綜述：3D打印技術在化妝品領域的應用

作者：劉付春俏1，曾少楓1，周柏先1，張文芳1，楊帆1, 2, *，宋鳳蘭3, 4, （1、廣東藥科大學新藥研發(fā)中心 廣東省藥物新劑型重點實驗室和廣東省局部精準藥物遞藥制劑工程技術研究中心；2、廣東藥科大學附屬第一醫(yī)院 臨床藥學重點�？�；3、廣東藥科大學中山校區(qū)實驗中心；4、廣東省化妝品工程技術研究中心）

3D打印技術又稱增材制造技術，其通過計算機輔助設計（CAD）建模，并應用相關材料以逐層打印的方式構造出三維物體，是第三次工業(yè)革命核心技術之一。與傳統(tǒng)技術相比，3D打印技術具有顯著的個性化、智能化、信息化、高精密性、快速定型等特點。目前，3D打印技術在多個技術領域都有著飛速的發(fā)展，在機械工業(yè)、建筑行業(yè)、食品加工以及醫(yī)療領域都有著廣泛的應用，在機械工業(yè)中，3D打印技術可以簡化零件生產過程，避免傳統(tǒng)技術生產零件的繁瑣程序，利用數(shù)據(jù)建模結合打印物體，可生產結構復雜的零件，具有高精密度設計的優(yōu)勢；在建筑行業(yè)中，通過與建筑信息模型技術（BIM技術）結合，將BIM建模信息傳輸至3D打印設備，使數(shù)據(jù)實體化，擴展可視化，可直觀感受預期效果；在食品加工領域，3D打印技術可以根據(jù)人們對食品形狀外觀以及飲食健康的要求進行定制加工，通過計算機分析身體數(shù)據(jù)，可打印出“自身量化”的健康食品，同時減少食品在加工過程中對環(huán)境造成的污染；在醫(yī)療領域，根據(jù)病人個體特異性，3D打印出量身定制的手術導板、醫(yī)療植入物（骨骼、關節(jié)、心臟瓣膜、組織、器官）、義齒、各種康復器械（矯正鞋墊、仿生手、助聽器）、藥品等已經進入臨床，極大提高患者的依從性，實現(xiàn)個性化精準醫(yī)療。越來越多的事實表明，3D打印技術從想象到現(xiàn)實，逐漸發(fā)展成與人類衣食住行密切相關的一門技術。3D打印的衣服和鞋子已多次出現(xiàn)在全球各大時裝展，3D打印的餅干和蛋糕已成為一些餐桌上的小點心，3D打印的咖啡桌和個性家具頗受年輕人的喜愛，而在自行車、汽車、飛機等交通工具的設計中也越來越多地體現(xiàn)出3D打印元素。

隨著3D打印技術的發(fā)展，其也被廣泛應用于化妝品領域，如香奈兒公司使用選擇性激光燒結3D打印機來制備具有微腔的睫毛刷（圖1），該微腔可以吸收適量的睫毛膏，減少使用時的蘸取次數(shù)；英國某化妝品公司生產的粉底液筆Adorn（圖2），將3D打印技術與顏色識別系統(tǒng)聯(lián)合，通過掃描儀貼合在面部獲得皮膚色素值，再從顏色識別系統(tǒng)中選擇最佳配色調和后，使用3D打印技術打印出最佳色號粉底液；Richard使用3D打印工藝將化妝粉制備成想要的顏色或圖案；Christian等根據(jù)粉狀化妝品（如眼影、腮紅、散粉等）的顆粒不同，采用3D打印技術定制不同粗細的化妝刷；Samain提供了聯(lián)合噴墨3D打印技術，制作出一種可以擁有自己喜歡顏色的化妝調色板；Grace Choi將3D打印噴墨技術應用于Mink打印機，利用互聯(lián)網的顏色選擇器來復制顏色的十六進制代碼以呈現(xiàn)不同的色號，從而定制自己喜歡的口紅或眼影等。除此之外，3D打印技術還可用于化妝品功效評價中3D打印皮膚組織以及3D打印定制款的化妝品包裝容器。隨著社會人群對化妝品的個性化定制以及精準護膚的需求越來越大，3D打印技術也將為化妝品行業(yè)帶來一次新的升級�，F(xiàn)主要就3D打印技術在化妝品領域中的應用予以簡單綜述（表1）。

