Wskaż Lidera Polskiej Chemii













Logo Chemical Online

Modyfikatory reologii – istotnego parametru wyrobów kosmetycznych

21.02.2006 00:00:01

Istotnymi składnikami wielu kosmetyków są substancje kształtujące ich strukturę. Reologia wyrobu w wielu wypadkach odgrywa on znaczącą rolę w ich praktycznym zastosowaniu. Najbardziej znanym i najłatwiej obserwowanym przejawem reologii większości preparatów kosmetycznych jest lepkość. Czynnik ten często jest wymiernym wyznacznikiem trwałości oraz istotnym elementem profilującym formę wyrobu, dostosowującą go do określonego opakowania, w którym kosmetyk docelowo jest oferowany. Jak istotną rolę odgrywa ten parametr może świadczyć fakt, iż konsumenci produktów pielęgnacyjnych bardzo często kojarzą lepkość z jakością wyrobu.
Magdalena Sikora

Preparat o wysokiej lepkości bardzo często jest odbierany jako zawierający dużą ilość substancji aktywnych, a te z kolei według odbiorców zapewniają mu dobrą jakość oraz dużą skuteczność działania. Podstawową grupą surowców modyfikujących lepkość wyrobów kosmetycznych, jak również zapewniających im określone walory użytkowe oraz stabilność, stanowią środki zagęszczające. Z reguły są to wielkocząsteczkowe substancje, które rozpuszczają się lub dyspergują w zimnej wodzie. Podstawowy parametr charakteryzujący związki stosowane w produktach kosmetycznych stanowi właśnie ich rozpuszczalność, która warunkuje zdolność tworzenia przez nie w wodzie odpowiednio roztworu lub koloidalnej zawiesiny. Od tego parametru zależy wiele innych ich właściwości użytkowych takich jak zagęszczanie, żelowanie czy też zdolność stabilizowania różnorodnych układów. Dzięki dużym rozmiarom tych związków, których ciężar cząsteczkowy może dochodzić nawet do kilku milionów, ich specyficznej strukturze oraz zdolności tworzenia wiązań wodorowych w systemach wodnych, następuje ograniczenie mobilności cząsteczek wody, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia płynności a zatem zwiększenia lepkości układu, do którego je wprowadzono. Wartość lepkości wodnych roztworów tych związków stanowi podstawowy miernik ich zdolności zagęszczających. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego surowca, w dużej mierze zależy ona jednak od takich czynników jak stężenie składnika, pH roztworu, obecność elektrolitów itp.

Zagęstniki naturalne i syntetyczne
W literaturze możemy spotkać się z różnorodnymi podziałami środków zagęszczających. Jeden z nich uzależniony jest od ich pochodzenie. Wyróżniamy w nim trzy grupy związków: naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne. Do pierwszej z nich z zaliczamy naturalne żywice i polimery takie jak guma tragakantowa czy też ksantanowa, jak również surowce nieorganiczne m.in. krzemionkę. W wyrobach kosmetycznych związki z tej grupy cenione są ze względu na pochodzenie, walory ekologiczne, efektywność działania. Ich wadą jest natomiast to, że kolejno pozyskiwane partie surowców, podobnie jak przypadku wszystkich produktów naturalnych, mogą się między sobą różnić, co nie pozostaje obojętne dla recepturowanego wyrobu. Drugą grupę środków zagęszczających stanowią związki otrzymane na bazie naturalnych surowców modyfikowanych na drodze chemicznej. Spośród jej przedstawicieli najczęściej wymieniane są analogi celulozy (np. metyloceluloza, hydroksyetyloceluloza). Trzeci segment stanowią natomiast związki pozyskiwane w wyniku typowej syntezy organicznej, do których zaliczamy m.in. pochodne kwasu akrylowego.

