Det globale marked for hudpleje og farvekosmetik var i 2002 på over 53 milliarder dollars. Antallet af nye produkter, der kommer på markedet, vokser fortsat eksponentielt. Kosmetiske kemikere er altid på udkig efter interessante og eksotiske ingredienser, der forbedrer hudens udseende og sundhed. Der er behov for et stort udvalg af forbindelser til at levere disse produkter. I den seneste udgave af Cosmetics Toiletries and Fragrance Association (CTFA) Dictionary er der opført mere end 10 000 råstoffer. Hvert år tilføjes hundredvis af nye ingredienser til listen over ingredienser, der har været anvendt i århundreder. Nogle af de materialer, der anvendes i dag, kan spores tilbage til 11.000 f.Kr. i dyretegninger fra grotterne i Altimira.
Historie
Fremkomsten af hudplejeformuleringer dateres til omkring 3000 f.Kr. i det gamle Egypten. De fleste sammenblandinger blev fremstillet af naturlige materialer. Kleopatra siges at have badet i æselmælk for at holde sin hud glat og smidig. Et naturligt forekommende materiale, som oldtidsfolket brugte, var rød okker eller jernoxid. Klumper af rød malm blev dannet, når jern blev oxideret eller rustede. Den røde jernoxid blev fundet i gravgrave i ceremoniel læbefarve og rougepræparater. Det blev også brugt til at tegne de gamle hulebilleder af dyr, som det ses i Altimira, og det bruges stadig i mange sminkeformuleringer
i dag. Øjenmaling er også blevet fundet på gamle gravsteder. Disse malinger bestod primært af en kobberbaseret grøn malm kaldet malakit, der blev udvundet fra nærliggende stenbrud. Animalsk fedt blev kombineret med velduftende stoffer som røgelse og myrra for at fremstille tidlige hudsalver. Mere sofistikerede cremer og lotioner blev finjusteret gennem forsøg og fejltagelser og overleveret gennem mange generationer.
Emulsioner
De fleste cremer og lotioner er emulsioner. En emulsion kan ganske enkelt defineres som to ikke-miskelige væsker, hvor den ene væske er dispergeret som fine dråber i den anden. Homogeniseret mælk er et eksempel på en typisk olie-i-vand-emulsion (o/w-emulsion). Mælkefedt (olie) opløses i vand som fine dråber ved homogeniseringsprocessen. Grunden til, at fedtet ikke flyder op til toppen med det samme, skyldes tilstedeværelsen af emulgatorer; i dette tilfælde et mælkeprotein kaldet natriumcaseinat samt flere phopholipider. I tilfælde af vand-i-olie-emulsioner (w/o) er vandet spredt som dråber og suspenderet i oliefasen. Den ikke-dispergerede væske eller den eksterne suspenderende fase kaldes også den kontinuerlige fase. Mayonnaise, eddikevand, der er dispergeret som fine dråber i en kontinuerlig fase af sojaolie, er et eksempel på en vand-i-olie-emulsion. Lecithin fra æg stabiliserer mayonnaiseemulsionen.
Overfladebehandlingsmidler
De fleste emulgatorer kan betragtes som overfladeaktive stoffer eller overfladeaktive stoffer. Disse stoffer er i stand til at reducere vands overfladespænding. Det, der gør en emulgator overfladeaktiv, er relateret til dens HLB eller hydrofil-lipofilbalance. HLB bestemmes af størrelsen af den hydrofile (vandelskende eller polære) del af et molekyle sammenlignet med størrelsen af den lipofile (olieelskende eller upolære) del af molekylet. HLB-systemet blev udviklet for at klassificere materialers relative polaritet. De mest polære, vandopløselige materialer ligger øverst på den 20-punktsskala, mens de mere upolære, olieopløselige materialer ligger tættere på nul. HLB-værdien for natriumkaseinat er tildelt en værdi på omkring 14 på grund af dets høje opløselighed i vand. Lecithin, der er dårligt opløseligt i vand, har en HLB-værdi på omkring seks. Begge har polære grupper. Den polære gruppe i mælkeproteinet er natrium. Lecithins overfladeaktive komponent er et molekyle kaldet phosphotidylcholin eller PC (se figur 1). Den polære, eller vandopløselige del af PC er den funktionelle fosfatgruppe. Emulgatorernes polære grupper orienterer sig mod den polære vandfase. Deres lipofile, ikke-polære grupper orienterer sig mod oliefasen for at danne miceller (se figur 2). Disse sfæriske strukturer giver emulsionen stabilitet gennem brintbinding og svage elektriske kræfter.
