近年来，全球化妆品行业高速蓬勃发展，不断涌现的创新技术与前沿方法持续引领着化妆品原料与配方的革新，成分更复杂、功能更多样化的新产品应运而生。这些变化不仅极大地丰富了市场供应，同时也对相关产品的检测与监管工作提出了新的要求。化妆品安全性和功效性检测的重要性不言而喻。因此，为积极响应我国“两品一械”（涵盖药品、化妆品及医疗器械）新法规的全面落实，并紧跟全球化妆品产业最新动态，研发并推出更加严谨、高效的化妆品原料评价方法已成为当务之急。

已知皮肤是我们人体最大的器官，由表皮、真皮和皮下组织三部分构成。作为保护人体的第一道防线，皮肤经常直接接触多种化学和生物物质，包括化妆品、紫外线、病原体、环境污染物、微生物和洗涤剂等，从而引发如炎症、过敏反应、衰老和癌症等问题。因此，为评估某些原料的安全性或检测化妆品的功效性，需要进行皮肤测试。

图1 皮肤衰老的相关作用机制（图片来源网络）

此前，通常借助动物皮肤代替人体皮肤进行实验。2019年，美国环境保护局宣布将从2035年开始停止支持使用哺乳动物进行安全性测试的研究。随着“3Rs原则”（reduction，replacement，refinement）的提出，越来越多的国家考虑到动物福利，倡导尽量减少动物实验。而且小鼠与人体皮肤厚度和毛发均存在明显差异，除脚垫之外没有汗腺。因此，开发稳定、能够模拟人类的体外皮肤模型以替代化妆品行业中传统的动物实验变得尤为重要。

体外皮肤模型的发展始于20世纪40年代，最初的尝试源于对成年哺乳动物皮肤上皮的体外培养。1975年，科学家们开发出了使用成纤维细胞的二维皮肤模型；随后的第二年，首个三维皮肤模型问世，这一模型更接近真实皮肤的结构和功能。自那以后，研究者们陆续开发出多种类型的人类皮肤等效物，这些模型被广泛用于评估化妆品的安全性和功效性，有效推动了化妆品行业的科技进步和动物福利的提升。

其中，人体体外皮肤模型的发展可以概括为几个具有代表性的阶段：二维皮肤模型（2D细胞培养）、三维皮肤模型、皮肤类器官（Organoids）、器官芯片（Organs-on-chips，OOC）、3D生物打印、传统皮肤芯片（skin-on-chip，SoC）和新型皮肤芯片。

2D细胞培养一直是培养细胞的常用方法，这种模型主要涉及在平板培养基上培养皮肤细胞，操作简单，成本较低，便于观察细胞行为和进行基础的毒理学实验，但不能模拟皮肤的三维结构，且缺乏细胞-细胞或细胞-基质之间的交流相互作用，因此生理相关性较低。

在2D细胞基础上，三维皮肤模型将细胞、细胞生长因子、再造基质蛋白以及适合的骨架混合在一个体系中进行共同培养，更贴近真实的皮肤结构，能够模拟表皮和真皮层的相互作用，提高了模型的生理相关性。但三维皮肤模型缺乏血管系统，易出现营养和代谢物交换受限、药物渗透和分布不真实、炎症和免疫反应模拟不足及修复再生能力有限等缺点。

类器官（Organoids）和器官芯片（Organ-on-a-chip）是两种先进的生物模型，用于研究人体器官的功能、疾病发展以及药物测试，但其构建和应用方式有所不同。

类器官是一种三维细胞结构，由来源于干细胞或器官特定干细胞的细胞在体外培养而成，能够模拟真实器官的微观结构和功能。类器官广泛应用于疾病建模、生理功能研究和药物筛选等领域。但可能缺乏完整的血管系统，难以完全再现器官的所有生理和病理功能。

图2 构建皮肤类器官的主要细胞来源（图片来源网络）

器官芯片是一种微流控芯片，通过在微型芯片上构建生物活性的微型环境来模拟人体器官的生理和机械功能。芯片通常由透明聚合物制成，内部含有微型通道，可以流动细胞和培养基，模拟血液流动等生理条件，精确控制细胞环境和外部物理条件，如流体力学和机械压力。然而，器官芯片虽然可以模拟单个或多个器官的相互作用，但构建复杂的多器官系统仍具挑战性。