圖1 香奈兒3D打印睫毛刷（圖源：香奈兒）

圖2 英國3D打印粉底液筆Adorn

表1 3D打印技術在化妝品領域的應用及相關成果舉例

3D打印技術定制個性化護膚品
每個人的皮膚都是“獨一無二”的，即使是同一張臉的皮膚，也會擁有不同的皮膚狀態(tài)，如混合性皮膚，其最明顯的特點就是面部油脂分布不均勻，不同的皮膚對護膚品的性能需求其實是不同的。許多擁有敏感肌的人群局部區(qū)域會對某些功效成分過敏，從而導致局部長痘泛紅等過敏現(xiàn)象，這其實需要針對肌膚狀態(tài)選用個性化的護膚品。目前，我們護膚多使用廣譜化護膚品，雖然在一定程度上可以補水保濕，但是其功效成分單一，對不同類型皮膚效果不一。龍華等考察了保濕劑對不同類型皮膚的保濕效果，將短期使用產品后皮膚含水量的結果進行比較，發(fā)現(xiàn)不同類型皮膚的含水量變化均有明顯差異。劉萍等使用果酸治療不同類型皮膚的痤瘡患者，發(fā)現(xiàn)不同的痤瘡患者需要使用的最佳果酸濃度不同。研究證明，同一護膚品對不同皮膚狀態(tài)的效果有差異，無法針對皮膚進行精準護膚，這便促使了個性化定制護膚品的出現(xiàn)。

個性化定制護膚品可根據(jù)每個人不同的皮膚狀態(tài)、生活環(huán)境、個人需求來量身定制專屬的護膚品，解決個體差異化的問題。面對化妝品行業(yè)的崛起，人們更關注護膚的智能化、個性化和安全性，個性化定制護膚品逐漸成為一股新潮流。為了迎合人們的需求，市場上也漸漸涌現(xiàn)出了各種各樣的個性化定制護膚品，云南白藥在“第二屆東亞肌膚健康研究中心學術研討會”上的發(fā)布了“AI肌膚診療個性化定制系統(tǒng)”，其中包含了AI智能識別系統(tǒng)、傳感技術，并聯(lián)合皮膚科專家診斷和大數(shù)據(jù)分析提供精準的護膚方案；日本資生堂的個性化定制護膚系統(tǒng)，通過分析用戶皮膚的情況和記錄其生活環(huán)境，再從8萬多種產品中混合配比出最佳的護膚品。目前，在個性化定制護膚品的發(fā)展中，3D打印技術因其個性化、智能化的特點，應用越來越多，研究較多的就是3D打印面膜。

3D打印面膜最大的特點就是可以極大地滿足人們對個性化精準護膚的需求。陳海佳的團隊公開了一種3D打印面膜及其制備工藝，其運用三維掃描技術對面部進行掃描來獲取面部的三維數(shù)據(jù)以及皮膚狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析定制面膜載體和分區(qū)定制功效成分，并以3D打印特有的工藝技術，精準將功效成分打印至水凝膠面膜上，最終獲得個性化定制面膜。該面膜具有以下優(yōu)勢：實現(xiàn)了從面膜載體到功效成分的完全個性化定制，提高護膚的精確性和有效性；使用3D打印技術特有的工藝制備面膜無需經過高溫過程，避免了有效成分的損失，為3D打印面膜基質制備工藝探究奠定基礎；以多孔膠原蛋白凝膠為面膜基質，在真空條件下形成多孔面膜支架，可實現(xiàn)對面膜液最大程度的吸收，減少有效成分的損耗。劉強等公開了一種適于3D打印面膜的凝膠基質及其制備方法和應用，制備的凝膠基質面膜與皮膚的生物相容性好，親和性強，還能提高角質層的水化作用，其創(chuàng)新之處是可根據(jù)面部皮膚問題的嚴重程度來定制功效成分的用量。孫雅潔以多步驟、多材料復合式3D打印面膜，通過肌膚數(shù)據(jù)先打印具有吸附性的基底膜，隨后再使用多噴頭3D打印機在基底膜上分區(qū)打印，對普通護理部位噴涂基礎護理成分，在特殊護理部位噴涂需要的特殊功效成分。而在制備個性化面膜的過程中，葉毅采用了減法/替換方法，即以基礎成分護理為總基底，噴涂時在需要特殊護理的部位減少噴涂基礎成分，然后用特殊成分替換，此面膜不僅能夠與面部貼合緊密，而且護理成分針對性強，可滿足用戶個性化定制、精準護理需求。

