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甲壳素和木质素:将食物垃圾转化为药妆品

Pierfrancesco Morgant1 *Hong-Duo陈2高新华3.蒋禄卡Morgant4.Davide Febo.5.

1意大利坎帕尼亚大学皮肤科皮肤药理学教授
 2中国医科大学第一医院免疫皮肤科教授
 3.中国医科大学第一医院皮肤科教授、主任医师
 4.意大利罗马ISCD研发中心
 5.Atertek，R＆D中心，佩斯卡拉，意大利

*通讯作者:Pierfrancesco Morganti，意大利坎帕尼亚大学皮肤科皮肤药理学教授，电话：390815666833；电子邮件:pierfrancesco.morganti@iscd.it


摘要

全世界每年约30亿吨的食物垃圾是一个有待积极解决的重大环境问题。因此，它可能被用作一种有趣的原料，转化为有用的生物降解产品。同样，正确的农业废物管理可以防止进一步的环境破坏。欧盟研究项目PolyBioSkin称，对于这两种废物，可以分别获得几丁质和木质素，用于生产可生物降解的组织，以制造婴儿尿布、美容面具和高级药物。本文报道了纳米甲壳素和纳米木质素的应用研究结果。

关键字

甲壳素纳米纤维；纳米木质素；生物聚合物；食物垃圾；农业垃圾；再生医学；伤口护理；婴儿尿布

介绍
对于皮肤再生组织的生物相容性

美容皮肤病学每天都需要生物相容性组织，用于疾病或老化皮肤的再生。这些特殊组织通常被用作高级药物，以加速伤口和皮肤烧伤的治疗和恢复，或用作美容面膜，以缓解皮肤老化和光照老化的严重问题，试图降低皮肤衰老的风险WD减少细纹和起皱的外观。

展望市场报告，强调全球再生医学部门（图1）[1]于2016年注册了189亿美元的营业额，估计增长率为2021年以上超过537亿美元和复合年增长率（CARG）〜24％，其中〜10％由工程再生组织表示。

图1:全球再生医学市场。

这一复合年增长率是由于2050年人口增长97亿(图2)[2]，2017年老龄人口增长9.62亿[3];不断增长的对先进药物的需求和使用，例如，创新的无纺布组织[4];以及研发投资的增加。

图2:预计到2100年，全球人口老龄化增加。

另一方面，全球化妆品市场在2014年为4600亿美元，预计到2020年将达到6750亿美元[5,6]，全球平均CARG约为5%，对创新天然产品的需求持续增长(图3)。

图3:从2004年到2017年，全球化妆品市场的年增长率(来源:STATISTA GmbH, Hamburg, Germany)。

因此，根据实际的消费者偏好，2018年估计，据估计，据估计，据估计，据估计，据估计，据估计，据估计，2018年的有趣速度为9.6％，根据实际的消费者偏好。

在这个市场上，中国和亚太地区国家（APAC）主导的面巾纸口罩估计价值16亿美元，年均增长近40%！[6]这些口罩实际上代表了全球化妆品市场的一个利基市场，其营销声称，通过提高所用活性成分的有效性和安全性，将其活性转移并赋予最终产品。

特别是，它们被描述为对老年皮肤具有独特的特征性益处，例如，减缓皱纹和老年斑。然而，要强调的是，所使用的声明往往仅基于成分活性，而很少通过以下方式显示最终产品的效果：在体外和在活的有机体内研究，实现按照科学的国际规则。基于这些原因，在我看来，中国皮肤科医生应该更加关注这类产品。

这些创新的化妆品,事实上,定位在医疗和整体之间的界线必须研究和控制的有效性首先通过医学界,特别是由皮肤科医生和整形外科医生,深入了解他们的皮肤结构,它的附属物,粘膜。