图3 不同细胞构建的器官芯片

3D生物打印将3D打印与生物医学结合起来，利用医学成像技术如核磁共振或断层扫描获得三维数据，活细胞和生物材料作为“生物墨水”，层层精确堆砌得到3D结构。与传统模型相比，3D生物打印显示出更高的灵活性、可重复性、分辨率以及能够进行大规模培养的能力。但该模型同样因缺乏血管系统存在部分缺点。

微流控皮肤芯片是一种利用微流控技术模拟人体皮肤结构和功能的实验平台。这种芯片包含微小的流道和腔室，可以通过控制参数如培养基流动、机械力、生物化学物质的浓度梯度等模拟真实人体皮肤的三维培养微环境。精确控制流体的流动和环境条件，我们就可以在芯片上培养皮肤细胞，研究细胞间的相互作用、药物输送和病理状态。微流控皮肤芯片应用范围广泛，包括药物筛选、毒理学测试、疾病模型研究以及化妆品安全和功效评估等。这种技术通过减少对动物实验的依赖，不仅提高了实验的伦理性，还能提供更精确、更具人体相关性的研究结果。

图4 微流控芯片结构示意图

皮肤芯片目前主要有两种制作思路：

1. 转移皮肤芯片：将供体的皮肤活检或人体皮肤等效物（human skin equivalents，HSEs）引入微流控系统，通过系统下方培养基动态培养。这类芯片直接采用供体的皮肤样本，操作简便，但个体差异和体外存活问题不容忽视。
2. 原位皮肤芯片：在微流控系统内部直接培养成纤维细胞和角质形成细胞等，以此形成皮肤模型。该法通过统一的细胞培养减少了来自不同供体的个体差异和对供体皮肤的损伤，但培养周期较长，成本高，所生成的皮肤模型与真实人体皮肤之间仍存在一定差异，仍需不断改进。

图5 皮肤芯片侧视图

此外，根据制备材料的不同，皮肤芯片被分为多种类型，我们将在后续推文中进行详细介绍，今天一起来看看新型微流控皮肤芯片在化妆品安全和功效评价中的应用吧！

化学刺激评估

微流控皮肤芯片在安全性评估中主要作用于皮肤致敏性和刺激性试验的毒理学评价。

Jong Seung Lee 等构建了一种皮肤-神经和皮肤-肝脏复合模型人体皮肤芯片，该芯片结合了钙成像以监测神经元活性、GSH/ROS分析评估肝脏毒性的分析技术，可实时定量分析皮肤对化学物质的致敏性及化学物质的潜在肝毒性，达到精确评估化学物质对皮肤毒理学影响的目的。

Jing Zhang 等通过在微流控系统中直接培养和分化人类角质形成细胞构建出一款高度仿真表皮芯片，并对10种已知的毒性和非毒性物质进行体外细胞毒性刺激测试，深入分析评估炎症因子的释放。该皮肤芯片可以作为体外皮肤刺激评估的有效替代工具。

图6（a）混合皮肤模型单元设计和六单元并联全芯片；（b）高仿真表皮芯片结构

Mc Cormick 等利用微流控技术和可透过紫外线（UV）的石英基底装置构建暴露于多种不同外部条件的多通道皮肤芯片，测定单参数暴露（UV或纳米二氧化钛）和多参数暴露（UV和不同浓度的纳米二氧化钛）下人表皮细胞（HaCaT）的毒性反应。

图7 不同紫外线曝光方法的图示：（a）生物安全柜顶部向下的紫外线照射96孔板；（b）光台底部向上的紫外线照射微流控芯片；（c）为孔板照片；（d）为微流控设备照片

有效成分筛选

化妆品开发过程中，有效活性成分的筛选需要花费大量时间，微流控平台的开发能够有效提升筛选效率。Chen 等在芯片上培养真皮成纤维细胞球体（dermal fibroblast sphere，DFS），而后将不同浓度的维生素C加入微室，探究其对DFS产生I型胶原蛋白和纤维连接蛋白的影响。该方法能够在3天内高效地筛选出维生素C对蛋白质合成的作用。此外，该芯片能够对12种不同的成分或组合进行高通量筛选，极大地缩短了化妆品的研发周期。

