紫外线照射下,氧化锌对防晒成分功效和毒性的影响（二）

原文：Aurora L. Ginzburg,Richard S. Blackburn,Claudia Santillan,Lisa Truong,Robyn L. Tanguay, James E. Hutchison. Zinc oxide‑induced changes to sunscreen ingredient efficacy and toxicity under UV irradiation.Photochemical & Photobiological Sciences (2021) 20:1273–1285

摘要：防晒霜的安全性和功效通常是根据配方中个别化学物质的特性来评估的。然而，防晒霜的光稳定性已经被证明高度取决于其中的化学物质混合物。为了更好地了解防晒配方如何影响稳定性，并为探究氧化锌添加剂的影响奠定基础，本研究配置了5种不同的基于小分子的紫外线过滤（UV-过滤）混合物，防晒系数 (SPF) 为 15。在紫外线照射两小时后评估了这些混合物在氧化锌不存在和存在下的光稳定性和毒性。对于所有五种不含氧化锌的小分子混合物，UV 吸光度的变化很小。而微米级或纳米级氧化锌的存在导致显著的小分子光降解，并且降解的混合物在胚胎斑马鱼试验中表现出更高水平的毒性。这项研究表明，在配制同时含有氧化锌和小分子紫外线过滤剂的防晒霜时必须小心谨慎，以避免在使用过程中产生意外的后果。

《紫外线照射下,氧化锌对防晒成分功效和毒性的影响》（一）请查阅happi China 2月刊。

3、结果与讨论

3.1 含有小分子的UV过滤混合物
5种不同的基于小分子的紫外线过滤混合物的SPF值为15（配方详细见表1，紫外线过滤分子结构见曲线图1）。这些混合物是根据对美国和欧盟市售产品的重要市场审查而设计的；使用瓶子上的成分信息，我们确定了最常见配方类型的趋势，然后根据典型的成分组成配制混合物。混合物 1 代表了一种商业上用于“运动”应用的配方，在欧盟和美国的市场上都很常见。混合物 2 和 3 代表一种“运动”乳液，其中还包含在欧盟批准但未在美国批准的紫外线过滤剂（二氧化钛和 DHHB）。混合物 4 代表了在美国和欧盟市场上发现的典型防晒产品，结合了许多紫外线过滤剂（通常是为了达到高 SPF，但在这里它们的浓度有意降低以使混合物之间的 SPF 正常化）。混合物 5 代表了一种适用于过敏性皮肤的配方，使用了欧盟（而非美国）提供的过滤剂。

如2.2节所述，所有混合物均用二甲基亚砜配制。值得注意的是，过去的研究发现，紫外线过滤剂光降解的程度与溶剂有关，极性溶剂通常被报道为比非极性溶剂更稳定，因此，如果我们使用非极性溶剂20，甚至可能会导致更大的降解。尽管 DMSO 具有极性（和稳定作用），但混合物的稳定性取决于配方，因为依赖于身份的紫外线过滤剂彼此之间的相互作用可以促进或阻碍光降解46。在活性成分为7 ~ 18%范围内，在紫外照射120 min内，当奥克立林的比例足够高以保护阿伏苯宗免受光降解时，混合物是稳定的。过去的工作发现，奥克立林可能通过淬灭阿伏苯宗 β-二酮异构体（在辐射时形成）的激发三线态来阻碍阿伏苯宗的光降解；但是，其他稳定过程也可能发生46。当阿伏苯宗：奥克立林的比例大于混合物 1 时，我们确实观察到了光降解（见图 S2）。

混合物 1-5 用太阳模拟器照射，使用代表晴朗天气的条件，详见第2.3节。 辐照混合物和未辐照对照在 DMSO 中稀释，然后与 99 份 IPA 或 UP 水混合。 UV-Vis 光谱在 99:1 IPA/DMSO（图 1）和 99:1 水/DMSO（图 S3-S4）中收集。在水/DMSO 样品中，我们观察到高基线轨迹，这是散射特征，表明该溶剂系统没有完全溶解所有化学品。因此，在两个溶剂系统中检查光降解，每个系统提供不同的信息。 IPA 溶解了所有混合物成分，从而提供了化学降解的完整图片，而 99:1 水/DMSO 系统显示了斑马鱼胚胎在毒性测定过程中所经历的化学暴露。总的来说，两种溶剂系统的结果表明混合物大多是光稳定的，但是，IPA/DMSO 中的结果更容易解释，因为溶液是均质的。