高级药物和创新化妆品

一方面，新的先进的药物和工具，承诺治疗复杂的退行性疾病影响患者不断出现在市场上，另一方面，化妆品，有效治疗皮肤老化过程，似乎是所有消费者声称的解决方案。

然而，这些产品的创新制造可以通过专门的生物纳米技术的支持获得，在欧盟被确定为驱动创新的关键技术之一[7]。创新对未来的增长尤为重要，它包括新产品、新工艺和新方法的创造和推广，为新业务和新工作提供基础，其特征是生产率的提高。这就是为什么在这个历史时期，创新型经济体，比如中国，生产力更高，更有弹性，更能适应变化，更有能力支持更高的生活水平。

因此，根据Euromonitor International，亚太地区的美容和个人护理市场（APAC）在未来四年内将增长超过30％，达到2021年的1920亿美元[10]。

中国46％印度尼西亚50％，是亚太地区国家有望体验到最具成长性，其次是马来西亚和越南，其预计41％和39％，分别增长。

在另一方面，如先前报道，在先进的疗伤段是每年10％的双位数增长最快的地区，人口老化，崛起于糖尿病的发病率，并通过技术稳步推进全球驱动和产品，认为临床上更有效和更具成本效益的，比它们的常规对应物[4,11]。

不幸的是，根据美国健康研究所[11]的数据，与20世纪90年代末和21世纪初两位数的年增长率相比，2015年全球医疗增长速度预计是温和的。

另一方面，全球新兴消费经济体、气候条件的变化、生活方式的改变、男性美容能力的提高以及对天然或生物产品需求的增加，都在鼓励化妆品市场的增长。

然而，挑战是继续控制支出，即使面对诸如创新、消费者信心的改善以及需要更多医疗保健和美容服务的老龄化社会等不利因素。

总之，创新的组织受到自然和生物可降解纤维制成，从农业和副产品的产业获得的，似乎有一个重要的市场，在皮肤病和化妆品领域的两个，如果该行业将能够在大量投放市场，这些产品和以较低的成本。

在排放的材料中，几丁质和木质素似乎是理想的成分，因为它们可生物降解，对皮肤友好，对环境友好，并可通过分别利用渔业副产品和农业生物质的技术获得。

从食品和农业废弃物生物聚合物

几丁质纳米纤维(CN)和纳米木质素(LG)作为一种天然生物聚合物，可广泛应用于皮肤美容领域，以低成本制备生物相容性组织。事实上，这两种聚合物可以从天然和废弃物中获得，每年大约有3000亿吨，其中约20%仅用于生产能源[13,14]。举个例子，甲壳素每年的营业额大约是1000亿吨，如果我们不使用这种废料，估计10-100年之内，我们就会坐在一座甲壳素山上!

然而，值得注意的是，甲壳素和木质素都可以分别从甲壳类动物和甘蔗的工业过程中获得的食物垃圾中提取。这些副产品的使用肯定会带来社会、环境和经济效益。由于这些原因，越来越多的人对解决这个问题的兴趣成为了我们社会的必要。

根据粮农组织[15]的评估，每年世界上为人类消费生产的所有粮食中有三分之一(约13亿吨)被损失或浪费，大量的碳足迹对环境造成了影响。

另一方面，由于10亿人长期营养不良，到2050年将有必要将粮食产量提高50%至100%，这不仅是为了不断增长的人口和浪费的粮食，而且也是因为同样的人口正在转向更多的肉类和奶制品密集型饮食。

因此，一方面，地球由平衡的动植物系统组成，能够创造完美的规模经济（图4陆地生态系统）。

图4:（a） 碳循环。
(b)氮循环。

另一方面，我们人类浪费了这种生态和生物物理组织，通过“我们为食物和燃料消耗的可再生资源，我们建造的土地，以及吸收我们排放的碳所必需的森林”[16]。事实上，在全球范围内，实际的农业系统正在通过CO的排放同时退化土地、水和气候2和CH4.作为生物多样性损失的主要推动力，以及对气候变化和污染的主要贡献[15]。而不是扩大农田，以满足全球种植的人口的需求，因此可以更好地改变饮食和生活方式，生产生物燃料，以减少温室气体（GHG）的排放和在自然条件下维持植被和土壤（图5）[16]。