图8 支持真皮成纤维细胞球培养的四联体芯片

透皮吸收

透皮吸收实验可以测试化妆品中活性成分能否有效穿透皮肤并达到预期的皮肤层，从而发挥作用效果，包括在体内的积累情况及可能的副作用，对于证明产品的功效声明、确保成分安全至关重要。Franz扩散池法是目前最常用的透皮吸收测试方法，它使用双室系统，一室装有待测试化妆品，另一室装有接收介质。两室之间通过皮肤（可以是动物皮肤或人体皮肤）隔开。测量从供给室通过皮肤到接收室的活性成分迁移量，评估待测物的透皮吸收能力。

但Franz扩散池法不能模拟皮肤的生理环境，如血液供应和代谢活动，导致实验数据与实际情况出现偏差。且动物皮肤与人类皮肤在结构和功能上存在差异，可能涉及伦理问题。采用皮肤芯片不仅可以避免伦理问题和物种间差异，还能更有效地模拟皮肤微循环，多通道系统允许同时多个样品的测试，大大提高实验效率和准确度。

Bajza等所开发的基于聚二甲基硅氧烷的微流控芯片可用于局部化妆品经皮吸收的体外/离体监测，并可以根据具体需求部分改装。实验研究了两种P-糖蛋白底物模型药物（奎尼丁和红霉素）在糖蛋白抑制剂存在和不存在条件下的透皮吸收曲线。结果表明，P-糖蛋白在皮肤中具有吸收方向性，局部抑制剂可改变其作用。该微流控扩散室能够用于探究皮肤芯片微流控系统与透皮成分传递及真皮屏障中转运蛋白之间的交互作用，在评估化妆品透皮吸收方面具有重要应用潜力。

图9 “皮肤芯片”微流控扩散池结构示意图

抗衰功效评估

随着社会进步和人们生活水平的提高，皮肤抗衰领域近年来取得了显著发展。抗衰意识逐渐深入人心，护肤品市场不断细分，针对不同肤质、不同年龄及不同部位抗衰需求的护肤品层出不穷。人们希望通过使用化妆品来减缓皮肤老化进程，维持皮肤健康和年轻态，关于抗衰的研究也在持续进行。

Kim 等研发出一种模拟人体皮肤结构和功能的“无泵皮肤芯片”用于化妆品测试。该模型是利用人原代成纤维细胞和角质形成细胞构建的由真皮和表皮组成的皮肤等效模型。利用重力流装置将介质以两边15°的角度旋转，使其通过无泵的片上皮肤微流控通道循环流动。使用天然产物化妆品成分姜黄叶提取物进行测试，评估该成分的功效。研究发现，皮肤表皮层的屏障功能增强，从而表现出抗衰老作用。

图10 微流控芯片装置示意图

β-半乳糖苷酶是一种通常用于监测衰老的生物标志物，其表达随细胞衰老程度的加剧而升高。Subin Jeong 等通过构建基于人类成纤维细胞和角质形成细胞的全层三维柔性皮肤芯片，使用光交联剂和周期性机械刺激加速全层皮肤老化，复制28天昼夜节律。在28天对比培养实验中，观察到全层皮肤模型的收缩和表皮层厚度均有所减少，同时β-半乳糖苷酶基因表达增加，详细记录了皮肤老化过程。这一新型皮肤芯片老化模型的应用，有助于揭示老化新机制，对开发抗老化化妆品具有重要应用价值。

美白功效评估

图11 皮肤衰老模型培养过程：使用机械刺激驱动系统进行周期性压缩刺激12 h，并在非刺激状态下保持12 h

皮肤是保护人体免受紫外线辐射（UVR）的重要器官。黑色素的过度表达可导致黄褐斑等疾病。色素沉着已成为医学领域的研究热点，与此同时，出于对美丽和健康的考虑，美白化妆品对公众越来越有吸引力。