Z pomocą natury
Układami naturalnymi o właściwościach hydrokoloidów są różnorodne surowce często określane mianem gum. Z reguły są to produkty przemiany materii roślin bądź układy powstające w nich pod wpływem różnorodnych bodźców zewnętrznych, w tym także mechanicznych. Do grupy tej zaliczamy gumę tragakantową, zestaloną wydzielinę wytwarzaną w wyniku uszkodzenia części roślin gatunków Astragalus rosnących m.in. w Azji Mniejszej. Jest to polisacharyd, o wysokiej, przekraczającej 10 000 000 masie cząsteczkowej i rozgałęzionym łańcuchu, w skład którego wchodzą fragmenty kwasu glukuronowego i arabinozy. W wodzie tworzy on roztwory koloidalne bądź zole o dużej lepkości. W podwyższonej temperaturze lub środowisku kwaśnym zapewnia stabilne żele. W kosmetyce surowiec ten znajduje zastosowanie głównie jako środek stabilizujący emulsje i zawiesiny.
Kolejnym surowcem, który znalazł zastosowanie w preparatach kosmetycznych jest guma arabska. Jest to wydzielina, którą pozyskuje się w wyniku mechanicznego skaleczenia rosnących w Sudanie, Senegalu, Indiach i Australii drzew z rodzaju Acacia. Stanowi ją mieszanina różnorodnych soli kwasu arabowego, w skład cząsteczki którego wchodzą jednostki strukturalne galaktozy, ramnozy, arabinozy i kwasu glukuronowego. Guma ta dobrze rozpuszcza się w wodzie. Jej zole charakteryzują się dużą lepkością, która osiąga najwyższą wartość przy pH 6-8. Znajduje ona zastosowanie jako substancja zagęszczająca, stabilizator emulsji, a także nośnik w procesie mikrokapsułkowania
Do ważnych środków zagęszczających, chętnie stosowanych w kosmetyce, zaliczamy także gumę guar, polisacharyd zbudowany z cząsteczek mannozy i galaktozy występujących w układzie w proporcji 2:1. Jest to biały proszek pozyskiwany z nasion uprawianej od wieków w Pakistanie podobnej do soi rośliny Cyamopsis tetragonolobus L. Surowiec ten rozpuszcza się dobrze zarówno w zimnej jak i ciepłej wodzie tworząc obojętny, stabilny w zakresie pH 3-11 roztwór koloidalny, który po dodaniu boraksu przekształca się w żel. Szybkość rozpuszczania oraz lepkość roztworów na bazie gumy guar zależy w dużej mierze od stopnia rozdrobnienia surowca. Układ ten znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia. W kosmetyce jest on surowcem wykorzystywanym do modyfikowania receptur szamponów, kremów, balsamów. W przemyśle wykorzystuje się także produkty modyfikacji gumy guar m.in. pochodne hydroksypropylowe, czy też ich czwartorzędowe sole amoniowe. Przy ich pomocy można recepturować preparaty kosmetyczne w postaci klarownych żeli. Ważną zaletą tych surowców jest duża stabilność ich wodnych roztworów w szerokim zakresie pH (5 -11).
Kolejnym ważnym surowcem, wpływającym na reologię układów wodnych jest guma ksantanowa. Jest to naturalny, wysoko cząsteczkowy polisacharyd, otrzymywany w trakcie aerobowego procesu fermentacji glukozy, prowadzonego przy udziale bakterii Xanthomonas campestri. Główny łańcuch tego polisacharydu ma strukturę 1,4 b-glukanu, w którym pojawia się rozgałęzienie zbudowane z jednostek mannozy i kwasu glukuronowego. Jest to związek rozpuszczalny zarówno w zimnej jak i gorącej wodzie. W związku z ochronną rolą jaką pełni on w naturze jest to surowiec bardziej odporny na siły ścinania, temperaturę, działanie mikroorganizmów, degradację UV niż inne gumy. Guma ksantanowa zaliczana jest do hydrofilowych koloidów, służących do zagęszczania i utrwalania zawiesin i stabilizowania zarówno emulsji jaki i innych układów wodnych. Powoduje ona znaczny wzrost lepkości roztworów nawet przy niskim stężeniu. Otrzymane układy są stabilne w szerokim zakresie pH od 2 do 12. Stopień uwodnienia gumy ksantanowej jest proporcjonalny do ilości energii użytej, przy sporządzaniu dyspersji surowca i zwiększa się wraz z wydłużeniem czasu mieszania, jego intensywności jak i wzrostu temperatury wody. Jednak aby osiągnąć przy jego pomocy najlepsze właściwości reologiczne guma musi w sposób właściwy zostać zdyspergowana w zagęszczanym układzie. Na etapie wytwarzania dyspersji w wodzie do której jest ona dodawana nie powinny znajdować się żadne inne surowce, w szczególności zaś środki konserwujące, gdyż mogą przeszkadzać w właściwym jej uwodnieniu i osiągnięciu koloidalnej struktury. Guma ksantanowa dobrze toleruje w układach recepturalnych elektrolity, kwasy, zasady, ma także unikalną zdolność do zagęszczania gliceryny. Jest kompatybilna z większością niejonowych i anionowych środków zagęszczających. Z tego też powodu znajduje szerokie zastosowanie zarówno w przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym jak i spożywczym.
W preparatach kosmetycznych spośród surowców pochodzenia roślinnego można również spotkać gumę karob bardziej znaną jako gumę drzewa świętojańskiego. Otrzymuje się ją z bielma nasion rośliny Ceratonia siliqua. Surowiec ten ma budowę podobną do gumy guar. Jego łańcuch zbudowany jest z powtarzających się cząsteczek mannozy, przy czym w łańcuchu tym pojawiają się krótkie rozgałęzione fragmenty zawierające jednostkę strukturalną galaktozy. Guma ta po ogrzaniu w wodzie tworzy lepki roztwór, którego lepkość rośnie podczas oziębiania. Jest to związek kompatybilny z wieloma hydrokoloidami. I choć sama nie ma właściwości żelujących jednak stosowana z innymi układami np. gumą ksantanową natychmiast tworzy żel.
Spośród naturalnych modyfikatorów reologii układów kosmetycznych nie można pominąć surowców pozyskiwanych ze świata morskiego do których należą kwas alginowy i karagen, których główne źródło stanowią wodorosty morskie. Kwas alginowy otrzymuje się na drodze ekstrakcji morskich alg brunatnych (Phaeophyceae). Związek ten zawiera w cząsteczce powtarzające się fragmenty kwasu mannurowego i guluronowego. Ponieważ nie jest on rozpuszczalny w wodzie najczęściej bywa stosowany w postaci soli tzw. alginianów. Działanie tych związków w dużym stopniu zależy od rodzaju i stężenia występujących kationów, wartości pH, oraz ich składu. Wyższa zawartość kwasu guluronowego w jego cząsteczce ułatwia żelowanie ale otrzymane żele są kruche, natomiast większa zawartość kwasu mannuronowego zapewnia żele bardziej elastyczne. Istotną cechą alginianów jest zdolność tworzenia sztywnych żeli w obecności kationów wapniowych.
Drugi z wymienionych układów pochodzenia morskiego – karagen pozyskuje się z czerwonych wodorostów morskich (Rodophyceae). Surowiec ten można traktować jako pochodną galaktozy, należy jednak pamiętać, że stanowi on mieszaninę kilku układów z których dwa – kappa i jota tworzą żele. Zarówno alginiany jak i karagen znajdują zastosowanie w różnorodnych formulacjach: kremach, szamponach, maskach, cieniach itp.
Do często stosowanych przedstawicieli surowców naturalnych należy także krzemian glinowo-magnezowy. Surowiec ten po raz pierwszy został użyty ponad 40 lat temu w ciekłej formule makeup-ów i do dzisiaj można go znaleźć w recepturach wielu tego typu wyrobów. Jest to naturalna glinka, która zostaje poddana odpowiedniemu procesowi oczyszczania. Związek ten jest ceniony ze względu na właściwości reologiczne układów wodnych jakie można przy jego pomocy osiągnąć. Jest dobrym stabilizatorem zawiesin, które charakteryzuje przyjazne skórze pH ~ 4,7. Przy jego pomocy można uzyskać stabilne emulsje o różnej lepkości oraz dobrych odczuciach na skórze. Jest on szczególnie polecany do recepturowania kosmetyków o białym zabarwieniu. Jednak chętnie wykorzystywany jest także w wyrobach do makijażu, gdyż jest czynnikiem zawieszającym w układzie recepturalnym pigmenty. Ponadto łatwo rozprowadza się po stosowanych powierzchniach w postaci jednolitego, równomiernego filmu oraz dostarcza skórze przyjemnego, jedwabistego odczucia.