图5：土地的生态利用。

然而，适当的生物废物管理最显著的好处似乎是生产高质量的堆肥和植物激发剂、创新消费品、智能组织和沼气，有助于提高土壤质量和资源效率，为了获得更高水平的自给能源和更好的生活方式。

因此，对工农业副产品进行更密集和适当的管理有助于改善环境状况。大幅减少温室气体排放和粮食短缺

几丁质和木质素：从细胞防御聚合物到健康组织

根据欧盟一项名为PolyBio-Skin的新研究项目[18,19]，在作为废物大量回收的多种多糖中，天然聚合物甲壳素和木质素可用于生产用于医疗和化妆品的创新非织造组织。它们是由生物基工业过程和生物衍生废料制成的，由于CO的低排放，预计它们将更具有可持续性2。

这些新型无纺布组织是由我小组通过静电纺丝和铸造技术，使用CN和LG聚合纤维，结合不同的活性成分[20]实现的。此外，这些纤维组织结构类似于天然的细胞外基质(ECM)(图6)，能够促进细胞的正常功能。事实上，CN-LG复合物可以在短时间内恢复皮肤微生物群功能，调节细胞因子级联和脂质片层和[20]胶原的合成。

图6：在SEM（左）在自然ECM（右）比较的甲壳素组织。

因此，通过使用这些生物纳米聚合物，似乎有可能以低成本生产出具有抗炎、免疫调节和皮肤修复功效的先进医疗组织[20,21]，以及具有保护、保湿和抗衰老活性的创新美容组织[22]。

事实上，这些几丁质 - 木质素支架，用作它们的物理化学和生物有效性的载体，必须加载所选择的活性成分的能力，在合适的剂量，合适的时间和合适的皮肤层[20-24]释放它们。在该目的，有趣的是要强调，无论壳多糖和木质素是生产和使用从病原体侵袭，以保护植物和动物[25,26]的细胞壁天然，有机大分子。

木质素以及几丁酸，具有多种功能基团，可以形成分子间氢键合，这影响与宿主基质的相容性[26,27]。实际上，像甲壳类动物，昆虫和哺乳动物一样，植物也具有物理障碍，可以保护它们免受致病微生物的入侵。为此目的，最内层的细胞壁屏障层的重要组成部分是植物和甲壳类动物的植物和甲壳素的木质素。

木质素

木质素是由难降解的单体组成的，这些单体彼此随机结合，每次都有可能面对不同的聚合物结构，这使得病原体难以进入[28].当病原体试图克服细胞壁时，植物通过一个专门的感觉系统识别它们，该系统类似于人类的抗体，为当代保护分子的产生提供了一个动态的界面屏障[28]一旦病原体被识别，信号分子就会被释放，从而激活所谓的诱导免疫系统并防止感染[29]。

甲壳素

同样，纳米几丁质阻止病原体进入和感染现象，诱导细胞因子和趋化因子的产生[21,30]。无论如何，这种防御作用是复杂的和大小依赖的，它是由先天和适应性免疫反应激活的。

每个不同的几丁质大小结合到不同的受体并激活不同的细胞内信号传导途径，用作促炎或抗炎聚合物：几丁质大的聚合物是生物惰性的，中间体尺寸（40-70微米）触发炎症反应，而较小的（<40微米）刺激巨噬细胞产生IL-10的抗炎症反应[31,32]。通过壳质纳米纤维中示出的效果，这可能的原因（平均尺寸为120×7×5 nm）至修复受伤/烧伤的皮肤，减缓老化过程[20-22,30]。

