摘要

全球每年約30億噸的食物浪費是一個需要積極解決的重大環境問題。因此，它可能被用作一種有趣的原料，轉化為有用的生物可降解商品。同樣，正確的農業廢棄物管理可以防止進一步的環境破壞。根據歐盟研究項目PolyBioSkin的說法，從這兩種廢物中可以分別獲得幾丁質和木質素，用於生產生物可降解組織，例如嬰兒尿布、美容麵膜和高級藥物。本文報道了納米甲殼素和納米木質素的應用結果。

關鍵字

甲殼素紡錘;Nano-lignin;生物聚合物;食物浪費;農業廢棄物;再生醫學;傷口護理;嬰兒尿布

簡介

皮膚再生的生物相容性組織

美容皮膚病學每天都需要生物相容性組織，用於病變或老化皮膚的再生。這些特殊的組織通常被用作加快傷口和皮膚燒傷的治療和恢複的高級藥物，或作為緩解皮膚老化和光老化的嚴重問題的化妝麵膜，試圖減緩細紋和皺紋的出現。

根據市場報告，要強調的是，2016年全球再生醫學部門(圖1)[1]的營業額為189億美元，預計到2021年將增長到537億美元以上，複合年增長率(CARG)約為24%，其中約10%由工程再生組織所代表。

圖1:全球再生醫學市場。

這種複合年增長率是由於2050年人口增長將達到97億(圖2)，2017年人口老齡化增加到9.62億;對先進藥物日益增長的需求和使用，例如，創新無紡布[4];以及研發投入的增加。

圖2:預計到2100年，全球老齡化人口增長將加快。

另一方麵，全球化妝品市場在2014年為4600億美元，預計到2020年將達到6750億美元[5,6]，全球平均CARG約為5%，對創新天然產品的需求持續增加(圖3)。

圖3:2004年至2017年全球化妝品市場的年增長率(數據來源:STATISTA GmbH, Hamburg, Germany)。

因此，有必要開發創新和生物/有機化妝品，根據消費者的實際偏好，2018年的CARG與2017年相比估計為9.6%。

在這一市場中，以中國和亞太國家為主的麵巾紙口罩市場估計已達16億美元，年均增長近40%![6]。這些麵膜實際上代表了全球化妝品市場的一個小眾市場，它們的營銷理念是，提高所使用活性成分的有效性和安全性，並將其活性轉移到最終產品中。

特別是，它們被描述為對老化皮膚具有獨特的益處，例如，減緩皺紋和老年斑。然而，要強調的是，使用的聲明往往隻是基於成分的活性，而很少顯示最終產品的有效性在體外而且在活的有機體內學習，按照科學的國際規則來實現。基於這些原因，在我看來，中國的皮膚科醫生應該更加關注這類產品。

這些創新的化妝品，事實上，定位於醫學和整體效果之間的邊界，必須首先由醫學界，特別是皮膚科醫生和整形外科醫生的研究和控製，因為他們對皮膚的結構，它的附屬和粘膜的深刻知識。

先進的藥物和創新的化妝品

一方麵，新的先進的藥物和工具有望治療複雜的退行性疾病影響患者不斷出現在市場上，另一方麵，化妝品有效地治療皮膚老化過程似乎是所有消費者聲稱的解決方案。

然而，這些產品的創新製造可以通過專門的生物納米技術的支持獲得，歐盟將其確定為驅動創新[7]的關鍵使能技術之一。創新，對未來的增長尤其重要，包括新產品、新工藝和新方法的創造和推廣，為特定的生產力提高提供新業務和新工作的基礎。這就是為什麼在這個曆史時期，像中國這樣的創新型經濟體生產率更高、適應力更強、更能適應變化、更能支持更高的生活水平[9]。

因此，根據歐睿國際的數據，亞太地區的美容和個人護理市場將在未來四年增長30%以上，到2021年將達到1920億美元。

印尼和中國預計將分別增長50%和46%，是亞太地區增長最快的國家，其次是馬來西亞和越南，預計分別增長41%和39%。

另一方麵，正如先前報道的那樣，先進傷口護理部門是最快的領域，每年以10%的兩位數增長，這是由世界範圍內的人口老齡化、糖尿病發病率上升以及技術和產品的穩步進步所驅動的，這些技術和產品被認為比傳統的同類產品更具有臨床效率和成本效益[4,11]。