Skrobia, celuloza i ich modyfikacje
Jako składniki wyrobów powszechnego użytku zastosowanie znalazły również skrobia i celuloza. Ich modyfikacje chemiczne dostarczają produktów o szerokiej gamie własności. Skrobia jest naturalnym polimerem zbudowanym w 20% z amylozy – frakcji rozpuszczalnej w wodzie oraz w 80% z nie rozpuszczającej się amylopektyny, których podstawową jednostkę strukturalną stanowi glukoza. Jest to układ szeroko rozpowszechniony w świecie roślinnym. Występuje on między innymi w ryżu, ziarnach zbóż, ziemniakach, nasionach roślin strączkowych, korzeniach tapioki. Skrobie pozyskiwane z różnych źródeł z powodu odmian w kształcie i wielkości cząsteczek, wykazują różnorodne właściwości. I tak np. cząstki skrobi wyizolowanej z ryżu są małe i sferyczne. Wykazują one dużą tendencję do zbrylania się. Skrobia zbożowa i z tapioki ma natomiast większe cząsteczki, które są łatwiejsze w recepturowaniu. W kosmetyce znalazły zastosowanie również pochodne skrobi, które zapewniają preparatom dobre właściwości aplikacyjne. Można je wykorzystać w recepturach wyrobów o niskim pH, a także łagodnych środkach do pielęgnacji ciała.
Forma rozpuszczalnej skrobi jest pozyskiwana poprzez ogrzewanie ziaren do momentu kiedy zostaną zniszczone wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami amylozy i amylopektyny, częściami składowymi naturalnego polimeru. Ta forma jest preferowana jako modyfikator reologii, oraz stabilizator emulsji. Skrobi ta zastosowana w preparatach zatrzymuje na powierzchni wilgoć, dzięki czemu dostarcza gładkiego i kondycjonującego odczucia w stosunku do skóry i włosów. Drugi rodzaj tzw. skrobia granulowana jest otrzymywana bez rozrywania wiązań wodorowych. Ta forma zapewnia również odpowiednią pielęgnację skórze gdyż jest pomocna w natłuszczeniu i utrzymaniu wilgoci.

