针对化妆品喷雾产品产生的亚微米颗粒物排放及吸入暴露的控制方法研究

《ACS Environmental Au》：Development of Control Methods for Submicron Particulate Matter Emissions and Inhalation Exposure from Cosmetic Spray Products

化妆品喷雾释放的颗粒物（PM0.1和PM1）可通过喷嘴设计优化有效降低，研究采用实验室模拟和MPPD模型评估了12种产品的颗粒分布及呼吸沉积，发现添加锥形外部管道可将PM1沉积减少88.6%，为减少吸入暴露提供工程策略。

　　本研究聚焦于化妆品喷雾产品在使用过程中释放的气溶胶颗粒物（Particulate Matter, PM）及其对人体呼吸系统的潜在健康风险。化妆品喷雾因其便捷的使用方式、快速且均匀的覆盖效果，已成为个人护理产品中备受消费者青睐的一类。然而，这类产品在喷射过程中会释放不同粒径的颗粒物，这些颗粒物可能被吸入并沉积在呼吸道中，从而对健康产生不利影响。本文通过系统实验，评估了12种化妆品喷雾产品的颗粒物粒径分布和基于数量及质量的浓度，同时探讨了如何通过改进喷雾装置设计来减少颗粒物的吸入暴露。

### 颗粒物的健康风险

喷雾产品在使用过程中会释放多种粒径的颗粒物，其中，细小的颗粒物（如PM_0.1，即粒径小于100纳米的颗粒）因其能够深入肺部并沉积在肺泡区域，对健康构成更大威胁。这些颗粒物的高扩散性使得它们更容易进入人体的深部呼吸道，进而可能引发炎症反应、氧化应激等生物效应。相比之下，较大的颗粒物（如PM_1–10，粒径在1至10微米之间）更倾向于沉积在上呼吸道，如鼻腔、咽喉和气管。尽管这些颗粒物对健康的影响相对较小，但它们在特定条件下也可能对呼吸系统造成一定的负担。

研究指出，喷雾产品的颗粒物排放不仅与产品配方有关，还受到喷雾头设计、用户使用距离以及喷雾过程中的物理条件（如喷雾速度、喷雾形态）的影响。例如，一些防晒喷雾产品在喷射过程中可以产生高达1.03 × 10⁶个/cm³的PM₁₀（粒径小于10微米的颗粒）数量浓度，而PM₁₀的质量浓度可达到36.17 mg/m³。这些数据表明，某些喷雾产品在使用过程中可能释放出大量颗粒物，从而增加使用者的吸入暴露风险。

### 喷雾产品的分类与排放特征

化妆品喷雾产品主要分为两种类型：**气压式喷雾**和**泵式喷雾**。气压式喷雾通常使用液化气体（如丙烷、丁烷、异丁烷或二甲醚）作为推进剂，这些推进剂在喷雾过程中与液体配方直接接触，从而影响颗粒物的形成和释放。而泵式喷雾则通过手动施加压力来推动产品，其推进剂通常为压缩空气或氮气，且产品与推进剂之间没有直接接触。

气压式喷雾产品的喷雾头结构通常包括七个核心组件：**喷雾头（actuator）**、**阀杆（valve stem）**、**阀杆密封圈（valve stem gasket）**、**弹簧（spring）**、**外壳（housing）**、**取液管（pickup tube）**和**安装杯（mounting cup）**。这些结构的组合决定了喷雾的性能和颗粒物的释放模式。相比之下，泵式喷雾产品通常采用**内袋式喷雾头（bag on valve, BOV）**结构，这种设计将产品与推进剂物理分离，减少了两者之间的相互作用。

此外，喷雾头的几何形状和孔径大小对颗粒物的排放具有显著影响。例如，喷雾头的孔径越小，产生的颗粒物越细小，且更容易进入肺部。因此，喷雾头设计的优化成为降低吸入暴露风险的关键策略之一。

### 颗粒物的粒径分布与暴露评估

为了全面评估化妆品喷雾产品的颗粒物排放特性，研究采用了**扫描移动粒子计数器（Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS）**和**气动粒子计数器（Aerodynamic Particle Sizer, APS）**两种仪器。SMPS适用于检测粒径小于700纳米的颗粒物，而APS则适用于检测粒径在0.5至20微米之间的颗粒物。通过这两种仪器，研究团队获取了12种喷雾产品的粒径分布数据，并进一步分析了这些颗粒物在不同呼吸区域（头部、气管支气管、肺部）的沉积情况。

研究发现，大多数喷雾产品的颗粒物数量浓度主要集中在**亚微米级（PM_0.1）**，而质量浓度则主要集中在**微米级（PM_1–10）**。这种差异反映了颗粒物在不同粒径范围内的物理行为差异。例如，亚微米级颗粒物具有更高的扩散能力，更容易穿透呼吸道屏障，而微米级颗粒物则更倾向于沉积在上呼吸道。因此，针对不同粒径颗粒物的暴露评估需要分别进行，以全面了解其健康风险。

### 喷雾装置设计的改进与暴露控制

为了降低吸入暴露风险，研究提出了一种新的喷雾头结构设计。该设计通过**外接导管（external tubing）**和**改进机械破碎装置（Mechanical Breakup Unit, MBU）**，在不影响产品喷射效率的前提下显著减少了亚微米颗粒物的排放。实验结果表明，**锥形导管（tapered tubing）**在所有测试中表现最为优异，其对亚微米颗粒物的**数量沉积量**和**质量沉积量**分别降低了88.6%和65.7%。

外接导管的设计原理在于通过**扩大喷雾扩散区域**和**降低喷雾出口的动量**，减少细小颗粒物的生成和沉积。例如，13 × 50毫米的圆形导管能够将颗粒物的粒径分布向更小的尺寸偏移，从而减少亚微米颗粒物在肺部的沉积比例。而锥形导管则通过其独特的几何结构，显著改变了喷雾的气流动力学特性，使得细小颗粒物的生成和沉积减少，同时保持了喷雾的均匀性和覆盖范围。

在对机械破碎装置的改进中，研究发现**完全移除MBU组件**能够有效降低颗粒物的生成和沉积。这种设计减少了喷雾头内部的流动阻力，从而降低了液滴在喷雾过程中的破碎和细小颗粒物的形成。此外，研究还指出，喷雾头的**孔径大小**和**材料选择**对颗粒物的排放具有重要影响。例如，较大的孔径会导致更高的颗粒物数量浓度，而铜制喷雾头则因良好的导电性，可能增加细小颗粒物的电荷积累，进而影响其在呼吸道中的沉积行为。

### 喷雾产品的配方与颗粒物排放的关系

除了喷雾头设计，产品的**配方成分**也对颗粒物的排放产生重要影响。例如，防晒喷雾产品通常含有**纳米级成分**，如氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂），这些成分在喷雾过程中可能因物理破碎而释放出细小的颗粒物。此外，喷雾产品中的**挥发性溶剂**和**表面活性剂**也可能影响颗粒物的形成和排放特性。

研究还指出，即使某些产品没有明确标注含有纳米颗粒，也可能在使用过程中释放出显著量的PM_0.1，这表明当前的标签实践可能低估了某些产品的吸入暴露风险。因此，对于所有类型的喷雾产品，都需要进行**粒径分布和沉积量的系统评估**，以确保消费者的安全。

### 健康风险的综合评估与工程控制策略

为了全面评估喷雾产品的健康风险，研究采用了**多路径粒子沉积模型（Multiple-Path Particle Dosimetry, MPPD）**，该模型能够模拟不同粒径颗粒物在人体呼吸道中的沉积行为。通过这一模型，研究团队计算了不同喷雾产品在**头部**、**气管支气管**和**肺部**区域的沉积剂量，并结合实际使用条件（如呼吸频率、呼吸量和暴露时间）进行了综合分析。

研究结果表明，**防晒喷雾**和**干发喷雾**是导致较高吸入暴露的主要产品类型。其中，防晒喷雾因含有大量纳米级成分，其亚微米颗粒物的沉积量显著高于其他产品。而干发喷雾虽然释放的颗粒物质量较低，但由于其细小颗粒物的高扩散性，仍可能对肺部造成一定风险。相比之下，**发胶喷雾**因颗粒物粒径较大，其沉积主要集中在上呼吸道，对肺部的沉积量较低。

为了减少这些风险，研究提出了一系列**工程控制策略**，包括优化喷雾头设计、改进机械破碎装置以及调整喷雾头的材料选择。这些策略不仅能够有效降低亚微米颗粒物的排放，还能在不影响喷雾性能的前提下，确保产品的使用体验和安全性。例如，锥形导管的使用不仅降低了细小颗粒物的生成，还改善了喷雾的均匀性和覆盖范围，从而为消费者提供了更安全的使用方式。

### 喷雾产品的使用场景与暴露评估的必要性

值得注意的是，大多数关于喷雾产品颗粒物排放的研究通常聚焦于家庭清洁或空气清新剂等产品，而这些研究的实验条件（如大型测试室或房间尺度环境）与化妆品喷雾在**近距离使用**（如喷洒在面部或颈部）的场景存在较大差异。因此，针对化妆品喷雾的暴露评估需要在**接近人体的环境**中进行，以更真实地反映实际使用条件下的颗粒物沉积情况。

此外，研究强调，喷雾产品的**使用距离**和**使用方式**也会影响颗粒物的沉积。例如，用户可能在喷洒时将喷雾头直接对准面部，从而增加细小颗粒物的吸入风险。因此，在设计喷雾产品时，应充分考虑用户的实际使用行为，并通过**优化喷雾头结构**来减少颗粒物的生成和沉积。

### 未来研究方向与行业应用

尽管本研究提供了一种可行的工程控制策略，但其主要目的是为喷雾产品的设计和改进提供参考。因此，未来的进一步研究可以集中在以下几个方面：
1. **不同喷雾头设计对颗粒物排放的长期影响**，以评估其在实际使用中的稳定性。
2. **颗粒物的毒理学特性**，尤其是纳米颗粒物对呼吸系统的影响，以便更全面地评估其健康风险。
3. **喷雾产品的使用场景**，包括不同环境条件（如湿度、温度）对颗粒物排放和沉积的影响。
4. **消费者行为的多样化**，如不同使用距离、喷雾频率和喷洒方式对颗粒物暴露的影响。

此外，研究还指出，喷雾产品的**配方优化**和**喷雾头设计改进**是降低吸入暴露风险的两个重要方向。通过调整配方成分，可以减少纳米颗粒的生成；而通过改进喷雾头设计，则可以有效控制颗粒物的粒径分布和沉积模式。这些措施不仅可以提升产品的安全性，还能在不影响其使用性能的前提下，满足消费者的实际需求。

综上所述，本研究为化妆品喷雾产品的安全使用提供了重要的科学依据和工程解决方案。通过系统评估颗粒物的粒径分布和沉积行为，结合实际使用条件，研究团队提出了多种有效的控制策略，以降低使用者的吸入暴露风险。这些策略的实施不仅有助于提升产品的安全性，也为化妆品行业的可持续发展提供了新的思路。