综述：3D打印技术在化妆品领域的应用

作者：刘付春俏1，曾少枫1，周柏先1，张文芳1，杨帆1, 2, *，宋凤兰3, 4, （1、广东药科大学新药研发中心 广东省药物新剂型重点实验室和广东省局部精准药物递药制剂工程技术研究中心；2、广东药科大学附属第一医院 临床药学重点专科；3、广东药科大学中山校区实验中心；4、广东省化妆品工程技术研究中心）

3D打印技术又称增材制造技术，其通过计算机辅助设计（CAD）建模，并应用相关材料以逐层打印的方式构造出三维物体，是第三次工业革命核心技术之一。与传统技术相比，3D打印技术具有显著的个性化、智能化、信息化、高精密性、快速定型等特点。目前，3D打印技术在多个技术领域都有着飞速的发展，在机械工业、建筑行业、食品加工以及医疗领域都有着广泛的应用，在机械工业中，3D打印技术可以简化零件生产过程，避免传统技术生产零件的繁琐程序，利用数据建模结合打印物体，可生产结构复杂的零件，具有高精密度设计的优势；在建筑行业中，通过与建筑信息模型技术（BIM技术）结合，将BIM建模信息传输至3D打印设备，使数据实体化，扩展可视化，可直观感受预期效果；在食品加工领域，3D打印技术可以根据人们对食品形状外观以及饮食健康的要求进行定制加工，通过计算机分析身体数据，可打印出“自身量化”的健康食品，同时减少食品在加工过程中对环境造成的污染；在医疗领域，根据病人个体特异性，3D打印出量身定制的手术导板、医疗植入物（骨骼、关节、心脏瓣膜、组织、器官）、义齿、各种康复器械（矫正鞋垫、仿生手、助听器）、药品等已经进入临床，极大提高患者的依从性，实现个性化精准医疗。越来越多的事实表明，3D打印技术从想象到现实，逐渐发展成与人类衣食住行密切相关的一门技术。3D打印的衣服和鞋子已多次出现在全球各大时装展，3D打印的饼干和蛋糕已成为一些餐桌上的小点心，3D打印的咖啡桌和个性家具颇受年轻人的喜爱，而在自行车、汽车、飞机等交通工具的设计中也越来越多地体现出3D打印元素。

随着3D打印技术的发展，其也被广泛应用于化妆品领域，如香奈儿公司使用选择性激光烧结3D打印机来制备具有微腔的睫毛刷（图1），该微腔可以吸收适量的睫毛膏，减少使用时的蘸取次数；英国某化妆品公司生产的粉底液笔Adorn（图2），将3D打印技术与颜色识别系统联合，通过扫描仪贴合在面部获得皮肤色素值，再从颜色识别系统中选择最佳配色调和后，使用3D打印技术打印出最佳色号粉底液；Richard使用3D打印工艺将化妆粉制备成想要的颜色或图案；Christian等根据粉状化妆品（如眼影、腮红、散粉等）的颗粒不同，采用3D打印技术定制不同粗细的化妆刷；Samain提供了联合喷墨3D打印技术，制作出一种可以拥有自己喜欢颜色的化妆调色板；Grace Choi将3D打印喷墨技术应用于Mink打印机，利用互联网的颜色选择器来复制颜色的十六进制代码以呈现不同的色号，从而定制自己喜欢的口红或眼影等。除此之外，3D打印技术还可用于化妆品功效评价中3D打印皮肤组织以及3D打印定制款的化妆品包装容器。随着社会人群对化妆品的个性化定制以及精准护肤的需求越来越大，3D打印技术也将为化妆品行业带来一次新的升级。现主要就3D打印技术在化妆品领域中的应用予以简单综述（表1）。

