Karbomery, skupina zesíťovaných polymerů kyseliny akrylové, jsou základními složkami mnoha výrobků, včetně: léčiv, kosmetiky a výrobků osobní péče, výrobků pro domácnost, průmyslové a institucionální péče, tiskařských barev, lepidel a nátěrů. Již více než 50 let se formulátoři v různých průmyslových odvětvích spoléhají na různé karbomery při vytváření viskozity, tvorbě gelů, stabilizaci emulzí a suspendování částic. Při správném použití pomáhají karbomery vytvářet estetické vlastnosti výrobků požadované spotřebiteli a současně umožňují dlouhodobou skladovatelnost. Vzhledem k jejich užitečnosti, spolehlivosti a občasné schopnosti zachránit uvedení výrobku na trh odsouzeného k zániku tím, že stabilizují špatně koncipované receptury proti separaci, jsou karbomery zkušenými vývojáři výrobků popisovány jako „nejlepší přítel formulátora“. V tomto sloupku se budeme zabývat chemií a vlastnostmi karbomerů, které jim zajistily tuto zaslouženou pověst.
Chemie a výroba
Nomenklatura: Existují četné odrůdy zesíťovaných homo- a kopolymerů kyseliny akrylové, ale termín karbomer je obvykle vyhrazen pro označení vysokomolekulárních polymerů kyseliny akrylové, které jsou lehce zesíťovány allylethery polyalkoholů (viz obrázek 1).1, 2 Příkladem takových polyfunkčních allyletherů jsou tetraallyl pentaerythritol (TAPE) a hexaallyl sacharóza, jak je znázorněno na obrázku 2. Národní slovník (NF) uvádí tradiční karbomery jednotlivě podle jejich specifického chemického složení a vlastností, např. viskozity roztoku, s použitím čísel spojených s obchodními názvy prvních karbomerů, např. karbomer 934 (viz tabulka 1). Pro moderní karbomery syntetizované bezbenzenovými postupy přijala NF termíny homopolymer karbomeru, kopolymer karbomeru a interpolymer karbomeru k popisu různých druhů karbomerů používaných jako pomocné látky ve farmaceutických přípravcích a přípravcích volně prodejných léčiv. Tyto termíny jsou shrnuty v tabulce 1. V monografiích Evropského lékopisu a japonských monografiích farmaceutických pomocných látek se souhrnné názvy karbomery (EU) a karboxyvinylpolymer (JP) vztahují na různé druhy karbomerů a kopolymerů karbomerů. Naproti tomu slovník INCI vyhrazuje termín karbomer pro zesíťované homopolymery kyseliny akrylové a zesíťované kopolymery kyseliny akrylové s jinými komonomery nazývá akrylátové krosspolymery, např. akryláty/C10-C30 alkylakrylátový krosspolymer.
Monomery: Hlavní složkou karbomeru je kyselina akrylová, komoditní petrochemická surovina získávaná z plynného propylénu. Komerční syntéza kyseliny akrylové obvykle zahrnuje dvoustupňovou katalytickou oxidaci, při níž propylen reaguje se vzduchem za vzniku akroleinu jako meziproduktu, který je pak dále oxidován za vzniku kyseliny akrylové.3-4 Polyallylethery používané jako síťující monomery při syntéze karbomerů se připravují bází katalyzovanou reakcí polyhydroxyfunkční sloučeniny, např, sacharosa nebo pentaerythritol, s přebytkem allylchloridu za vzniku polyallyletherů s různým stupněm substituce.5 Při allylaci sacharosy se obvykle v průměru pět až šest z osmi hydroxylových skupin na molekule sacharosy přemění na allylethery, jak ukazuje obrázek 2b.
Precipitační polymerace: Karbomery se syntetizují volnou radikálovou srážecí polymerací prováděnou v organických rozpouštědlech.5-8 Rozpouštědla pro tento proces se volí tak, aby monomery, iniciátory a další přísady byly v reakčním prostředí rozpustné, ale výsledný polymerní produkt nikoli. Historicky byl pro komerční syntézu karbomerů preferovaným rozpouštědlem benzen, avšak vzhledem k obavám o zdraví a bezpečnost spojeným s benzenem se dnes místo benzenu používají alternativní rozpouštědlové systémy, jako je n-hexan nebo směsi ethylacetátu a cyklohexanu.8 , 9 Reakce jsou obvykle iniciovány termicky za použití organických peroxidů jako iniciátorů, ačkoli mohou být použity také v oleji rozpustné azoiniciátory.