因此，由微纤维的形式组装的链条组织（图7）[33]组织，代表了由各个角质层和外骨骼进行的机械函数的昆虫和甲壳类动物的重要防御结构[34]。此外，如前所述，该天然聚合物也作为免疫化合物作用，有助于减缓皮肤炎症级联，并始终根据其分子尺寸来加速组织修复过程[31,32]。

图7：几丁质链在纳米纤维中组装(由Svetoslan等人提供)。

甲壳素和木质素作为载体

这就是几丁质和木质素作为生物可降解分子作为载体和活性成分越来越受到关注的原因，它们也很容易从人类的微生物菌群酶中代谢出来[30,35]。几丁质实际上可以代谢为氨基葡萄糖、乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖，分别作为人体细胞的原料和能量，而木质素则可以增强细胞的氧化还原系统，这得益于其多酚单元的抗氧化性能，构成其分子结构。

然而，当我们对人类微生物群和生物过程的基本理解日益发展时，有必要找到新的方法来更好地了解和利用人体免疫系统和天然微生物菌落，这对中和病原体微生物和病毒感染至关重要。

事实上，世界范围内越来越多的治疗许多疾病的新方法包括激活个体的个人微生物群和自然免疫保护，以对抗新传入的细菌，并试图解决对抗抗生素耐药性[35]的战斗。

在我看来，这些结果可以通过利用创新的研究和技术来实现新的临床护理时代，以及通过赋予患者，科学家和生产者全部工作的政策，以发展个性化个人护理产品，通过所谓的精密药物（PM）[30,36]和中药（TCM）[36,37]。根据中医的说法，PM具有相同的愿望，以诊断和治愈个体疾病，并以目标方式诊断和治愈疾病，没有大规模医学的有害副作用。因此，必须提升生物学和生物技术，以促进所有人，在所有年龄段和每个国家促进福祉。

这些创新的无纺布组织能够在皮肤层面装载、携带和释放不同的活性成分(包裹在微纳米块聚合物颗粒中)，而不使用乳化剂、防腐剂、香味剂、色素和其他化学品，而这些是生产溶液、凝胶和乳剂所必需的，根据实际的化妆工艺。

这样做，一个美容皮肤病学的新时代可能会打开。

纳米-纳米木质素组织的有效性和安全性

几丁质组织显示出的皮肤修复活性可能是由于与天然表皮细胞相同的结构，能够促进全球细胞的繁殖和生存。此外，如前所述，它可被人体酶分解为葡萄糖、乙酰葡萄糖和葡萄糖，用作活性营养化合物和/或细胞能量[39]。

另一方面，木质素的有效性可能与单体的抗氧化性能有关，表征其高分子[40]。

因此，本课室10年多的研究结果表明，以几丁质纳米纤维(chitin Nanofibrils, CN)形式产生的几丁质具有增加防御蛋白生成(Figure 8)和调节金属蛋白酶2和9 (Figure 9)[22]合成的能力。

图8：由几丁质纳米纤维处理的人角质形成细胞防御生产的增加。

图9：几丁质纳米纤维处理的人角质细胞金属蛋白酶2和9的减少。

因此，在不形成增生性瘢痕或瘢痕疙瘩的情况下，[41]更有利于更快的愈合过程，因为在皮肤水平上，胶原纤维的产生和分布更有规律(图10)[42]，同时，腐生菌和病原微生物之间的皮肤微生物群平衡可能有良好的调节。

图10：甲壳素纳米纤维处理后皮肤上的胶原纤维分布。

在这种情况下，值得注意的是，皮肤的修复和重塑活动已经被未经怀疑的抗菌药物临床效果所调节，这从非洲一家缺乏抗生素的医院用于修复重要伤口的CN凝胶中可以看出(图11)。

图11:几丁质纳米纤维凝胶治疗非洲患者伤口的修复活性。

用于修复一级和二级烧伤皮肤的无纺布组织也证实了同样的临床效果（图12）[43]。

图12:用甲壳素纳米纤维组织修复婴儿2级烧伤的活动。

此外，通过将纳米几丁质与透明质酸或纳米几丁质木质素复合，分别嵌入乳液或美容面膜中，观察到皮肤水合作用增加（图13）[44]，皱纹数量减少（图14）和老化斑点减少（图15）[41]。