图1 香奈儿3D打印睫毛刷（图源：香奈儿）

图2 英国3D打印粉底液笔Adorn

表1 3D打印技术在化妆品领域的应用及相关成果举例

3D打印技术定制个性化护肤品
每个人的皮肤都是“独一无二”的，即使是同一张脸的皮肤，也会拥有不同的皮肤状态，如混合性皮肤，其最明显的特点就是面部油脂分布不均匀，不同的皮肤对护肤品的性能需求其实是不同的。许多拥有敏感肌的人群局部区域会对某些功效成分过敏，从而导致局部长痘泛红等过敏现象，这其实需要针对肌肤状态选用个性化的护肤品。目前，我们护肤多使用广谱化护肤品，虽然在一定程度上可以补水保湿，但是其功效成分单一，对不同类型皮肤效果不一。龙华等考察了保湿剂对不同类型皮肤的保湿效果，将短期使用产品后皮肤含水量的结果进行比较，发现不同类型皮肤的含水量变化均有明显差异。刘萍等使用果酸治疗不同类型皮肤的痤疮患者，发现不同的痤疮患者需要使用的最佳果酸浓度不同。研究证明，同一护肤品对不同皮肤状态的效果有差异，无法针对皮肤进行精准护肤，这便促使了个性化定制护肤品的出现。

个性化定制护肤品可根据每个人不同的皮肤状态、生活环境、个人需求来量身定制专属的护肤品，解决个体差异化的问题。面对化妆品行业的崛起，人们更关注护肤的智能化、个性化和安全性，个性化定制护肤品逐渐成为一股新潮流。为了迎合人们的需求，市场上也渐渐涌现出了各种各样的个性化定制护肤品，云南白药在“第二届东亚肌肤健康研究中心学术研讨会”上的发布了“AI肌肤诊疗个性化定制系统”，其中包含了AI智能识别系统、传感技术，并联合皮肤科专家诊断和大数据分析提供精准的护肤方案；日本资生堂的个性化定制护肤系统，通过分析用户皮肤的情况和记录其生活环境，再从8万多种产品中混合配比出最佳的护肤品。目前，在个性化定制护肤品的发展中，3D打印技术因其个性化、智能化的特点，应用越来越多，研究较多的就是3D打印面膜。

3D打印面膜最大的特点就是可以极大地满足人们对个性化精准护肤的需求。陈海佳的团队公开了一种3D打印面膜及其制备工艺，其运用三维扫描技术对面部进行扫描来获取面部的三维数据以及皮肤状态，根据数据分析定制面膜载体和分区定制功效成分，并以3D打印特有的工艺技术，精准将功效成分打印至水凝胶面膜上，最终获得个性化定制面膜。该面膜具有以下优势：实现了从面膜载体到功效成分的完全个性化定制，提高护肤的精确性和有效性；使用3D打印技术特有的工艺制备面膜无需经过高温过程，避免了有效成分的损失，为3D打印面膜基质制备工艺探究奠定基础；以多孔胶原蛋白凝胶为面膜基质，在真空条件下形成多孔面膜支架，可实现对面膜液最大程度的吸收，减少有效成分的损耗。刘强等公开了一种适于3D打印面膜的凝胶基质及其制备方法和应用，制备的凝胶基质面膜与皮肤的生物相容性好，亲和性强，还能提高角质层的水化作用，其创新之处是可根据面部皮肤问题的严重程度来定制功效成分的用量。孙雅洁以多步骤、多材料复合式3D打印面膜，通过肌肤数据先打印具有吸附性的基底膜，随后再使用多喷头3D打印机在基底膜上分区打印，对普通护理部位喷涂基础护理成分，在特殊护理部位喷涂需要的特殊功效成分。而在制备个性化面膜的过程中，叶毅采用了减法/替换方法，即以基础成分护理为总基底，喷涂时在需要特殊护理的部位减少喷涂基础成分，然后用特殊成分替换，此面膜不仅能够与面部贴合紧密，而且护理成分针对性强，可满足用户个性化定制、精准护理需求。