Qiwei Li 等开发出一种自动化的仿生人体微生理系统（MPS），该系统可用于构建体外皮肤模型并提高仿生性能。基于三孔微流控的表皮芯片（EoC）系统具有表皮屏障和仿黑色素功能，适用于膏状和半固态物质，同时也允许长期培养和成像。系统中表皮层分化良好，包括基底层、棘层、颗粒层和角质层，相应层中表皮标记物（例如角蛋白-10、角蛋白-14、角化蛋白、鳞状蛋白）表达水平适当。该团队使用此表皮芯片测试了一种化妆品的美白效果，通过表征与分析证明了化妆品在减少黑色素合成方面的功效。同时还使用该表皮芯片测试了四种化学物质的刺激和渗透特性。结果证明，该仿生EoC系统可作为皮肤刺激、渗透性、化妆品评估和药物安全测试的有用工具。

图12 （a）三单元表皮芯片结构图；（b）化妆品美白测试后皮肤芯片光学图片：（i）阴性对照，（ii） 阳性对照，（iii）试验组，（iv）空白对照

皮肤芯片技术在化妆品安全和功效性评估方面的应用，标志着体外测试方法的一大进步，这种方法通过模拟人体皮肤的关键特性和功能，为化妆品安全性和功效性评估提供了一种高效、精确且符合伦理的新方法。不仅有助于提高产品质量和安全性，还推动了化妆品测试领域向更科学和人性化的方向发展。相信在未来，微流控皮肤芯片作为一种高度模拟人体皮肤结构和功能的先进技术，会拥有更广阔的发展前景。

参考文献：

1. 贺雨欣,文武龙,张炜烨,等.皮肤芯片的研究进展及应用[J/OL].中国医院药学杂志,1-7[2024-11-18].http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1204.R.20240709.1922.012.html.
2. 胡阳阳,罗华菲.微流控芯片应用于皮肤领域研究的创新探索[J].中国医药工业杂志,2024,55(05):593-603.DOI:10.16522/j.cnki.cjph.2024.05.001.
3. 林铌,罗飞亚,张凤兰,等.皮肤类器官与皮肤芯片在药品及化妆品原料毒性测试中的应用进展[J].药物评价研究,2023,46(10):2262-2269.
4. 叶洁忺,张静,张子霖,等.微流控技术在化妆品安全与功效评价中的应用[J].中国化妆品,2023,(03):104-108.
5. Ágnes B ,Dorottya K ,Orsolya B , et al.Verification of P-Glycoprotein Function at the Dermal Barrier in Diffusion Cells and Dynamic “Skin-On-A-Chip” Microfluidic Device[J].Pharmaceutics,2020,12(9):804-804.
6. Jing Z ,Zaozao C ,Yaoyao Z , et al.Construction of a high fidelity epidermis-on-a-chip for scalable in vitro irritation evaluation.[J].Lab on a chip,2021,21(19):3804-3818.
7. Kim K ,Jeon M H ,Choi C K , et al.Testing the Effectiveness of Curcuma longa Leaf Extract on a Skin Equivalent Using a Pumpless Skin-on-a-Chip Model[J].International Journal of Molecular Sciences,2020,21(11):3898.
8. Qiwei L ,Chunyan W ,Xiaoran L , et al.Epidermis-on-a-chip system to develop skin barrier and melanin mimicking model.[J].Journal of tissue engineering,2023,1420417314231168529-20417314231168529.
9. Seung J L ,Jin K ,Baofang C , et al.Hybrid skin chips for toxicological evaluation of chemical drugs and cosmetic compounds.[J].Lab on a chip,2021,22(2):
10. Subin J ,Jisue K ,Mi H J , et al.Development of an Aged Full-Thickness Skin Model Using Flexible Skin-on-a-Chip Subjected to Mechanical Stimulus Reflecting the Circadian Rhythm[J].International Journal of Molecular Sciences,2021,22(23):12788-12788.
11. Zhengkun C ,Sina K ,Albert G , et al.Microfluidic arrays of dermal spheroids: a screening platform for active ingredients of skincare products.[J].Lab on a chip,2021,21(20):3952-3962.
12. Zsófia V ,Dorottya K ,Bese M N , et al.Skin-on-a-Chip Technology for Testing Transdermal Drug Delivery—Starting Points and Recent Developments[J].Pharmaceutics,2021,13(11):1852-1852.