紫外可见吸收光谱为评估紫外过滤剂提供了信息，因为它们不仅提供了成分降解的数据，而且还提供了产品性能。小分子防晒霜的功效可以通过其紫外可见吸收来确定。防晒产品应该在整个UV-A和UV- B区域(280-400 nm)都有良好的吸收能力，如果混合物是光稳定的，那么在暴露于紫外线照射后，吸收光谱不应该减少或改变形状。

对混合物 1-5 收集的紫外可见光数据表明，尽管这些混合物含有已知会单独进行光解的阿伏苯宗，但几乎没有光降解20、30。 这些发现表明，市售的小分子配方是这里研究的配方的基础，其配方的成分比例可以最大限度地减少光降解。 五种混合物中每一种中奥克立林的存在都可能具有显着的稳定作用，从而阻碍了光解作用28。

我们最初并没有预料到奥克立林会产生如此大的影响，因为过去的工作表明，即使在充分稳定的情况下，仍然会发生适量的光解作用（例如，在奥克立林存在下，阿伏苯宗的光解率约为 16%）20。 然而，当所有其他参考文献使用高度不同的辐照条件和溶剂时，很难进行直接比较。

通过各种浓度的体内斑马鱼试验筛选各个紫外线过滤剂，以确定对动物发育产生影响的适当剂量。 基于这些研究，我们根据混合物选择了介于 0.00142% 和 0.003%（紫外线过滤剂的重量/溶液的重量）之间的剂量。 辐照混合物的测试浓度始终与其未辐照对照品的浓度相同。

将斑马鱼暴露在每种混合物中5天，并监测了22个发育终点。由于光降解和随之而来的降解毒性对这些混合物来说是微不足道的，因此发展结果在图2中被聚合成一个单一端点。y轴表示辐照和未辐照混合物的毒性差异。在这种情况下，“毒性”是一个单一端点，它是鱼经历的所有形态和死亡影响的总和。我们对数据进行了汇总，因为差异如此之小，以至于观察一个形态或死亡率终点并不能提供足够的信息。

 
毒性数据与光谱数据吻合较好。混合物1 - 5不含任何矿物紫外线滤光剂，紫外线照射后，配方的紫外线吸收特性（如图1中的光谱所示）和毒性（如图2中的数据所示）差异极小。照射后，只有混合物1的毒性变化为> 10%。混合物2-5的毒性差异都很小，为±8%。即使对于混合物1，考虑到这是一个综合终点，25%的毒性差异也是微乎其微的。

需要注意的是，刚刚描述的一组实验是在化学紫外线过滤剂的混合物上进行的，不含润肤剂、表面活性剂和防腐剂等乳液中的非活性成分。以这种方式设计实验以关注紫外线过滤剂的性质。我们最初也开始配制补充乳液，但初步结果表明，在这项工作的范围内，不可能从乳液中获得可靠的光降解数据。配制乳液的挑战在于它们的降解高度依赖于薄膜厚度。我们配制了一种通用的身体乳液基质（见 2.2 节），并在加热之前将有机活性物质添加到油相中36。

3.2含有小分子和氧化锌的紫外过滤混合物
氧化锌粒子的存在可能会影响基于小分子的防晒霜的性能，氧化锌粒子的存在可能是通过有意混合在混合防晒霜中（包含小分子和矿物紫外线过滤剂），或者是通过混合使用化妆品和/或不同的防晒霜时的偶然混合。虽然已有文献证明金属氧化物颗粒可以产生ROS并诱导小分子降解15-17，但很少有人关注这可能如何影响防晒霜的毒性。为了研究这一点，我们将两种不同大小的氧化锌颗粒加入到一种小分子紫外过滤剂混合物中。在本研究中检测的五种小分子混合物中，混合物1是目前市场配方中最具代表性的，在美国和欧盟市场都有相关性，因此我们使用这种混合物作为氧化锌颗粒研究的模型。

使用混合物 1 检测两种不同尺寸的氧化锌颗粒：尺寸范围为 200-1000 nm 的微粒和尺寸 < 100 nm 的纳米颗粒。据报道，这两组氧化锌都是通过高温气化合成而来的，两者都没有被包覆。这些颗粒被添加到混合物中，比例为6% (w/w)，这是混合防晒霜的典型用量。粒子后，120分钟的混合物暴露在紫外线照射,然后测量他们的紫外可见光谱(图3)。由于这些粒子不形成一个同质的解决方案与异丙醇或水,基线的细微差异可以归因于解决异构性的粒子。