Typická syntéza karbomeru je znázorněna na obrázku 3.8 Kyselina akrylová a malé množství TAPE a uhličitanu draselného (K2CO3) jsou zpočátku rozpuštěny ve spolurozpouštědle ethylacetát/cyklohexan. K2CO3 se přidává k neutralizaci malého procenta (obvykle ≤ 3 %) skupin kyseliny akrylové, pravděpodobně proto, aby se podpořilo vysrážení výsledného polymeru v systému kosolventu. Směs se zahřeje na 50 °C v dusíkové atmosféře a do reakční nádoby se po dobu šesti hodin pomalu přidává peroxyiniciátor, například di(2-ethylhexyl) peroxydikarbonát (předem rozpuštěný v kosolventu). Jak polymerační reakce probíhá, nerozpustný produkt karbomeru se sráží z rozpouštědla a vzniká suspenze částic karbomeru v rozpouštědle. Po dokončení reakce se karbomer izoluje z kaše a pevné částice polymeru se vysuší, čímž se získá produkt karbomeru ve formě prášku.
Síťování a mikrogely: Během reakce polyfunkční síťující monomery kopolymerizují s vícenásobnými lineárními řetězci kyseliny polyakrylové (PAA) při jejich propogování, což vede k vytvoření trojrozměrné sítě zesíťovaných PAA. V běžných procesech objemové nebo roztokové polymerace by síťující monomery při dosažení vysoké konverze monomerů způsobily, že by reakční médium zželatinovalo do souvislé hmoty zesíťované PAA. Při srážecí polymeraci se však zesíťovaný PAA sráží v podobě jemných částic a zabraňuje vzniku makroskopického gelu. Zesíťování je tedy omezeno na jednotlivé částice polymeru submikronové velikosti. Každá částice karbomeru je ve skutečnosti jedna velká makromolekula obsahující mnoho lineárních řetězců PAA, které jsou vzájemně zesíťovány. Obrovská velikost těchto polymerů brání stanovení molekulové hmotnosti (MW) karbomerů pomocí běžných technik, ačkoli MW karbomerů byly odhadnuty na řádově 108-109 g/mol.10
Dalším důležitým důsledkem síťování v karbomerech je, že tyto makromolekuly nejsou skutečně rozpustné ve vodě. Místo toho je hmota zesíťovaných hydrofilních řetězců PAA ve vodě pouze dispergovatelná a nasákavá. Na rozdíl od nesíťovaných PAA, které se rozpouštějí a vytvářejí roztoky polymerních závitů, které se s rostoucí koncentrací překrývají a zaplétají, karbomery dispergují ve vodě a po neutralizaci bobtnají a vytvářejí roztoky mikrogelů, které se s rostoucí koncentrací nezaplétají, ale místo toho vytvářejí síť těsně uspořádaných mikroskopických „houbiček“.11
Vlastnosti
Karbomery se obvykle dodávají jako nadýchané, bílé, hydroskopické prášky, které mohou mít mírný zápach kyseliny octové. Na trhu je k dispozici celá řada karbomerů, které se liší především typem použitého procesního rozpouštědla (tj. benzen vs. nebenzen), typem a úrovní použitého síťovacího činidla a přídavkem volitelných přísad pro zlepšení smáčivosti a dispergovatelnosti.12 Karbomery mohou být také dodávány v předem neutralizovaných formách, např. jako sodná sůl (INCI: Sodium Carbomer). Karbomery jsou považovány za netoxické a v koncentracích používaných v kosmetických přípravcích a přípravcích pro osobní hygienu vykazují malý nebo žádný dráždivý potenciál pro kůži a oči.13-14 Nečistoty v těchto polymerech mohou zahrnovat zbytky polymeračních rozpouštědel, nezreagované monomery (např, kyselina akrylová), kyselina octová, kyselina proprionová, vedlejší produkty iniciátorů polymerace a stopové množství těžkých kovů.
