微流控芯片技术在化妆品功效评价中的应用

微流控技术（microfluidics）是一种在微米尺度的流道内对纳升或皮升量级的液体进行操纵或控制的技术，该技术着重于构建微流控通道系统来实现各种复杂的微流控操纵功能，是目前迅速发展的多学科高度交叉的科技领域之一[1-2]。微流控技术既是一种科学也是一种技术，是在化学、生物学、医学、纳米技术、微电子和微机械基础上发展起来的一门全新的交叉学科。

一、微流控技术简介

生命科学的发展已进入一个非常重要的历史时期，生命科学和半导体、微纳机电等领域的结合已是大势所趋。与此同时，半导体和微纳机电等行业也已经把生命科学看成是下一轮创新的关注点，于是有了“微全分析系统”（micro total analysissystems,u-TAS）、生物微机电系统（bio-MEMS）、生命科学集成电路（life science IC）等概念的出现，而微流控芯片及技术已成为这些系统为数不多的关键切入点之一。微流控生物芯片(microfludic chip)，可以把生物和化学实验室的功能，如样品制备、稀释、加试剂、反应、分离、细胞培养和检测等基本操作单元集成或基本集成在一块几平方厘米的芯片上[3]，其主要以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微通道网络为结构特征，流动方式和微通道网络在很大程度上决定了它的功能，灵活的微通道网络设计是微流控芯片基本单元操作设计的一个关键所在。微流控芯片能使多单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。这种集成能够在短时间内分析大量的生物分子，准确获取样品中的大量信息，从而达到样品耗量低、高灵敏快速检测、高通量输出以及可在线自动化操作的目的。

二、微流控芯片技术在细胞生物学中的应用

随着现代生物学研究模式的转化，以细胞为对象的微流控芯片研究已经引起诸多研究者的关注。微流控作为一种在微米尺度的流道内对纳升或皮升量级的液体进行操纵的技术，是目前快速发展的多学科高度交叉的科技前沿领域之一。微流道尺寸（通常10～100μm）与典型的哺乳类细胞尺寸（10～20μm）处于相同量级，并且微尺度下传热、传质较快，所以在微流控系统内容易形成与生理状态相似的细胞培养微环境微流控技术已经被成功地用于包括多种动物细胞系培养。越来越多的研究表明微流控技术将成为各种基于细胞培养实验的一个极其重要的技术平台。微流控芯片是一种高度平行化、自动化的集成微型芯片，具有在数平方厘米的面积上集成成千上万个体积仅在纳升或皮升量级的细胞培养微单元的潜力。

微流控在高通量、微型化和集成化方面的优势吸引了众多国内外的研究小组开展细胞芯研发，芯片上多种单元技术的灵活组合使集成化的细胞研究成为可能，诸如组织胞进样、培养、分选、裂解和分离检测等过程集成于一块芯片上[4]。

三、细胞培养技术在化妆品功效评价中的应用

细胞培养技术始于20世纪初，现己广泛应用于生物学、医学各个领域。近年来，人们对化妆品的要求从以美容为主转向美容与护理并重，进一步发展到以科学护理为主，兼顾美容的效果。基于安全性、功能性和自然性的“绿色化妆品”的开发成为当前化妆品发展的一大趋势。

目前，化妆品科学己渗透到生物学、化学、药学、皮肤生理学等领域。生物技术以其自身的优势及强大的生命力自然介入到了化妆品工业的发展中，细胞培养技术具有经济、快速的特点，既可用来毒性分析，也可进行功能测试，是保证化妆品安全、有效的必要手段，自然也成为化妆品功效评价的手段。细胞培养是指从动物活体体内取出组织，于模拟体内生理环境等特定的体外条件下，进行孵育培养，使之生存并增殖。动物细胞培养技术可模拟人体内的生理环境，研究细胞与细胞之间的反应，细胞与间质之间的反应等，为皮肤生理学、病毒学、免疫学等提供了技术基础。目前许多功能性化妆品中人多采用了天然动植物提取物，以达到美白、抗衰老、祛斑、抗过敏等功效，这就需对活性原料进行预筛选。

四、微流控芯片细胞实验室在化妆品功效评价中的应用

成纤维细胞是皮肤真皮中的主体细胞成分，它与自身分泌的胶原纤维、弹性纤维及基质成分一同构成了真皮的主体[5]。成纤维细胞的主要功能是：合成和分泌胶原纤维、弹性纤维、基质大分子物质和某些生长因子，成纤维细胞还具有黏附特性和趋化性，对维持皮肤的弹性和韧性具有重要作用，成纤维细胞的减少也是引起皱纹产生的重要原因。已有大量的研究证明成纤维细胞因其特有的生物学特性改变，在皮肤老化过程中扮演着重要角色[6]。