Kolejną ważną grupę środków zagęszczających stanowi zbliżona strukturalnie do skrobi celuloza oraz jej pochodne. Surowiec wyjściowy jest nierozpuszczalny w wodzie. W kosmetyce wykorzystuje się tzw. celulozę mikrokrystaliczną, otrzymywaną w wyniku jego częściowej hydrolizy, która ma zdolność tworzenia żeli. Znajduje ona zastosowanie jako stabilizator emulsji a także efektywny czynnik wiążący, który zapobiega rozdzielaniu się stałych i ciekłych składników receptury. Ostatnia z wymienionych właściwości powoduje, że układ ten jest wykorzystywany w pastach do zębów, pudrach, maseczkach.
Najczęściej jednak w kosmetyce wykorzystywane są analogi celulozy otrzymywane na drodze modyfikowacji chemicznej. Należą do nich: metylo, etylo, hydroksyetylo, hydroksypropylo karboksymetylo, metylohydroksypropylo- pochodne tego układu. Każda z wprowadzonych grup w różny sposób wpływa na własności modyfikowanej celulozy a zatem także na właściwości reologiczne syntetyzowanych związków. Do najczęściej pojawiających się w recepturach układów należą karboksymetyloceluloza, (CMC), hydroksyetyloceluloza (HEC) oraz metyloceluloza (MC) i etyloceluloza (EC).

