《Frontiers in Materials》：Preparation and application of functional hydroxyethyl cellulose hydrogels containing β-cyclodextrin complexes for cosmetic materials
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为解决化妆品活性成分在配方中面临的降解、氧化及潜在皮肤刺激性等制剂挑战，研究人员采用共沉淀法，以熊果苷、烟酰胺和苯甲酸为客体分子、β-环糊精（β-CD）为主体分子，制备了功能性超分子包合物。不同于传统的单组分包合策略，本研究提出了一种新型多组分共递送策略，将多
为解决化妆品活性成分在配方中面临的降解、氧化及潜在皮肤刺激性等制剂挑战，研究人员采用共沉淀法，以熊果苷、烟酰胺和苯甲酸为客体分子、β-环糊精（β-CD）为主体分子，制备了功能性超分子包合物。不同于传统的单组分包合策略，本研究提出了一种新型多组分共递送策略，将多种美白活性成分及一种水溶性差的防腐剂同时包载于单一递送平台。研究人员利用紫外-可见光谱（UV–Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）、质子核磁共振波谱（1H NMR）、热重分析（TGA）及场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）考察了潜在的主-客体相互作用及包合行为。所得包合物随后被载入羟乙基纤维素（HEC）水凝胶基质中，用于配制多功能局部用乳液。所制备制剂呈弱酸性，pH值分别为5.53和5.55，处于普遍认为与人体皮肤相容的pH范围之内。流变学及质构剖面分析表明，该制剂具有假塑性（剪切变稀）行为以及适宜的机械性能，包括硬度、黏附性和内聚性，适用于局部给药。此外，纸片扩散实验表明，含有苯甲酸/β-CD包合物的制剂对白色念珠菌（Candida albicans）具有抗真菌活性。综上，这些研究结果表明，将多组分β-CD包合物整合至HEC水凝胶网络可获得具有功能性化妆品平台应用潜力的制剂。
一、研究背景与目的
皮肤老化和色素沉着是由紫外线（UV）辐射、氧化应激及环境污染物等多种外在因素引起的主要皮肤病学问题。因此，含有美白活性成分的功能性化妆品制剂需求日益增长。然而，许多此类活性成分易发生降解、氧化和光化学不稳定，导致功效随时间降低；此外，高浓度活性成分的使用可能引发皮肤刺激，尤其在敏感性皮肤中更为显著。因此，亟需开发一种既能提高活性成分稳定性又能最大限度减少潜在副作用的高效化妆品递送系统。
包合物技术是克服上述局限性的重要策略之一。β-环糊精（β-CD）作为水溶性环状主体分子，可在其疏水性内腔中包封活性成分，从而保护其免受氧化及热或光化学降解，提高理化与结构稳定性；同时，包合物的形成还可减少活性成分与皮肤的直接接触，潜在降低刺激性。水凝胶因具有高保水能力、生物相容性和良好感官特性，已被广泛研究作为改善包合物性能的基质系统。将β-CD包合物均匀分散于水凝胶网络中，可将水凝胶基质的保湿特性与稳定化的活性化合物相结合，从而提高制剂稳定性与功能表现。
熊果苷和烟酰胺因具有公认的美白功效被选为代表性化妆品活性成分，苯甲酸则作为抗菌防腐剂以提高制剂稳定性。然而，熊果苷随时间易发生降解和氧化，高浓度烟酰胺可能引起轻度皮肤刺激，而苯甲酸作为有机化合物水溶性差，严重限制了其在高含水超亲水性水凝胶体系中的稳定掺入。本研究提出了一种不同于常规单组分包合研究的新型多组分共递送策略，将多种活性剂和一种水溶性差的防腐剂同时整合入结构化HEC聚合物基质中，旨在解决上述制剂难题。
二、研究内容概述