Emulgatorer til hudpleje kan opdeles i to grupper på grundlag af ionisk ladning (se figur 3). Materialer, der kan dissocieres i ladede arter, betragtes som ioniske, mens materialer, der ikke kan dissocieres, kaldes nonioniske. Ioniske emulgatorer kan yderligere klassificeres efter typen af ladning. Anioniske stoffer er negativt ladede, når de er opløst, som det er tilfældet med natriumstearat eller sæbe.
Når fedtsyrer reagerer med alkali, danner de sæbe. Processen med sæbedannelse kaldes forsæbning. Den negativt ladede stearinsyregruppe er den vigtigste emulgerende enhed i sæben, hvilket giver den den anioniske klassifikation. Positivt ladede emulgatorer kaldes kationiske. Quarternium24’s emulgerende enhed dissocieres til den positivt ladede ammoniumgruppe. Amfoteriske forbindelser er forbindelser, der udtrykker både negative og positive ladninger.
Nonioniske emulgatorer anvendes ofte i emulsioner til hudpleje på grund af deres sikkerhed og lave reaktivitet. De klassificeres generelt efter kemisk lighed. Glycerin, der almindeligvis tilsættes kosmetiske emulsioner på grund af dets fugtighedsbevarende egenskaber, er rygraden i en klasse af emulgatorer kaldet glycerylestere . Glycerylmonostearat (GMS) kaldes en monoester på grund af sin eneste esterbinding (se figur 4). Diesteren fremstilles ved at forestere to stearinsyremolekyler for hvert glycerinmolekyle. Glycerylmono- og -diestere er meget effektive emulgatorer, fordi de indeholder både polære hydroxylgrupper (OH-grupper) og upolære fedtsyrer. Hvis alle tre hydroxylgrupper i glycerin reagerer, vil den resulterende triester kun have ringe emulgeringsevne.
Stearinsyre kaldes C18-fedtsyre. De fedtsyrer, der findes i fedtstoffer og olier, er klassificeret efter deres kulstofkædelængde. Da stearinsyre er en vigtig bestanddel af mange af de fedtstoffer og olier, der anvendes i skønhedsbehandlinger, er stearatbaserede emulgatorer særligt nyttige. Fedtsyrer er nøglekomponenter i mange kosmetiske emulgatorer, fordi de kan blandes med en række naturlige og syntetiske olier.
Estere af polyethylenglycol eller ethylenglycol kaldes PEG-estere. En PEG-esters opløselighed bestemmes af antallet af PEG-molekyler, der reagerer pr. syremolekyle. PEG 6 oleat har f.eks. seks PEG-molekyler, der reagerer med et oliesyremolekyle. Efterhånden som antallet af polære PEG-molekyler pr. syremolekyle stiger, øges vandopløseligheden/HLB; PEG 8 oleat er mere opløseligt end PEG 6 oleat. Kosmetikkemikeren vil ofte anvende blandinger af glycerylestere og en PEG-ester med høj og lav HLB-værdi for at bestemme den nødvendige polaritet til emulgering af forskellige fedtstoffer og olier. De mange typer emulgatorer er for mange til at blive nævnt her, men McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents er en glimrende kilde til en mere komplet liste.
Blødgørende midler
Størstedelen af de blødgørende midler, der anvendes til personlig pleje og skønhedsartikler, er fedtstoffer og olier, også kaldet lipider. Animalsk fedt eller talg består primært af stearinsyre og palmitinsyre med en kulstofkæde med en længde på henholdsvis 18 og 16 kulstofkæder. Mange af de store kosmetikvirksomheder er ved at gå væk fra animalske materialer som talg og over til vedvarende vegetabilske materialer. Kokosnøddeolie og palmekerneolie anvendes ofte. Nogle af de vigtigste egenskaber, der kræves af gode blødgøringsmidler, er gode spredningsegenskaber, lav toksicitet/hudirritation og god oxidativ stabilitet. Oliesyre, der er en vigtig bestanddel af olivenolie, har dårlig oxidativ stabilitet på grund af dens dobbeltbinding. Fedtstoffer og olier anses for at være mættede, hvis de ikke har dobbeltbindinger. Umættede olier som f.eks. olivenolie har dobbeltbindinger, der kan reagere med ilt, især når de opvarmes. Oxidationsprocessen kan give lipiderne farve- og lugtgener, der gør dem rancede og ubrugelige.
Petroleumsbaserede blødgøringsmidler såsom vaseline og mineralolie findes i mange formuleringer, fordi de ikke indeholder dobbeltbindinger eller reaktive funktionelle grupper. Silikoneolier som f.eks. cyclomethicone og dimethicone tilsættes ofte for at øge glideevnen og blødgøringsevnen (se figur 5).
