉感知功能。未来通过扩大蜡材料库（如含棒状/环状晶体），有望实现更复杂的光学调控。研究团队特别指出，该技术已具备转化潜力——所用Candelilla和MP蜡均为化妆品常用原料，且旋涂工艺与现有产线兼容。这项跨学科成果不仅推进了仿生材料在皮肤医学的应用，也为功能性涂层设计提供了普适性方法学指导。