每个人的肌肤状态不同，对化妆品的需求也不同。基于这个原因，周铁兵根据三维扫描仪获得的数据并运用3D打印技术，首先打印了含有一种或多种基础护理成分的基层，该基础护理成分主要是根据人的皮肤类型而定制的，如干性或油性皮肤会选择适合面部补水的基础成分类型，而混合性皮肤便会根据不同区域的皮肤类型分区施加合适的基础护理成分。在打印出基础护理成分以后，如果还需要特殊护肤，3D打印设备会根据扫描面部的生理或病理特征如斑点、皱纹和痤疮等数据，在基层的基础上再分区打印个性化护理成分。该发明既解决了面部个性化基础护肤，避免了其他不需要使用功效成分的皮肤带来的风险问题，还满足了不同生理或病理特征的用户精准治疗需求。

为了使面膜更加完美地贴合皮肤以及追求更高效的精准护肤，高晓军在个性化面膜的制备过程中采用了“肌肤测试-脸型测试-面膜打印-配比精华”的模式，同时针对人脸扫描特征构建多个测量提取点位和测量指标，对面部鼻子、嘴和眼睛都精确地提取点位，除面部的轮廓特征，还增加了发际线和耳部的点位和指标。该发明最大的优势是增加了医学分析系统，通过皮肤组织影像分析来诊断面部皮肤的创伤、感染、痤疮或者湿疹等病理性皮肤疾病，以确保获得更精准的治疗方案。该发明利用高精准扫描仪、皮肤组织影像分析与3D打印技术联用，使个性化精准护肤更上一层楼，同时采用多喷头3D打印机分别打印治疗皮肤炎症的治疗性药物或植物提取液，为3D打印面膜用于医美领域提供思路。

3D打印技术与护肤结合还可以增强治疗效果。陈海佳将采用3D打印技术制备的美白祛斑面膜与传统工艺制备的美白祛斑面膜的美白效果进行比较，发现普通面膜的美白效果仅仅是3D打印面膜的83.3%。周武艺根据人的面部轮廓特征依次逐层打印凝胶面膜支架、面膜液、自热成分、凝胶面膜，得到了3D打印可自热的多孔凝胶美容面膜，该面膜通过其自热可促进了皮肤对营养成分的吸收。

目前国内3D打印面膜多处于实验室研究阶段，但国际上已有3D打印面膜产品上市。韩国护肤品牌艾诺碧（图3）和美国露得清（图4）陆续将3D打印面膜带到众人面前，推动了3D打印护肤品走向个性化定制产品的潮流尖端。

图3 IOPE艾诺碧3D打印面膜

图4 美国露得清3D打印面膜

3D打印技术定制个性化化妆模具
由于时代的发展，许多人对自身形象管理要求越来越高，化妆逐渐成为众人出门必不可少的一步，越来越多的人开始使用彩妆。彩妆的使用最不可避免的就是学习化妆技巧，而化妆技巧的学习需要耗费大量的时间和精力，彩妆模具便应运而生。目前已有印眉器、口红涂抹器和眼影印章等彩妆模具的发明，但是由于传统工艺中无法获取精准的三维形态，而且使用者个体差异较大，导致使用时无法完全对使用部位进行覆盖贴合，出现错位或者晕染的情况。而3D打印技术可以根据人脸大小、眉毛粗细、嘴唇厚薄以及眼睛大小等特征差异来定制个性模具，在模具中加入彩妆原料快速定型，使用的时候只要直接往相应部分覆盖贴合便可以得到相应的妆容。Henri将3D打印技术与个性化涂抹器结合，采用三维扫描仪获得人唇部的轮廓数据，通过辅助软件进行建模，然后导入3D打印机将口红或唇膏涂抹器模具打印出来（图5）。蔡芷柔制作了一种结合3D打印技术的眼影装置（图6），其外表与平时使用的睫毛夹相似，该装置由美妆工具、定制膜与打印辅助模板组成，根据上眼睑的轮廓扫描数据，使用3D打印机将定制膜打印至打印辅助模板，取出贴在美妆工具上，为了确保稳固眼影覆盖至正确的位置，需要参照眼睑睫毛根部，对准上眼睑按压转印后便上妆成功，既达到了快速的上妆效果，又可获得个性化眼影妆容。彩妆模具可使用户在短时间内获得期盼的妆容，还可以避免彩妆在上妆时与手部皮肤接触而造成的晕染。