研究人员采用共沉淀法分别制备了β-CD与熊果苷（摩尔比1:1）、烟酰胺（摩尔比1:1）和苯甲酸（摩尔比约2:1）的包合物，并将其载入羟乙基纤维素（HEC）水凝胶基质中，制备了两种功能性水凝胶乳液配方：配方No. 4（含熊果苷/β-CD包合物和苯甲酸/β-CD包合物）和配方No. 5（含烟酰胺/β-CD包合物和苯甲酸/β-CD包合物）。研究人员通过多种表征手段系统评价了包合物的结构特征、理化性质及最终制剂的流变学、质构学、热稳定性和抗真菌活性。
三、关键技术与方法
本研究采用的主要技术方法包括：利用UV–Vis光谱考察包合前后的电子环境变化与特征吸收峰位移；利用FE-SEM观察纯活性成分、β-CD、物理混合物和包合物的表面形貌差异；利用TGA比较包合前后热降解行为的变化；利用FT-IR光谱分析特征官能团变化及分子间相互作用；利用DSC考察特征熔融峰的位移或消失现象；利用1H NMR监测客体分子质子及β-CD内腔质子（H-3和H-5）的化学位移变化。此外，采用锥板黏度计评价制剂的流变学性质，采用质构分析仪进行TPA测试评价机械性能，并通过纸片扩散法评价对白色念珠菌（Candida albicans）的抗真菌活性。所有试剂均为市售分析纯级，未进一步纯化。
四、主要研究结果
4.1 包合物的结构表征
UV–Vis光谱分析显示，熊果苷/β-CD包合物在215 nm和262 nm处出现吸收峰，相较纯熊果苷（220 nm和281 nm）发生蓝移（hypsochromic shift）；烟酰胺/β-CD包合物相较纯烟酰胺（212 nm和262 nm）出现红移（bathochromic shift）；苯甲酸/β-CD包合物相较纯苯甲酸（226 nm和271 nm）发生蓝移。这些光谱位移表明客体分子的电子环境因与β-CD的主-客体相互作用而发生改变。
FE-SEM观察显示，纯活性成分呈现特征性规则形貌，物理混合物中规则与不规则结构共存，而合成包合物则呈现新形成的表面形貌：熊果苷包合物呈棒状聚集结构，烟酰胺包合物呈棱柱状形态，苯甲酸包合物呈矩形结构。这些形貌变化为包合物的形成提供了形态学证据。
TGA分析表明，所有合成包合物相较物理混合物均表现出更高的分解温度和延迟的热降解行为，表明与β-CD包合后热稳定性显著提高。熊果苷包合物的初始质量损失延迟至约177 °C，烟酰胺包合物的第二降解阶段移至约350 °C，苯甲酸包合物的初始质量损失延迟至约130 °C且最终热分解发生在约509 °C。
FT-IR光谱显示，包合物的光谱轮廓主要受β-CD主导，活性成分的部分特征吸收带相对减弱，在O–H伸缩区和指纹区出现强度与轮廓的细微变化，提示氢键和主-客体相互作用导致的分子环境改变。
DSC分析显示，纯熊果苷（约200–205 °C）、烟酰胺（约130–135 °C）和苯甲酸（约120–125 °C）的特征熔融峰在物理混合物中仍存在，但在对应包合物中完全消失，表明客体分子的晶体结构和分子环境因进入β-CD空腔而发生改变。
1H NMR分析显示，包合后熊果苷和烟酰胺的芳香质子信号显著宽化且难以分辨，β-CD伯羟基OH-6信号向高场位移至约δ 4.35 ppm处呈清晰三重峰；苯甲酸的芳香质子信号出现轻微高场位移，而-COOH信号轻微低场位移至约δ 12.97–12.98 ppm。这些化学位移变化支持客体分子与β-CD空腔之间的主-客体相互作用。
4.2 水凝胶乳液的理化性质
两种功能性水凝胶乳液配方的pH值分别为5.53（No. 4）和5.55（No. 5），处于弱酸性范围，与人体皮肤天然pH值高度兼容，有利于保持熊果苷和烟酰胺在弱酸性条件下的化学稳定性。
UV–Vis定性释放实验显示，基础HEC水凝胶和含β-CD水凝胶在测定波长范围内无特征吸收峰，而功能性水凝胶配方（No. 4和No. 5）在浸入蒸馏水后呈现明显吸收峰（No. 4：217 nm和262 nm；No. 5：220 nm和280 nm），表明包埋的活性成分可随水凝胶基质水化释放至周围水相。