Karbomery jsou snadno dispergovatelné ve vodě a ve směsích polárních organických rozpouštědel s vodou, jako je 70% hmotnostní roztok ethanolu a vody. Při počáteční přípravě jsou vodné disperze hydratovaných částic karbomeru kyselé a obvykle vykazují hodnoty pH 2,5-3,5 v závislosti na koncentraci polymeru. Před neutralizací zásaditým regulátorem pH, např. hydroxidem sodným nebo trietanolaminem, nemají tyto disperze výraznou viskozitu a mohou být mlhavé. Po neutralizaci skupin karboxylových kyselin se karbomer ionizuje a nabobtná na několikasetnásobek svého původního objemu v důsledku elektrostatických odpudivých sil mezi záporně nabitými karboxylátovými skupinami a osmotického bobtnání způsobeného zachycenými protiionty. Výsledné mikrogelové disperze, někdy označované jako slizy, jsou čiré kapaliny, které vykazují vysokou viskozitu a také vysokou výtěžnost.
Technologie a aplikace
Karbomery jsou účinné při vytváření viskozity ve vodných systémech při relativně nízkých úrovních použití. Například většina karbomerů uvedených v tabulce 1 je schopna vytvářet viskozitu 10 000-60 000 cP při použití pouze 0,5 % hm. Karbomery se proto běžně používají jako zahušťovadla vodné fáze v různých výrobcích. Skutečná užitečnost karbomerů však vyplývá z jejich schopnosti propůjčit formulacím vysokou výtěžnost.
Výtěžnost je odpor kapaliny vůči počátečnímu toku při působení napětí.11, 15-16 V klidovém stavu se těsně zabalená síť karbomerových mikrogelů chová jako elastická pevná látka, která odolává deformaci. Síť nezačne téct, dokud není aplikována kritická úroveň smykového napětí, tj. mez kluzu, při které mohou mikrogely klouzat jeden přes druhý, což vede k toku tekutiny. Když jsou heterogenní fáze (např. kapky emulze, pigmenty, perleťové látky, opacifikátory, vzduchové bubliny, křemičitá abraziva atd.) rozptýleny v karbomerem zahuštěných formulacích, mikrogelová síť je zachytí a stabilizuje proti krémování a/nebo sedimentaci, zatímco je tekutina v klidu, tj. pod mezí kluzu. Po aplikaci napětí, které přesahuje mez kluzu, však tekutina plynule teče a umožňuje dávkování a aplikaci produktu. Z tohoto důvodu se karbomery používají k formulaci bezpočtu výrobků, od krémů a pleťových vod přes gely na úpravu vlasů až po zubní pasty, kde je rozhodující suspenze a stabilizace disperzních fází.
Pokyny pro formulaci
Úspěšné použití karbomerů pro zahuštění a stabilizaci výtěžnosti vyžaduje jejich správné použití. Protože karbomery jsou polyelektrolyty reagující na pH s pKa přibližně 6,0 ± 0,5, bobtnání mikrogelu se pod pH 5 dramaticky snižuje, což vede ke ztrátě viskozity a hodnoty výtěžnosti. Optimálního výkonu se obvykle dosahuje v rozmezí pH 6-9. Pokud se ke karbomerem zahuštěným systémům přidá nadbytek báze nebo jiných elektrolytů (např. chloridu sodného), mikrogely se zhroutí v důsledku polyelektrolytových efektů (tj. odstínění elektrostatických odpuzovačů nadbytkem iontové síly a vyrovnání osmotického tlaku mezi vnitřní a vnější stranou mikrogelu), což opět vede ke ztrátě viskozity a hodnoty výtěžku. Kromě toho je třeba se při použití karbomerů vyhnout vícevalentním iontům (např. Ca2+, Mg2+ atd.) a kationtovým povrchově aktivním látkám, aby se zabránilo tvorbě nerozpustných komplexů.