我们将成纤维细胞在微流控芯片实验室内进行培养，可以直观地观察功效添加剂对细胞生长形态的影响，快速测定于抗衰老功效检测的靶位点羟脯氨酸的含量、I型胶原纤维的含量，达到对化妆品原料快速、高效、高通量的筛选评价[7-8]。

黑素细胞是合成和分泌黑素的树枝状细胞，位于表皮和真皮交界处，每个黑素细胞与其周围约36个角质形成细胞在结构和功能上存在着密切的联系，形成了表皮黑素单位。黑素细胞几乎遍布所有组织，最常见于表皮、毛囊等处。黑素分为优黑素和褐黑素两种，其生物合成是一个由酪氨酸酶催化体内酪氨酸氧化而启动的一系列生化反应过程。酪氨酸酶是黑素生成的限速酶，其数量和活性决定着黑素生成的速度和产量。因为黑素是决定皮肤颜色的主要色素，关于黑素细胞及黑素生物合成调控问题的研究已成为近几年来科研的热点之一。但黑素细胞是人表皮中数量最少的一种细胞，与成纤维细胞相比，黑素细胞的分离、纯化、扩增比较困难，曾限制了对其生理功能的研究以及在化妆品领域中的应用。目前己经可以成功培养黑素细胞。利用酶将表真皮分离，并用特定的选择性培养基，获得纯度高的黑素细胞，并进行各种方面的研究，这已成为美白化妆品活性筛选的重要的工具。目前美白化妆品主要是采用酪氨酸酶抑制剂抑制其活性，来降低细胞内黑素的生成。B16 黑素细胞株是用细胞黑素生成研究的典型细胞株，可以精确定量细胞的黑素含量。

在微流控芯片细胞实验中，我们可以对美白相关的靶位点，比如黑素含量、酪氨酸酶活性、酪氨酸酶相关蛋白1/2、蛋白酶激活受体等进行同时的检测，对功效添加剂的美白功效进行综合的全面的评价[9]。

肥大细胞是有造血祖细胞衍化而来的，广泛存在于结缔组织，皮肤上皮下方尤其多，其细胞较大，细胞质内含有嗜染性的粗大颗粒，当受到免疫学和非免疫学的刺激，细胞内储存的媒介物质（组胺、肝素、蛋白酶类等）将被释放出来参与多种免疫反应和炎症反应。在微流控细胞室内对肥大细胞脱颗粒进行观察并计算其数量，测定其组胺的释放量，对添加剂的抗过敏功效进行评价。

【参考文献】

[1] Song,H.,Tice,J.D.&Ismagilov,R.F.A microfluidic system for controlling reaction networks in time.Angew.Chem.Int.Edn Engl.42,768－772(2003).

[2] S tone,H.A.;Str oock,A.D.;A jdari,A.,E ngineeringfl owsin s mallde vices Microfluidicsto warda la b-on-a-chip.Annual Reviewf Fluid Mechanics 2004,36,381-411.

[3] 林柄承，秦建华. 微流控芯片实验室. 北京：科学出版社，2006，71-73.

[4] 方肇伦. 微流控分析芯片. 北京：科学出版社，2003

[5] 吕莹，蒋献. 紫外线对人成纤维细胞的影响[J]. 国际皮肤性病学杂志，2006,32（2）:130-132.

[6] Piérard GE;Piérard-Franchimont C. From cellular senescence to seven ways of skin aging[J]. Revue Medicale de Liege ,1997,52:285-288.

[7] John F. Hansbrough;Christine Doré;Wendy B. Hansbrough Clinical trials of a living dermal tissue replacement placed beneath meshed, split-thickness skin grafts on excised burn wounds[J].Journalof Burn Care and Research 1992,3(5):519.

[8] 倪建华. 长波紫外线对人体皮肤成纤维细胞的影响. 上海预防医学杂志,2004,16(8):365-367.

[9] 王奕，王静凤，张瑾，等. 日本刺参胶原肽对B16黑素瘤细胞黑素合成的影响[J]. 营养学报，2007,29（4）:401-404.

[10] 秦建华，刘婷姣，林炳承. 微流控芯片细胞实验室. 色谱2009,27（5）:655-661.

展望

微流控芯片技术自20世纪九十年代出现以后，随着生物、材料、化学、物理工程、电子工程等学科的介入，目前已取得了巨大的发展，其最终目标是建立多功能芯片实验室。微流控芯片技术正以其独特的优势越来越多地用到细胞生物学研究中，进而应用到细胞相关的化妆品功效评价中。目前微流控芯片大多处于实验室概念化论证阶段，尚未达到理想的商业化和通用化程度，但随着现代相关技术的发展，微流控芯片技术将会更有效地应用于化妆品工业，对化妆品的功效评价也越来越科学准确，这将有力地促进新型、安全、高效的化妆品的研发和应用[10]。