每個人的肌膚狀態(tài)不同，對化妝品的需求也不同�；�于這個原因，周鐵兵根據(jù)三維掃描儀獲得的數(shù)據(jù)并運用3D打印技術，首先打印了含有一種或多種基礎護理成分的基層，該基礎護理成分主要是根據(jù)人的皮膚類型而定制的，如干性或油性皮膚會選擇適合面部補水的基礎成分類型，而混合性皮膚便會根據(jù)不同區(qū)域的皮膚類型分區(qū)施加合適的基礎護理成分。在打印出基礎護理成分以后，如果還需要特殊護膚，3D打印設備會根據(jù)掃描面部的生理或病理特征如斑點、皺紋和痤瘡等數(shù)據(jù)，在基層的基礎上再分區(qū)打印個性化護理成分。該發(fā)明既解決了面部個性化基礎護膚，避免了其他不需要使用功效成分的皮膚帶來的風險問題，還滿足了不同生理或病理特征的用戶精準治療需求。

為了使面膜更加完美地貼合皮膚以及追求更高效的精準護膚，高曉軍在個性化面膜的制備過程中采用了“肌膚測試-臉型測試-面膜打印-配比精華”的模式，同時針對人臉掃描特征構建多個測量提取點位和測量指標，對面部鼻子、嘴和眼睛都精確地提取點位，除面部的輪廓特征，還增加了發(fā)際線和耳部的點位和指標。該發(fā)明最大的優(yōu)勢是增加了醫(yī)學分析系統(tǒng)，通過皮膚組織影像分析來診斷面部皮膚的創(chuàng)傷、感染、痤瘡或者濕疹等病理性皮膚疾病，以確保獲得更精準的治療方案。該發(fā)明利用高精準掃描儀、皮膚組織影像分析與3D打印技術聯(lián)用，使個性化精準護膚更上一層樓，同時采用多噴頭3D打印機分別打印治療皮膚炎癥的治療性藥物或植物提取液，為3D打印面膜用于醫(yī)美領域提供思路。

3D打印技術與護膚結合還可以增強治療效果。陳海佳將采用3D打印技術制備的美白祛斑面膜與傳統(tǒng)工藝制備的美白祛斑面膜的美白效果進行比較，發(fā)現(xiàn)普通面膜的美白效果僅僅是3D打印面膜的83.3%。周武藝根據(jù)人的面部輪廓特征依次逐層打印凝膠面膜支架、面膜液、自熱成分、凝膠面膜，得到了3D打印可自熱的多孔凝膠美容面膜，該面膜通過其自熱可促進了皮膚對營養(yǎng)成分的吸收。

目前國內3D打印面膜多處于實驗室研究階段，但國際上已有3D打印面膜產品上市。韓國護膚品牌艾諾碧（圖3）和美國露得清（圖4）陸續(xù)將3D打印面膜帶到眾人面前，推動了3D打印護膚品走向個性化定制產品的潮流尖端。

圖3 IOPE艾諾碧3D打印面膜

圖4 美國露得清3D打印面膜

3D打印技術定制個性化化妝模具
由于時代的發(fā)展，許多人對自身形象管理要求越來越高，化妝逐漸成為眾人出門必不可少的一步，越來越多的人開始使用彩妝。彩妝的使用最不可避免的就是學習化妝技巧，而化妝技巧的學習需要耗費大量的時間和精力，彩妝模具便應運而生。目前已有印眉器、口紅涂抹器和眼影印章等彩妝模具的發(fā)明，但是由于傳統(tǒng)工藝中無法獲取精準的三維形態(tài)，而且使用者個體差異較大，導致使用時無法完全對使用部位進行覆蓋貼合，出現(xiàn)錯位或者暈染的情況。而3D打印技術可以根據(jù)人臉大小、眉毛粗細、嘴唇厚薄以及眼睛大小等特征差異來定制個性模具，在模具中加入彩妝原料快速定型，使用的時候只要直接往相應部分覆蓋貼合便可以得到相應的妝容。Henri將3D打印技術與個性化涂抹器結合，采用三維掃描儀獲得人唇部的輪廓數(shù)據(jù)，通過輔助軟件進行建模，然后導入3D打印機將口紅或唇膏涂抹器模具打印出來（圖5）。蔡芷柔制作了一種結合3D打印技術的眼影裝置（圖6），其外表與平時使用的睫毛夾相似，該裝置由美妝工具、定制膜與打印輔助模板組成，根據(jù)上眼瞼的輪廓掃描數(shù)據(jù)，使用3D打印機將定制膜打印至打印輔助模板，取出貼在美妝工具上，為了確保穩(wěn)固眼影覆蓋至正確的位置，需要參照眼瞼睫毛根部，對準上眼瞼按壓轉印后便上妝成功，既達到了快速的上妝效果，又可獲得個性化眼影妝容。彩妝模具可使用戶在短時間內獲得期盼的妝容，還可以避免彩妝在上妝時與手部皮膚接觸而造成的暈染。