Surowce syntetyczne
Ważny segment surowców zagęszczających stanowią także pochodne typowo syntetyczne. Do głównych ich przedstawicieli możemy zaliczyć usieciowane polimery kwasu akrylowego tzw. żywice karbopolowe. Po zdyspergowaniu w wodzie cząsteczka żywicy zaczyna się rozwijać i pęcznieje w wyniku czego następuje wzrost lepkości układu. Dopiero jednak zobojętnienie roztworu zapewnia jonizację, dzięki której dookoła łańcucha polimeru wytwarzane są ładunki ujemne powodujące całkowite rozwinięcie jego cząsteczki. W tej postaci żywica karbopolowa daje efekt bardzo silnego zagęszczenia układu. Jako środki zobojętniające stosuje się najczęściej wodorotlenek sodowy lub zasadową, organiczną aminę np. trietanoloaminę. Ten ostatni czynnik jest szczególnie polecany dla układów wodnych, przy stosowaniu których łatwiej jest kontrolować pH roztworu i uniknąć jego alkalizacji. Przedawkowanie zasady może powodować bowiem trwały spadek lepkości przygotowywanego preparatu. Co istotne przy pomocy żywic karbopolowych można zagęszczać nie tylko układy wodne ale także inne ośrodki, przy czym im bardziej polarny rozpuszczalnik tym można uzyskać silniejszy efekt ich działania.
Oprócz zagęszczania karbopole wraz z odpowiednio dobranymi emulgatorami doskonale stabilizują emulsje O/W. Przydatne są one także w przypadku zawiesin. Przy ich pomocy można w sposób trwały zawiesić w układzie składniki stałe, nierozpuszczalne w nim, dzięki czemu nie ulegają one wytrąceniu. Jest to szczególnie ważne w przypadku np. szamponów specjalnych zawierających nierozpuszczalne w wodzie składniki przeciwłupieżowe. W kosmetyce wykorzystuje się je do tworzenia receptur przezroczystych żeli, płynów kosmetycznych, kremów, specjalnych szamponów np. przeciwłupieżowych.
Coraz częściej stosowanymi do modyfikacji lepkości systemami są także twarde, nierozpuszczalne w wodzie, silikonowe woski, które stosowane w preparatach kosmetycznych pełnią analogiczną rolę jak ich naturalne odpowiedniki.

Są one stabilizatorami i środkami zagęszczającymi układy emulsyjne zarówno w emulsjach O/W, W/O jak i W/Si. Wykorzystuje się je także jako modulatory reologii w sztyftach i żelach. Podobnie jak naturalne woski stanowią one bardzo dobre składniki recepturalne pełniące w wyrobach typu sztyftów rolę lepiszcza. Co istotne, nie tylko wywierają one istotny wpływ na reologie preparatów kosmetycznych ale ich obecność wpływa na inne korzyści funkcjonalne. Działają ponadto nawilżająco w stosunku do skóry, zapewniając jej przyjemne odczucie gładkości. Mogą być one traktowane jako emolienty stosowane w produktach przyjaznych dla skóry. Stosowane w preparatach słonecznych wspomagają pracę filtrów UV, które w ich obecności mogą działać dłużej i silniej.

drukuj ten artykuł drukuj ten artykuł  |   poleć artykuł znajomemu poleć artykuł znajomemu
Najświeższe informacje w kanale RSS Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać)