综述：生物光子学中的人类皮肤模型：材料、方法与应用

本综述系统梳理了人类皮肤模型在生物光子学领域的最新进展，涵盖皮肤光学特性（如吸收系数μa、散射系数μs'和折射率n）的复现策略，重点解析材料选择（如PDMS、PDA）、多层结构设计及3D打印技术应用，为光-皮肤相互作用研究、个性化诊疗设备开发及动物实验替代提供标准化平台。

　　

摘要

人类皮肤的光学特性（包括光吸收、散射和反射）在生物光子学应用中至关重要，例如诊断、成像和治疗。为了在体外复制这些复杂特性，光学皮肤模型通过模拟皮肤层的光学行为，减少对动物实验的依赖，并为研究提供标准化平台。本综述概述了皮肤的基本光学属性、材料选择原则（如吸收剂、散射剂和基质材料），以及基于结构和功能复杂性的模型分类策略，同时探讨了光-皮肤相互作用研究和多物理模型的创新应用。

1 引言

作为人体最大的器官，皮肤是生物体与外界环境的界面，具有感知、温度调节和物理防护等功能。其结构分为表皮（epidermis）、真皮（dermis）和皮下组织（hypodermis），各层具有独特的生理和光学特性。表皮主要由角质细胞构成，内含黑色素细胞产生黑色素（melanin），负责吸收有害紫外线（UV）；真皮以胶原蛋白和弹性纤维为主，主导机械强度和光散射；皮下组织则含脂肪组织，光学贡献较小。皮肤微生物组也在免疫防御中发挥作用。

在体研究皮肤面临伦理和技术挑战，因此体外皮肤模型（或皮肤幻影）的需求日益增长。这些合成或天然结构通过模拟皮肤物理特性（如光学、机械和热学性质），在可控环境中实现可重复测试，降低成本并减少动物实验。光学皮肤模型尤其适用于生物光子学领域——研究光与生物组织相互作用的学科。它们专为模拟皮肤的吸收、散射和反射特性而设计，广泛应用于激光治疗、光动力疗法、成像校准（如OCT和漫反射光谱）以及化妆品开发。

2 人类皮肤：光学特性

皮肤的光学行为由其光学参数定义：折射率（n）决定光速变化，吸收系数（μ_a）量化光吸收深度，散射系数（μ_s'）描述散射方向性，各向异性因子（g≈0.9）反映散射角度分布。

• 折射率：皮肤表面皮脂层的折射率（n≈1.5）高于空气，导致4–7%的入射光在界面反射（菲涅尔方程）。不同皮肤层的折射率差异进一步影响光传播路径。
• 吸收：表皮层以黑色素为主要吸收剂，其浓度决定肤色（Fitzpatrick分型）并影响紫外-可见光吸收；真皮层以血红蛋白（hemoglobin）为核心吸收体，在400–600 nm波段呈现特征吸收峰；皮下组织吸收可忽略。实测μ_a值在400–1000 nm波段因个体差异和测量方法存在显著波动（FST I-II：0.02–0.98 mm^?1）。
• 散射：真皮层主导散射效应，米氏散射（Mie scattering）由胶原纤维（波长>650 nm时）和瑞利散射（Rayleigh scattering）由细胞核等微结构（波长<650 nm时）引起。散射系数μ_s'同样呈现高变异性（FST I-II：1.18–2.80 mm^?1）。
• 光学特性变异：皮肤厚度、色素沉着、水合状态和部位差异显著影响光学参数，例如深肤色导致脉搏血氧测量误差或激光治疗挑战，凸显个性化模型的重要性。

3 复现皮肤：基本原理与材料

光学皮肤模型通过基质材料（matrix materials）和添加剂（additives）的组合模拟皮肤特性：

• 基质材料：
  • 合成材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）具高耐用性、折射率（n≈1.43）接近生物组织（n≈1.4），但疏水性限制添加剂整合；环氧树脂（epoxy resin）易加工但刚性高；聚乙烯醇（PVA）具生物相容性但稳定性差。
  • 生物材料如琼脂（agar）和明胶（gelatin）更贴近真实皮肤，但易脱水且寿命短。
• 添加剂：
  • 吸收剂：聚多巴胺（PDA）模拟黑色素宽带吸收，咖啡（coffee）和印度墨水（India ink）提供简易替代方案，但光谱匹配性有限。
  • 散射剂：二氧化钛（TiO₂）替代