圖5 3D打印口紅涂抹器

圖6 3D打印定制眼影美妝裝置

面膜模具是根據(jù)人面部基本輪廓生產用于自制面膜的模具，可以重復使用并且制備不同材質的面膜。但是普通面膜模具是按照大眾人臉的輪廓生產，每個人的面部輪廓有很大差異，故普通面膜模具制作的面膜經常不能精準地覆蓋貼合面部。為此，歐陽玲玲公開了一種3D打印面膜模具的制作方法（圖7）。該模具主要由上模、罩體、人臉模型和下模組成，罩體鑲嵌在上膜中，可與人臉模型完全覆蓋貼合。作者采用三維激光掃描儀獲得人臉輪廓數(shù)據(jù)，結合數(shù)字軟件對含有灌注口的罩體和人臉模型建模，并聯(lián)合3D打印技術將面膜模具打印，當上模與下模閉合后采用最高點注入溶液的方式將面膜的成分從罩體的灌注口注入，便可以制作與用戶面部完美貼合的面膜。

圖7 基于3D打印個性化設計的面膜成型模具

圖 8 一種基于視覺三維重建的定制面膜裝置

另外，紀剛等公開了一種直接覆蓋至人臉的面膜模具（圖8），作者使用三維重建圖像技術和3D打印技術制作專屬于用戶的面膜模具。三維重建圖像技術主要通過多角度拍攝用戶面部和參照物的圖片，對圖片的深度圖和位姿進行數(shù)據(jù)重建，得到真實尺度的人臉模型，具體操作是在拍攝參照物的圖片選擇一條測量邊來確定坐標軸，同時測量該邊在真實空間中的長度，然后在拍攝的圖片上提取特征點，選擇任意兩張圖片的特征點獲得匹配點對，借助測量的數(shù)據(jù)、光束平差法優(yōu)化圖片的位姿和基于雙目視覺的立體匹配法生成的深度圖來重建具有真實尺度的人臉三維模型。最終將設計的數(shù)據(jù)導入3D打印設備將該面膜模具打印出來，該裝置主要由兩層人臉模型實體組成，兩層之間根據(jù)標記穴位點和透氣孔分別添加按摩電動振動器和可控柔性電路板，穴位點通過對人的正臉圖片進行檢測，根據(jù)檢測框和人臉實際情況標記穴位點，透氣孔位置添加的可控柔性電路板具有自熱作用且均勻分布在人臉上。該3D打印面膜模具的設計不僅可實現(xiàn)個性化面膜載體的定制，同時添加的自熱系統(tǒng)和按摩系統(tǒng)，可以使面膜的功效成分充分吸收，達到高效的精準護膚。

3D打印技術定制個性化妝容
有些工作有時需要一些特定的妝容，比如在不同戲曲表演、舞臺劇演出、影視角色扮演等情況下，這些妝容大多情況下需要很長時間去準備，耗費化妝師、文藝工作者大量的時間精力。3D打印技術，可以利用計算機軟件，打印出特定妝容。葉毅公開了一種3D打印妝容面膜的制作方法，這項發(fā)明主要是向3D打印設備輸送需要化妝的面部掃描數(shù)據(jù)，并且充分混合面膜材料送入3D打印機，打印出與化妝面部幾何特征完全匹配的妝容面膜，后續(xù)為了去除面膜中的無效成分，對打印好的面膜進行輕度激光燒結，從而形成納米晶粒的網狀結構妝容面膜。使用前在與面部直接接觸的一面噴灑護膚成分，這樣使文藝演出表演者既獲得了定制化妝容，還可以進行皮膚護理。李婷還研發(fā)了一種具有多層不同基質的3D打印妝容面膜（圖9），主要分為基質層、底油層、妝容層、水凝膠層以及緊固層，其中面膜基質層和水凝膠層用于護膚，妝容層用于化妝，與人臉皮膚直接接觸，而底油層和緊固層用于定妝。人們通常會在化妝前對皮膚進行水乳護膚，該發(fā)明還將妝容層細分為水乳層、面霜層、防曬層和隔離層，使護膚和化妝同時進行，既減少了時間消耗，也實現(xiàn)了精準護膚和個性化定制妝容，而且3D打印技術以逐層打印的方式使多層面膜層層之間完美貼合覆蓋，解決了傳統(tǒng)工藝制備面膜時會導致層層之間相互錯位的問題。楊娜娜的團隊使用三噴頭3D打印機，根據(jù)對面部三維掃描預設妝容后，逐層打印化妝層與原料層。在第一噴頭系統(tǒng)打印化妝層時，第二噴頭系統(tǒng)同時在化妝層預設的坐標點預留納米機器人的位置；在第一噴頭系統(tǒng)打印原料層時，第三噴頭系統(tǒng)同時在原料層預設坐標點的原料盒打印化妝原料，打印完成后使用紫外光固化燈照射系統(tǒng)將面膜固化。當面膜敷至人臉后，由控制系統(tǒng)對納米機器人發(fā)出指令后根據(jù)預設妝容進行繪制。