SEM观察显示，基础HEC水凝胶呈相对多孔的网状内部结构，而含包合物的水凝胶配方中可见包合物颗粒分布在整个凝胶网络中，表明包合物已成功掺入水凝胶基质。
TGA分析显示，两种功能性水凝胶配方相较基础HEC水凝胶均表现出延迟的主要热降解阶段和更高的分解温度（No. 4：约255 °C；No. 5：约250 °C），表明β-CD包合物的掺入增强了水凝胶配方的热稳定性，这可能与HEC羟基与β-CD外侧羟基之间的分子间氢键作用有关。
4.3 流变学与质构学性质
流变学测量显示，两种配方均表现出非牛顿剪切变稀（假塑性）行为。配方No. 4的表观黏度从5,953 cP降至463.4 cP（降幅约92.2%），配方No. 5从6,284 cP降至278.8 cP（降幅约95.6%）。在100 rpm最高转速下，配方No. 5的表观黏度（278.8 cP）较No. 4（463.4 cP）低约39.9%。低剪切下的较高黏度有助于维持配方一致性，高剪切下的黏度显著降低则有利于涂抹过程中的流动与延展。
质构剖面分析显示，配方No. 4的硬度为68.01 ± 0.314 g，配方No. 5为75.28 ± 0.857 g，差异具有统计学意义（p = 0.0019）；黏附性分别为-44.64 ± 2.122 g·s和-59.40 ± 0.194 g·s（p = 0.0065）；弹性分别为0.960 ± 0.002和0.950 ± 0.002（p = 0.0055）；内聚性分别为0.945 ± 0.006和0.929 ± 0.005（p = 0.0260）。回弹性差异无统计学意义（p = 0.2312）。除No. 5回弹性的变异系数（CV）为15.1%外，其余参数CV值均在0.2%–4.8%范围内，表明测量具有较好的可重复性。
4.4 抗真菌活性
纸片扩散法结果显示，作为阴性对照的基础HEC水凝胶无可检测的抑菌圈，而含苯甲酸/β-CD包合物的两种功能性水凝胶配方对白色念珠菌均表现出可测量的抑菌圈：配方No. 4的抑菌圈直径为0.90 ± 0.05 cm，配方No. 5为1.20 ± 0.08 cm。Welch独立双样本t检验表明，配方No. 5的抑菌圈直径显著大于No. 4（p = 0.0087）。但该差异可能受两种配方整体组成差异的影响，不能单独归因于苯甲酸的抗真菌贡献。
五、总结讨论与研究结论
本研究表明，通过共沉淀法制备的β-CD包合物与HEC水凝胶网络的整合，构建了一种多组分共递送平台，可同时负载多种化妆品活性成分和水溶性差的防腐剂。光谱学、热分析和形态学分析共同证实了主-客体相互作用和包合物的形成。流变学与质构学分析证明该水凝胶配方具有假塑性流动行为和适宜的机械性能。初步体外释放实验定性确认了活性成分在水凝胶水化后可释放至水相。含苯甲酸/β-CD包合物的配方对白色念珠菌表现出可检测的抑菌活性。
然而，本研究存在若干局限性：包合物的产率、客体载药量和包封效率未进行定量测定；释放行为仅为单时间点定性评估，未建立定量释放动力学；抗真菌活性仅针对白色念珠菌进行了评价，未测定最小抑菌浓度（MIC）或最小杀菌浓度（MFC）；未设置游离苯甲酸和未包合物理混合物的对照配方；长期储存稳定性、皮肤安全性及控释功效尚未全面评估。完全包合的确定性验证仍需借助粉末X射线衍射（PXRD）或二维ROESY NMR等更先进的结构表征手段。后续研究应涵盖更多微生物种类、合适的对照配方、定量抗菌测定以及长期稳定性评价，以更全面地评估该水凝胶体系的功能表现和商业适用性。
综上所述，将多种β-CD包合物整合至HEC水凝胶中为在单一配方中组合多种化妆品活性成分提供了一种潜在有效的方法，所开发的配方表现出可测量的理化与流变学特性，并在测试条件下显示出对白色念珠菌的抑菌活性。