不幸的是，根據美國衛生研究所[11]的數據，與整個20世紀90年代末和21世紀初的兩位數年增長率相比，2015年全球醫療增長率預計是適度的。

另一方麵，全球新興消費經濟體、氣候條件的變化、生活方式的改變、男性美容的興起，以及對天然或生物產品需求的增加，都在促進化妝品市場的增長。

然而，麵臨的挑戰是繼續控製支出，即使麵臨諸如創新、消費者信心增強以及需要更多醫療保健和美容服務的老齡化社會等不利因素。

總之，從農業和工業副產品中提取的天然和生物可降解纖維製成的創新組織似乎在皮膚和化妝品領域都有重要的市場，如果該行業能夠以低成本大量銷售這些產品的話。

其中幾丁質和木質素是較理想的降解材料，對皮膚友好，對環境友好，利用漁業副產品和農業生物質技術均可獲得。

從食品和農業廢棄物中提取生物聚合物

幾丁質納米纖維(CN)和納米木質素(LG)作為天然生物聚合物，可廣泛應用於皮膚美容，以低成本生產生物相容性組織。事實上，這兩種聚合物可以從天然材料和廢料中獲得，每年約3000億噸，其中約20%僅用於生產能源[13,14]。舉個例子，甲殼素的周轉量似乎是每年10千億噸，如果我們不使用這種廢料，估計在10-100年內，我們將坐在它的山上!

然而，值得強調的是，甲殼素和木質素都可以分別從甲殼類動物和甘蔗的工業過程中獲得的食物廢物中提取。使用這些副產品肯定會帶來社會、環境和經濟效益。由於這些原因，解決這一問題的興趣越來越大，成為我們社會的必需品。

根據糧農組織評價[15]，每年世界上生產供人類消費的所有糧食的三分之一(約13億噸)被損失或浪費，大量的碳足跡對環境產生影響。

另一方麵，由於有10億人長期營養不良，到2050年有必要將糧食產量提高50%到100%，這不僅是為了不斷增長的人口和浪費的食物，也是因為同樣的人口正在轉向更多的肉類和乳製品密集型飲食[15]。

因此，一方麵，地球是由平衡的動植物係統組織起來的，能夠創造完美的規模經濟(圖4陸地生態係統)。

圖4:(一)碳循環。
(b)氮循環。

另一方麵，我們人類通過“我們為食物和燃料消耗的可再生資源、我們建造的土地和吸收我們的碳排放所必需的森林”，浪費了這個生態和生物物理組織[16]。事實上，由於CO的排放，實際的農業係統正在全球範圍內同時退化土地、水和氣候₂和CH₄是生物多樣性喪失的主要驅動力，也是氣候變化和汙染的主要原因[15]。因此，與其擴大農田以滿足全球不斷增長的人口的需求，不如改變飲食和生活方式，生產生物燃料以減少溫室氣體(GHGs)的排放，並保持植被和土壤在其自然條件(圖5)[16]。

圖5:土地生態利用。

然而，適當的生物廢物管理的最顯著的好處似乎是生產高質量的堆肥和植物誘導劑、創新消費品、智能組織和沼氣，有助於提高土壤質量和資源效率，以獲得更高水平的自給自足能源和更好的生活方式。

因此，對工農業副產品進行更密集和適當的管理可以有助於改善環境狀況。大幅減少溫室氣體排放和糧食短缺

幾丁質和木質素:從細胞防禦聚合物到健康組織

根據歐盟一個名為PolyBio-Skin的新研究項目[18,19]，在作為廢物大量回收的多糖中，天然聚合物甲殼素和木質素可用於生產醫療和美容用的創新無紡布。它們由基於生物的工業過程和生物來源的廢物材料製成，預計將更具可持續性，其特點是CO排放低₂．

這些新型無紡組織是我們小組通過靜電紡絲和鑄造技術以及使用CN和LG聚合物纖維，結合不同的活性成分[20]實現的。此外，這些纖維的組織結構類似於天然的細胞外基質(ECM)(圖6)，能夠促進正常的細胞功能。事實上，CN-LG複合物已被證明在短時間內使皮膚微生物群功能正常化，調節細胞因子級聯和脂質片層和[20]膠原蛋白的合成。

圖6:掃描電鏡下的幾丁質組織(左)與自然ECM下的幾丁質組織(右)比較。

因此，通過使用這些生物納米聚合物，似乎可以以低成本生產具有抗炎、免疫調節和皮膚修複效果的先進醫療組織[20,21]，以及具有保護、保濕和抗衰老活性[22]的創新化妝組織。

事實上，這些幾丁質-木質素支架作為其物理化學和生物有效性的載體，具有裝載所選活性成分的能力，在適當的劑量、適當的時間和適當的皮膚層釋放活性成分[20-24]。為此，值得注意的是，幾丁質和木質素都是天然的有機大分子，它們被用來保護植物和動物的細胞壁免受病原體的侵襲[25,26]。

木質素和幾丁質一樣，具有多個官能團，可以形成分子間和分子內氫鍵，影響與宿主基質的相容性[26,27]。事實上，就像甲殼綱動物、昆蟲和哺乳動物一樣，植物也擁有物理屏障，保護它們不受病原微生物的入侵。為此，植物細胞壁屏障最內層的一個重要成分是木質素，甲殼類是甲殼素。