紫外线照射后，较低的能量吸收峰（350–400 nm）消失；这与阿伏苯宗降解一致17,20。阿伏苯宗是混合物 1 中唯一存在的长波 UV-A 吸收小分子，因此显然阿伏苯宗的结构发生了变化，导致混合物的 UV-A 吸收损失。已知阿伏苯宗会发生酮-烯醇互变异构，其中其烯醇形式（UV-A 吸收剂）转化为二酮形式（UV-C 吸收剂），然后可以进行各种裂解反应20,27。光谱变化可能是由于阿伏苯宗互变异构而不是任何分子裂解，但将光谱数据和毒性数据（图 4）放在一起表明情况并非如此。由于在添加氧化锌之前我们没有观察到光稳定性的重大变化，因此很可能紫外线照射在氧化锌中产生电子空穴对，导致 ROS 的产生16和随后的阿伏苯宗氧化降解。吸收 280-350 nm 光的额外混合物 1 紫外线过滤剂也可能被 ROS 降解，但它们重叠的光谱特征排除了从这些数据中得出任何结论的能力。

UV-A 保护系数 (UVAPF) 是使用 ISO 24443:2012 计算的，这是一种用于确定防晒剂 UV-A 保护的体外方法48，使用 320 到 400 nm 之间的测量吸光度值并根据光程和浓度进行校正用于微孔板测定。测定因紫外线照射引起的 UVAPF 的百分比变化。对于混合物 1，添加氧化锌微粒导致 UVAPF 损失 91.8%；而氧化锌纳米颗粒造成 84.3% 的损失。这与混合物 1 本身形成鲜明对比，后者仅显示出 15.8% 的 UVAPF 损失。混合物 1 + 氧化锌 仅包含 6% 的氧化锌，相对于市场上含有氧化锌 作为唯一紫外线阻隔剂的防晒霜（通常为 12-24%），该浓度较低。因此，一旦混合物 1 中的有机过滤剂降解，我们的混合物中的氧化锌颗粒就不能安全地保护皮肤免受 UV-A 的伤害。结果摘要和计算说明可在支持信息中找到。

除了显著降低UV-A的保护作用外，将氧化锌 +混合物1暴露在阳光下也会产生有毒的光降解产物，从而增加危害（图4）。实验设计和对照表明，这种毒性不是纯无机颗粒或紫外光造成的。相反，我们可以明确地说氧化锌会诱导有毒光降解物的产生。这得到了对照实验的支持，这些实验表明仅观察到有机和氧化锌组分的毒性很小（图 4C 和 D）。图 4 中的面板 C 表明，在紫外线照射后，混合物 1 的毒性略有增加，如3.1所述。图 D 显示紫外线可能对氧化锌颗粒造成了少量损伤，从而使它们更具毒性；这可以通过蚀刻它们和/或浸出有毒的锌离子来实现49。图 4 中 A 和 B 组的结果与 C 和 D 组没有相加，但由于氧化锌诱导的小分子光降解，毒性明显增加。图 3 中每个光谱中橙色和蓝色轨迹之间的显着差异进一步表明了这一点。体内监测的 22 个端点提供了一种综合方法来识别集成系统中的发育效应。观察到的形态畸形提供了对这些混合物的生物学目标的深入了解。研究这些目标有助于指导未来对毒性机制的任何调查。因为我们观察到高发生率的形态学效应而不是死亡率，所以毒性机制可能与生物信号系统的变化有关。

4、结论

这项研究的目的是确定某些防晒成分或配方是否会发生光降解，从而对人类和/环境有害。我们惊讶地发现，所有5种市场上的小分子紫外线过滤混合物大部分都是光稳定的。这些结果表明，在正常使用条件下，小分子配方防止紫外线损伤的能力不会改变。这可能是因为活性物质的比例已经在工业上进行了优化，以最大限度地减少光降解，尽管文献中尚未报道此类发现。在体内分析过程中进一步观察到这种小分子混合物的稳定性，这表明紫外线照射后生物影响的差异很小。然而，当研究广泛使用的小分子制剂与适量的氧化锌颗粒（6%；市场推荐值为 5-24%）时，观察到光稳定性和光毒性的显著差异。纳米颗粒和微颗粒氧化锌都会降解有机混合物，并导致有机过滤剂 UV-A 保护的损失 > 80%。此外，氧化锌诱导的光降解产物导致斑马鱼形态缺陷的显著增加。这些结果表明，氧化锌颗粒可能会以目前尚未认识到的方式增加防晒霜的毒性。