图5 3D打印口红涂抹器

图6 3D打印定制眼影美妆装置

面膜模具是根据人面部基本轮廓生产用于自制面膜的模具，可以重复使用并且制备不同材质的面膜。但是普通面膜模具是按照大众人脸的轮廓生产，每个人的面部轮廓有很大差异，故普通面膜模具制作的面膜经常不能精准地覆盖贴合面部。为此，欧阳玲玲公开了一种3D打印面膜模具的制作方法（图7）。该模具主要由上模、罩体、人脸模型和下模组成，罩体镶嵌在上膜中，可与人脸模型完全覆盖贴合。作者采用三维激光扫描仪获得人脸轮廓数据，结合数字软件对含有灌注口的罩体和人脸模型建模，并联合3D打印技术将面膜模具打印，当上模与下模闭合后采用最高点注入溶液的方式将面膜的成分从罩体的灌注口注入，便可以制作与用户面部完美贴合的面膜。

图7 基于3D打印个性化设计的面膜成型模具

图 8 一种基于视觉三维重建的定制面膜装置

另外，纪刚等公开了一种直接覆盖至人脸的面膜模具（图8），作者使用三维重建图像技术和3D打印技术制作专属于用户的面膜模具。三维重建图像技术主要通过多角度拍摄用户面部和参照物的图片，对图片的深度图和位姿进行数据重建，得到真实尺度的人脸模型，具体操作是在拍摄参照物的图片选择一条测量边来确定坐标轴，同时测量该边在真实空间中的长度，然后在拍摄的图片上提取特征点，选择任意两张图片的特征点获得匹配点对，借助测量的数据、光束平差法优化图片的位姿和基于双目视觉的立体匹配法生成的深度图来重建具有真实尺度的人脸三维模型。最终将设计的数据导入3D打印设备将该面膜模具打印出来，该装置主要由两层人脸模型实体组成，两层之间根据标记穴位点和透气孔分别添加按摩电动振动器和可控柔性电路板，穴位点通过对人的正脸图片进行检测，根据检测框和人脸实际情况标记穴位点，透气孔位置添加的可控柔性电路板具有自热作用且均匀分布在人脸上。该3D打印面膜模具的设计不仅可实现个性化面膜载体的定制，同时添加的自热系统和按摩系统，可以使面膜的功效成分充分吸收，达到高效的精准护肤。

3D打印技术定制个性化妆容
有些工作有时需要一些特定的妆容，比如在不同戏曲表演、舞台剧演出、影视角色扮演等情况下，这些妆容大多情况下需要很长时间去准备，耗费化妆师、文艺工作者大量的时间精力。3D打印技术，可以利用计算机软件，打印出特定妆容。叶毅公开了一种3D打印妆容面膜的制作方法，这项发明主要是向3D打印设备输送需要化妆的面部扫描数据，并且充分混合面膜材料送入3D打印机，打印出与化妆面部几何特征完全匹配的妆容面膜，后续为了去除面膜中的无效成分，对打印好的面膜进行轻度激光烧结，从而形成纳米晶粒的网状结构妆容面膜。使用前在与面部直接接触的一面喷洒护肤成分，这样使文艺演出表演者既获得了定制化妆容，还可以进行皮肤护理。李婷还研发了一种具有多层不同基质的3D打印妆容面膜（图9），主要分为基质层、底油层、妆容层、水凝胶层以及紧固层，其中面膜基质层和水凝胶层用于护肤，妆容层用于化妆，与人脸皮肤直接接触，而底油层和紧固层用于定妆。人们通常会在化妆前对皮肤进行水乳护肤，该发明还将妆容层细分为水乳层、面霜层、防晒层和隔离层，使护肤和化妆同时进行，既减少了时间消耗，也实现了精准护肤和个性化定制妆容，而且3D打印技术以逐层打印的方式使多层面膜层层之间完美贴合覆盖，解决了传统工艺制备面膜时会导致层层之间相互错位的问题。杨娜娜的团队使用三喷头3D打印机，根据对面部三维扫描预设妆容后，逐层打印化妆层与原料层。在第一喷头系统打印化妆层时，第二喷头系统同时在化妆层预设的坐标点预留纳米机器人的位置；在第一喷头系统打印原料层时，第三喷头系统同时在原料层预设坐标点的原料盒打印化妆原料，打印完成后使用紫外光固化灯照射系统将面膜固化。当面膜敷至人脸后，由控制系统对纳米机器人发出指令后根据预设妆容进行绘制。