木質素

木質素是由難以降解的單體組成的，它們之間的結合是隨機的，並且每次都可能麵對不同的聚合物結構，這使得病原體[28]難以進入。當病原體試圖突破細胞壁時，植物通過一種特殊的感覺係統識別它們，這種感覺係統類似於人類的抗體，它提供了一個動態的界麵屏障，同時產生保護分子[28]。一旦病原體被識別，信號分子被釋放，激活所謂的誘導免疫係統，防止感染[29]。

幾丁質

同樣，納米幾丁質阻止病原體進入和感染現象，誘導細胞因子和趨化因子的產生[21,30]。無論如何，這種防禦作用是複雜的和大小相關的，它是由先天和適應性免疫反應激活的。

每一種不同大小的幾丁質與不同的受體結合，激活不同的細胞內信號通路，作為促炎或抗炎聚合物:大的幾丁質聚合物在生物學上是惰性的，中等大小(40-70 μ m)觸發炎症，而較小的幾丁質(<40 μ m)刺激巨噬細胞產生IL-10，從而產生抗炎反應[31,32]。這可能是幾丁質納米纖維(平均尺寸為120 × 7 × 5 nm)對修複損傷/燒傷皮膚和延緩衰老過程有效的原因[20-22,30]。

因此，幾丁質以微原纖維的形式組成的鏈(圖7)[33]，是昆蟲和甲殼類動物在角質層和外骨骼[34]的機械功能中至關重要的防禦結構。此外，正如先前報道的，這種天然聚合物還可以作為免疫化合物，有助於減緩皮膚炎症級聯，加速組織修複過程，這取決於它的分子大小[31,32]。

圖7:幾丁質鏈組裝在納米纖維中(由Svetoslan等人提供。[33])。

甲殼素和木質素作為載體

這些原因使得幾丁質和木質素作為生物可降解分子作為載體和活性成分，也很容易從人體的微生物菌群酶中代謝[30,35]的興趣越來越大。甲殼素實際上代謝為葡萄糖胺、乙酰葡萄糖胺和葡萄糖，分別作為人體細胞的原料和能量，而木質素則可以通過組成其分子結構的多酚單元的抗氧化性能加強細胞的氧化還原係統。

然而，雖然我們對人類微生物群和生物過程的基本理解在一天天發展，但有必要找到新的方法，更好地了解和利用人體的免疫係統和自然微生物菌落，這對中和病原體微生物和病毒感染至關重要。

事實上，世界範圍內治療許多疾病的新方法越來越多，包括激活個體的個人菌群和自然免疫保護，以對抗新進入的細菌，試圖解決抗生素耐藥性的戰爭[35]。

在我看來，通過使用創新的研究研究和技術，以及通過所謂的精準醫療(PM)[30,36]和傳統中醫(TCM)[36,37]，使患者、科學家和生產者能夠共同努力開發個性化個人護理產品的政策，可以獲得這些結果，從而實現臨床護理的新時代。根據中醫的說法，PM有著同樣的願望，即在個體基礎上，有針對性地診斷和治療疾病，而不受大眾藥物的有害副作用的影響。因此，有必要促進生物學和生物技術的發展，以促進所有人、所有年齡層和每個國家的福祉。

這就是這些創新的無紡布的目的，它能夠在皮膚層麵裝載、攜帶和釋放不同的活性成分(被困在微諾塊聚合物顆粒中)，而不需要使用乳化劑、防腐劑、香料、色素和其他化學物質，根據實際的化妝品技術，這些是生產溶液、凝膠和乳液所必需的。

這樣做，皮膚美容學的新時代可能會開啟。

納米chin-納米木質素組織的有效性和安全性

幾丁質組織顯示出的皮膚修複活性可能是由於與天然ECM具有相同的結構，能夠促進整體細胞的繁殖和生存。此外，如前所述，它被人類酶分解為葡萄糖胺、乙酰氨基葡萄糖胺和葡萄糖，用作活性營養化合物和/或細胞能量[39]。

另一方麵，木質素的抗氧化性可能與單體的抗氧化性有關，其大分子[40]是其主要特征。

因此，從我們小組在10年的研究中獲得的許多結果來看，以幾丁質納米纖維(CN)的形式產生的幾丁質具有增加防禦生產(圖8)和調節金屬蛋白酶2和9(圖9)[22]的合成的能力。

圖8:幾丁質納米纖維處理人角質形成細胞的防禦產物增加。

圖9:幾丁質納米纖維處理角質細胞金屬蛋白酶2和9的降低。

因此，不形成肥厚疤痕或瘢痕疙瘩的快速愈合過程有利於[41]，因為在皮膚水平膠原纖維的生產和配置更規範(圖10)[42]，伴隨著皮膚微生物群之間腐生菌和病原微生物平衡的可能精細調節。