结果表明，含有氧化锌和小分子紫外滤光剂的配方能发生光化学反应，导致两种不同类型的有害效应；由于有机紫外线过滤剂的降解，它们可能会显著降低对UV-A的保护，并且它们会产生诱导毒性的光降解产物。在美国防晒霜中，UV-A 保护的丧失尤其成问题，因为清单上批准的过滤剂很少；只有阿伏苯宗和氧化锌经常用于美国商业防晒霜中的长波 UV-A 保护50,51。这一发现促使需要确定可在美国批准使用的其他 UV-A 吸收剂。一些欧洲成分如二氧化钛和 DHHB 显示出良好的光稳定性4，52，目前还没有报道有毒的光降解产品。希望通过对有希望的化学品的持续研究，美国批准的紫外线过滤剂的管道能够得到加强。即使在最好的情况下，新的紫外线过滤剂最终比当前选择性能更好、更安全，获得监管部门的批准也是耗时且昂贵的51。同时，还需要进一步研究包覆氧化锌的各种结构的光毒性。先前的工作表明，二氧化钛颗粒的光催化活性可以通过用二氧化硅或氢氧化铝包覆它们来降低20，因此类似的策略可能有助于最大限度地减少氧化锌诱导的光降解。

纳米氧化锌颗粒和非纳米氧化锌颗粒在紫外线照射下均具有毒性。作为一个专门研究纳米颗粒毒性的团队，这些结果对我们来说并不奇怪。我们怀疑，这些结果会让许多消费者感到惊讶，他们被矿物质防晒霜上的“非纳米”标签所误导。我们的研究结果表明，任何尺寸的金属氧化物颗粒都可以有活性表面位点，无论它是否小于100 nm(通常被确定为“纳米”尺寸)。比金属颗粒尺寸更重要的是金属特性、晶体结构和任何表面包覆15。我们承认在产品标签上包含这些属性是不切实际的，然而，通过专注于颗粒大小的营销策略来误导公众对安全的认识是不恰当的。鉴于欧盟最近通过吸入将二氧化钛粒子纳米粒子归类为可疑致癌物，这一点尤其重要，这一变化可能会推动市场在化妆品中用更大的二氧化钛粒子或氧化锌替代二氧化钛粒子。考虑到这项工作的结果，以及纳米尺寸的氧化锌也存在吸入危害的可能性，配方设计师应该对快速、广泛的配方修改保持谨慎，除非有证据表明特定的金属氧化物尺寸、成分或结构可以改善产品性能和安全。


在我们的测试中，我们考虑了与在柜台上购买的既含有氧化锌又含有小分子紫外线过滤剂的防晒霜的比较。然而，市场产品对每种成分使用水平的信息有限，特别是在欧盟，而防腐剂、香料和其他添加剂的加入会使结果复杂化。此外，在这些市场产品中，没有规定任何矿物颗粒的大小和任何潜在的涂层。最后，配方日期和瓶子可能接触到的任何条件都可能影响配方的稳定性，从而增加了稳健测试所需的样品数量。由于这些原因，我们认为会有太多的参数来有意义地解释市场产品的结果，并对本文所研究的混合物进行定量或定性比较。进一步研究市场配方的紫外线稳定性将是有用的，但前提是可以获得市场配方的完整细节。

这项研究发现，混合防晒活性成分本身是安全的，但在紫外线照射后会降低混合物的安全性。到202953，全球防晒霜市场规模预计将达到244亿美元，消费者也在关注配方成分6，因此，防晒霜的设计不能被消费者的需求所左右，而应以科学数据为指导。

虽然消费者的担忧导致了一些积极的改进，比如广谱保护标签54，但它们也使误导营销成为可能，比如推广“无化学成分”的防晒霜。此外，SPF标签不仅仅包含在防晒霜中，现在，它们经常出现在一系列日常使用的化妆品产品上，如面部保湿霜、液体粉底和粉底。目前，还没有意识到混合产品可能会增加产品毒性。我们担心紫外线过滤剂(特别是金属氧化物颗粒)的日益普及，加上防晒霜光毒性研究的缺乏，尤其是配方产品，很可能导致产品产生意想不到的后果和令人遗憾的化学替代品55。我们观察到光降解产物导致对斑马鱼的混合物毒性增加，从而表明降解物引入水生生态系统可能对环境有害。希望这项工作可以让人们意识到紫外线过滤剂的一些危害，并警告不要将它们广泛应用于防晒并不重要的产品中，特别是直到有更多的信息表明如何设计防晒产品，使其能够降解，而不会导致成分毒性的增加。

总体而言，需要开展更多研究防晒配方光稳定性和光毒性的工作，以指导安全有效配方的设计和批量生产。此类稳定性和毒性研究应为任何防晒霜的重新配方或紫外线过滤政策的变化提供信息，从而避免令人遗憾的化学替代。

部分参考文献可查阅《happi China国际个人护理品生产商情》2022.2月刊，或登录荣格工业资源网查阅完整版。

来源：荣格-《国际个人护理品生产商情》

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