Při přípravě karbomerem zahuštěných formulací je třeba dbát na rovnoměrnou disperzi karbomeru, aby se zabránilo zrnité textuře a tvorbě „rybích ok“, tj, částečně hydratovaných aglomerátů částic karbomeru, které se zcela nerozptýlí.17 Dispergace tradičních karbomerů obvykle vyžaduje, aby se prášky pomalu sypaly do disperzního média za rychlého míchání; pro přípravu směsí v komerčním měřítku lze také použít práškové dispergátory. Alternativně lze karbomery dispergovat v nerozpouštědlech, např. v olejové fázi emulze, a poté je přidat do vodné fáze obsahující neutralizační činidlo. Míchání extrémně vysokým smykem pomocí homogenizátorů nebo koloidních mlýnů může vést ke smykové degradaci karbomerových mikrogelů a mělo by se minimalizovat nebo zcela vyloučit. Moderní „snadno dispergovatelné“ karbomery snížily složitost spojenou s dispergací karbomerů. Tyto karbomery obsahují sterické stabilizační činidlo, obvykle ethoxylovanou neiontovou povrchově aktivní látku s blokovou nebo hřebenovou konfigurací, do karbomeru během srážecí polymerace.12 Výsledné karbomery se po přidání do vodného prostředí snadno smáčejí, ale hydratují pomalu, což umožňuje hladkou a rovnoměrnou dispergaci karbomeru.
1. Karbomery, které se snadno smáčejí po přidání do vodného média, ale hydratují pomalu. Karbomer, oficiální monografie, v lékopise Spojených států amerických 34-National Formulary 29, United Book Press Inc, Baltimore, USA (2011) s. 1465-1473
2. Carbomer, Monograph ID 5092, in the International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC USA (2010)
3. G Swift, Acrylic (and methacrylic) acid polymers, in Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, John Wiley & Sons Inc., zveřejněno online (15. března 2002) str. 79-96 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471440264.pst009/abstract (přístup 23. srpna 2011)
4. W Bauer Jr, Acrylic acid and derivatives, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc. zveřejněno online (20. června 2003) str. 342-369 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103182502012105.a01.pub2/abstract (přístup 23. srpna 2011)
5. W Bauer Jr, Acrylic acid and derivatives, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc. US 2798053, Carboxylic polymers, HP Brown, přiděleno The B. F. Goodrich Company (2. července 1957)
6. US 2923692, Mucilaginous composition comprising salt of crosslinked carboxylic polymer and method of preparing same, JF Ackerman and JF Jones, přiděleno The B. F. Goodrich Co. (2. února 1960)
7. US 2980655, Polymerization process, JA Glass and JF Jones, postoupeno The B. F. Goodrich Co. (18. 4. 1961)
8. US 4923940, Polykarboxylové kyseliny s vyšší zahušťovací schopností a lepší čirostí, CC Hsu, postoupeno The B. F. Goodrich Co. (8. května 1990)
9. TEGO Carbomer 340 FD, Product Bulletin D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Německo, (únor 2008)
10. Molekulová hmotnost polymerů Carbopol a Pemulen, Technický list Lubrizol, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH USA (10. července 2008)
11. JV Gruber, Synthetic polymers in cosmetics, Chapter 6 in Principles of Polymer Science & Technology in Cosmetics and Personal Care, ED Goddard and JV Gruber, eds, Marcel Dekker Inc, New York USA (1999) pp 217-275
12. US 5288814, Easy to disperse polycarboxylic acid thickeners, CJ Long II, Z Amjad, WF Masler III and WH Wingo, assigned to The B. F. Goodrich Co. (22. února 1994)
13. RL Elder, ed, Final report on the safety assessment of Carbomers-934, -910, -934P, -940, 941, and -962, J Am Coll Toxicol 1(2) 109-141 (1982)
14. Annual review of cosmetic ingredient safety assessments-2001/2002, Cosmetic Ingredient Review Expert Panel, Int J Toxicol 22 (Suppl. 1) 1-35 (2003)
15. Measurement and understanding of yield value in personal care formulations (Měření a porozumění hodnotě výtěžku v přípravcích pro osobní hygienu), Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-244, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (leden 2002)
16. M Cloitre, Yielding, flow, and slip in microgel suspensions [Výtěžnost, tok a skluz v mikrogelových suspenzích]: V knize Microgel Suspensions, Fundamentals and Applications, A Fernandez-Nieves, H Wyss, J Mattsson, and DA Weitz, eds, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim, Německo (2011), s. 285-310.
17. Disperzní techniky pro polymery Carbopol, Technický list Lubrizol, TDS-103, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (leden 2002)
.