圖10:甲殼素納米纖維對皮膚膠原纖維的影響。

為此，值得注意的是，皮膚修複和重塑活動受到了意料不到的抗菌臨床效果的調節，這從一家缺乏抗生素的非洲醫院用於修複重要傷口的CN凝膠中可以看出(圖11)。

圖11:幾丁質納米纖維凝膠對非洲患者傷口的修複作用。

非織造組織用於修複一級和二級燒傷影響的皮膚(圖12)[43]也證實了同樣的臨床效果。

圖12:幾丁質納米纖維組織對嬰幼兒2級燒傷的修複作用。

此外，通過將納米幾丁質與透明質酸或納米幾丁質木質素複合，分別嵌入乳液或美容麵膜中，觀察到皮膚水合(圖13)[41]增加，皺紋(圖14)和老年斑(圖15)減少[44-46]。

圖13:用納米幾丁質-透明質酸複合物乳劑處理皮膚，增加皮膚的水合作用。

圖14:納米幾丁質-透明質酸複合物乳劑治療皮膚細皺紋的減少。

最後，我們小組最近進行的一項研究也證明了抗汙染的有效性(圖16)。

圖15:納米幾丁質-納米木素複合物乳劑治療皮膚黑點的減少。

圖16:納米幾丁質-納米木素複合物乳劑對城市受試者皮膚的抗汙染活性恢複。控製皮膚丙二醛含量。

這種進一步的活性似乎與這些糖樣甲殼素/殼聚糖化合物顯示出的可能性有關，因為它們的能力:(a)存在於環境中的複雜重金屬和微/納米顆粒納米化[47];(b)恢複和加強皮膚屏障結構和功能[43,45];(c)減少炎症級聯[21,48];(d)補充抗氧化儲備[21,44];(e)控製黑色素的合成和轉運[48];(f)促進膠原蛋白和彈性蛋白合成[44];(g)保護皮膚免受有害紫外線的傷害[50,51]。

為此，我們要記住，汙染會導致皮膚過早老化，加劇一些疾病，如痤瘡、特應性皮炎、牛皮癬和心血管疾病[51,52]。

這就是為什麼許多患者和消費者非常關注大氣中的納米微粒，並從皮膚科醫生、整形外科醫生和美容師那裏尋找治療方法的原因。

此外，要記住的是，根據世界衛生組織的數據，每年有超過300萬人死於汙染，而約90%的人生活在不遵守其空氣質量指南[54]的地區。

結論性的言論

日益增長的能源需求，以及減少汽油消耗的必要性和全球警告，刺激了對甲殼素和木質素等以低碳足跡為特點的可再生聚合物產品日益增長的需求。

由於它們的機械和免疫保護活性，這些聚合物已被證明對病原體的攻擊有效，因此，是生產醫療和化妝品用無紡布藥妝組織的理想人選。此外，正如先前報道的，這些聚合物是從廢物中獲得的天然化合物，成本低，完全生物降解為無毒和細胞友好型分子。

此外，當使用納米尺寸時，它們可以很容易地通過靜電紡絲和鑄造技術生產[55,56]。事實上，由納米結構的幾丁質和木質素製成的非織造組織或薄膜，在用於製作美容麵膜[44]和高級藥物[43]時，表現出了更好的可用性和有趣的、更高的有效性和安全性，可能是因為它們的高表麵積體積比。

綜上所述，利用幾丁質納米纖維和納米木質素生產無紡布組織或乳液是在醫療和化妝品市場引入生物可降解和創新產品的一種手段。這些智能無紡布藥妝組織不僅可以用於生產先進的藥物[20,30,57]和美容麵膜[20,43]，還可以用於生產創新的生物降解麵料，用於嬰兒、婦女和老人的尿布，減少當代實際不可持續的浪費。這是我們研究小組的目標，也是正在進行中的EU PolyBioSkin項目的目標(圖17)[58]。

圖17:PolyBioSkin目標。

致謝

我們感謝Bio Based Industries和EU Horizon 2020為PolyBioSkin項目研究提供745839資金。此外，我們感謝分別從MAVI Sud(意大利)和CIMV(法國)收到的免費樣品幾丁質納米纖維和生物木質素。

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Aritcle類型:評論文章

引用:Morganti P，陳宏德，高曉華，Morganti G, Febo D(2018)甲殼素和木質素:將食物垃圾轉化為藥妝品。J臨床美容皮膚素3(1):dx.doi.org/10.16966/2576-2826.135

版權:©2018 Morganti P，等人。這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議(Creative Commons Attribution License)發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、分發和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

收到日期:2018年11月14日,

接受日期:2018年12月11日

發表日期:2018年12月21日,