图13:增加皮肤水合作用的皮肤处理乳液基于纳米几丁质透明质酸复合物。

图14：通过基于纳米几丁质-透明质酸复合物的乳液处理减少皮肤细皱。

最后，最近通过进步研究中的群体已经证明了反污染效率（图16）。

图15：以纳米几丁质-纳米木质素复合物为基础的乳剂治疗皮肤黑斑的减少。

图16:基于纳米几丁质-纳米木质素复合物的乳剂对城市受试者皮肤的抗污染活性恢复。控制皮肤丙二醛含量。

这种进一步的活性似乎与这些糖状几丁质/壳聚糖化合物所显示的可能性有关，因为它们具有以下能力：（a）复合重金属和存在于环境中的微/纳米颗粒纳米颗粒[47]；（b）恢复和加强皮肤屏障结构和功能[43,45]；（c）减少炎症级联[21,48]；（d）补充抗氧化剂储备[21,44]；（e）控制黑色素合成和转运[48]；（f）促进胶原蛋白和弹性蛋白合成[44]；（g）保护皮肤免受有害紫外线[50,51]。

在这个目的，它是要记住，污染可促使皮肤过早老化，加剧了某些疾病，如痤疮，过敏性皮炎，银屑病，与心血管疾病[51,52]。

这就是为什么许多患者和消费者非常关注大气中的纳米颗粒，正在从皮肤科医生、整形外科医生和美容师那里寻找治疗方法的原因。

此外，要记住，根据世界卫生组织的数据，每年有超过300万人死于污染，而大约90%的人生活在不符合其空气质量准则[54]的地区。德赢vwin首页网址

结论性意见

日益增长的能源需求，以及减少汽油消耗的必要性和全球预警，刺激了对可再生聚合物产品(如几丁质和木质素)日益增长的需求，其特点是低碳足迹。

由于它们的机械和免疫保护活性，这些聚合物已经显示出是针对病原体侵袭有效，因此，理想的候选以产生用于医疗和美容用途的非织造cosmeceuticaltissues。此外，如先前报道的，这些聚合物是在低成本从废料获得的和可生物降解的完全无毒的和细胞型分子的天然化合物。

另外，当在它们的纳米尺寸下使用时，它们可以通过静电纺丝和铸造技术容易地生产[55,56]。事实上，当用于制造美容面具[44]和晚期药物时，所获得的无纺布组织或由纳米结构甲壳素和木质素制成的无纺组织或薄膜已经显示出更好的可用性和有趣和更高的效率和安全性[43]]，可能是为了它们的高表面积到体积比。

总之，使用壳质纳米纤维和纳米木质素来生产非织造组织或乳剂可以表示平均为在医疗和美容市场都引入可生物降解的和创新产品。这些智能无纺布药妆，组织不仅可用于生产高级药物[20,30,57]和美容面罩[20,43]，也是创新的生物可降解面料的婴儿，妇女和老人尿布减少当代实际不可持续的浪费。这是我们研究小组的目标和的进展欧盟PolyBioSkin项目也是目标（图17）[58]。

图17:PolyBioSkin目标。

致谢

我们感谢Bio-Based Industries和EU Horizon 2020获得PolyBioSkin项目研究所需的745839资金。此外，我们还感谢分别从MAVI Sud（意大利）和CIMV（法国）获得的甲壳素纳米纤维和生物木质素的免费样品。


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算术类型：评论文章

引用：(2018)甲壳素和木质素:将食物垃圾转化为药妆品。美国皮肤科杂志3(1):dx.doi.org/10.16966/2576-2826.135

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出版历史记录：

  • 收到日期:2018年11月14日,

  • 接受日期：2018年12月11日

  • 发表日期:2018年12月21日