图9 多层3D打印化妆面膜

除了3D打印妆容面膜之外，王喆[43]还发明了一种化妆机（图10），该化妆机联合喷墨3D打印技术，用户根据需求选定妆容后，头顶定位座与下颚托架对人脸进行定位，在补光灯的照射作用下，生物识别镜头对面部的肤色、五官进行识别，化妆机根据用户选定妆容通过3D打印喷组件对面部进行涂妆，3D打印喷组件上设置有呈矩形阵列式排列的喷头，可以向面部精确喷洒喷妆原料，提高化妆机的涂妆效果。

图10 3D打印化妆机

3D打印技术定制专属妆容，极大地提高了化妆速率，同时对于不了解化妆技术的人群来说，避免了化“丑妆”和无效化妆的尴尬，实现了化妆的智能化、个性化和多样化。

其他
3D打印技术具有将复杂流程精简化的特点，在化妆品领域还可用于打印人的皮肤组织，以替代动物实验来开展化妆品安全性和功效评价。杨洋采用生物3D细胞打印技术将人永生化角质形成细胞和成纤维细胞构建出来，同时在细胞成型过程中使用3D打印技术对细胞进行分层、分区叠加，最终打印出与人体的皮肤结构相似、功能完整的皮肤模型。该模型可用于皮肤健康相关的化妆品安全性及毒理学评价，不仅避免了动物模型存在个体差异性大，同时还解决了传统2D培养细胞无法高度还原人体皮肤结构的问题；此外，3D打印技术还可用于定制化妆品容器和包装设计，通过快速且简化模型的制作，可直观看出产品效果，不仅有助于开发新的包装设计和创意，还推动化妆品容器包装设计走上高科技发展的道路。

展望
目前，人们对于个性化美妆和精准护肤的需求愈发增强，而3D打印化妆品的出现解决了单一成分护肤品无法解决的皮肤问题，达到了普通彩妆无法达到护肤与化妆同时进行的目的。将现代化的3D打印技术与化妆品联合，不仅满足人们对于化妆品的个性化定制需求，促进皮肤内部护理，从真正意义上实现皮肤的精细化管理，同时与医学美容联合可精准治疗病理性皮肤问题，与彩妆结合定制可以使化妆智能化、个性化和多样化。

3D打印技术在化妆品领域中最大的优势是个性化定制，但对于需要大量生产的化妆品种类而言，传统生产方式会比3D打印生产方式更加经济，我们需要突破传统观念的限制，深入挖掘3D打印技术在化妆品的应用价值，提高3D打印生产方式的经济效益。同时，3D打印技术在化妆品领域初露锋芒，但打印材料的单一限制了其发展，我们需要对可用于打印化妆品的材料进行充分挖掘与研究。不仅如此，3D打印化妆品的发展还会受到成本的限制，3D打印机的昂贵一定程度上提高了3D打印化妆品的制备以及生产成本。但随着经济的发展和个性化定制产品成为一股热潮，3D打印技术站在科学技术的高端前沿，与化妆品领域联合必将开启个性化精准美肤的崭新篇章。

来源： 中国日用化学工业信息中心