圖9 多層3D打印化妝面膜

除了3D打印妝容面膜之外，王喆[43]還發(fā)明了一種化妝機（圖10），該化妝機聯(lián)合噴墨3D打印技術，用戶根據(jù)需求選定妝容后，頭頂定位座與下顎托架對人臉進行定位，在補光燈的照射作用下，生物識別鏡頭對面部的膚色、五官進行識別，化妝機根據(jù)用戶選定妝容通過3D打印噴組件對面部進行涂妝，3D打印噴組件上設置有呈矩形陣列式排列的噴頭，可以向面部精確噴灑噴妝原料，提高化妝機的涂妝效果。

圖10 3D打印化妝機

3D打印技術定制專屬妝容，極大地提高了化妝速率，同時對于不了解化妝技術的人群來說，避免了化“丑妝”和無效化妝的尷尬，實現(xiàn)了化妝的智能化、個性化和多樣化。

其他
3D打印技術具有將復雜流程精簡化的特點，在化妝品領域還可用于打印人的皮膚組織，以替代動物實驗來開展化妝品安全性和功效評價。楊洋采用生物3D細胞打印技術將人永生化角質形成細胞和成纖維細胞構建出來，同時在細胞成型過程中使用3D打印技術對細胞進行分層、分區(qū)疊加，最終打印出與人體的皮膚結構相似、功能完整的皮膚模型。該模型可用于皮膚健康相關的化妝品安全性及毒理學評價，不僅避免了動物模型存在個體差異性大，同時還解決了傳統(tǒng)2D培養(yǎng)細胞無法高度還原人體皮膚結構的問題；此外，3D打印技術還可用于定制化妝品容器和包裝設計，通過快速且簡化模型的制作，可直觀看出產品效果，不僅有助于開發(fā)新的包裝設計和創(chuàng)意，還推動化妝品容器包裝設計走上高科技發(fā)展的道路。

展望
目前，人們對于個性化美妝和精準護膚的需求愈發(fā)增強，而3D打印化妝品的出現(xiàn)解決了單一成分護膚品無法解決的皮膚問題，達到了普通彩妝無法達到護膚與化妝同時進行的目的。將現(xiàn)代化的3D打印技術與化妝品聯(lián)合，不僅滿足人們對于化妝品的個性化定制需求，促進皮膚內部護理，從真正意義上實現(xiàn)皮膚的精細化管理，同時與醫(yī)學美容聯(lián)合可精準治療病理性皮膚問題，與彩妝結合定制可以使化妝智能化、個性化和多樣化。

3D打印技術在化妝品領域中最大的優(yōu)勢是個性化定制，但對于需要大量生產的化妝品種類而言，傳統(tǒng)生產方式會比3D打印生產方式更加經濟，我們需要突破傳統(tǒng)觀念的限制，深入挖掘3D打印技術在化妝品的應用價值，提高3D打印生產方式的經濟效益。同時，3D打印技術在化妝品領域初露鋒芒，但打印材料的單一限制了其發(fā)展，我們需要對可用于打印化妝品的材料進行充分挖掘與研究。不僅如此，3D打印化妝品的發(fā)展還會受到成本的限制，3D打印機的昂貴一定程度上提高了3D打印化妝品的制備以及生產成本。但隨著經濟的發(fā)展和個性化定制產品成為一股熱潮，3D打印技術站在科學技術的高端前沿，與化妝品領域聯(lián)合必將開啟個性化精準美膚的嶄新篇章。

來源： 中國日用化學工業(yè)信息中心