Olier, der indeholder et højt indhold af essentielle fedtsyrer, EFA’er, er værdsat for deres evne til at genopbygge lipider (olier), der findes naturligt i hudens lag. Linolsyre er et eksempel på en EFA. Langkædede alkoholer, også kaldet fedtalkoholer, er nyttige som blødgøringsmidler og emulsionsstabilisatorer. Deres polære hydroxylgrupper er orienteret mod vandfasen, mens deres fedtkæder er orienteret mod oliefasen. Estere af fedtalkoholer og fedtsyrer er fremragende blødgøringsmidler på grund af deres lave reaktivitet og gode stabilitet.
Lanolin, der stammer fra fåreuld, kaldes ofte uldfedt. Lanolin har været anvendt i århundreder på grund af dets unikke sammensætning af komplekse steroler, fedtalkoholer og fedtsyrer. Kolesterol, et cyklisk molekyle kaldet
et sterol, er en vigtig bestanddel. De polære hydroxylgrupper i steroler og alkoholer gør det muligt for fedtstoffet at absorbere og holde på vand. Huden består primært af vand, og utallige olier og blødgørende midler bruges til at pleje og beskytte den.
Fugtighedscreme
Den vigtigste forskel mellem fugtighedscreme og blødgøringsmidler er deres opløselighed i vand. Sund hud kræver fugt. Fugtighedscremer er generelt polære materialer, der er hygroskopiske af natur; de holder på vand. Et vigtigt redskab til at vurdere effektiviteten af fugtighedscremer er det høje omfang. Det måler det transepidermale vandtab eller TEWL. Efter at en fugtighedscreme er påført huden, registreres fugtniveauet. Efter flere minutter vil fugtniveauet blive reduceret på grund af hudens naturlige tendens til at frigive fugt med tiden. Ingredienser, der kan opretholde et højt fugtniveau i de øverste lag af huden i flere timer, kan reducere den hastighed, hvormed vandet tabes. Glycerin er en meget omkostningseffektiv ingrediens, der bruges til at hjælpe med at reducere TEWL. Sorbitol, saccharose, glukose og andre sukkerarter er også almindeligt anvendt til at fugte huden. Aloe, som indeholder en blanding af polysaccharider, kulhydrater og mineraler, er en fremragende fugtighedscreme. Da huden bliver mere tør i vintermånederne, kan det være nødvendigt at indarbejde materialer, der bedre forsegler fugten i huden.
Vokser
Vokser består primært af langkædede estere, der er faste ved stuetemperatur. Enhver, der nogensinde har dyppet en finger i smeltet voks, har oplevet dens forseglende egenskaber. Nogle almindelige voksarter, der anvendes i kosmetik, er bivoks, candelilla, carnauba, polyethylen og paraffin. Voksens smeltepunkter varierer meget afhængigt af deres unikke sammensætning og kædelængder. Voks anvendes almindeligvis i læbepomader og -stifter og fungerer som struktureringsmiddel, der giver stiften tilstrækkelig stivhed til at stå op af sig selv, og som barriereegenskaber. Ved at kombinere voks med forskellige egenskaber som f.eks. høj glans, fleksibilitet og sprødhed kan man opnå optimale kosmetiske egenskaber. Ofte kombineres voks med kompatible olier for at opnå den ønskede blødhed. Kompatibiliteten bestemmes generelt ved at måle turbiditeten og separationsgraden af to materialer, der blandes sammen over deres smeltepunkter. Vokser er særligt nyttige i håndcremer og mascaraemulsioner på grund af deres fortykkende og vandafvisende egenskaber.
Fortykningsmidler
Ved at inkorporere tilstrækkeligt med voks i en tynd lotion kan der dannes en tyk creme. Mange fortykningsmidler er polymerer. Cellulose, en fin pulverpolymer af gentagende
D-glucose-enheder, svulmer op i varmt vand og danner et gel-netværk. Carbopol, en polyakrylsyre, svulmer op, når den neutraliseres (se figur 6). Bentonler svulmer op, når deres struktur, der ligner en stak kort, åbnes ved mekanisk forskydning. Carrageenan, pektin og johannesbrødkernemel er alle eksempler på kosmetiske fortykningsmidler, som også anvendes i nogle af vores yndlingsfødevarer som f.eks. geléer, salatdressinger og tærtefyld.
Aktive bestanddele
Materialer, der virker fysiologisk i huden eller hjælper med at beskytte huden mod krænkelser, kaldes også aktive bestanddele. Udtrykket “cosmeceuticals”, der er opfundet af den berømte dermatolog Dr. Albert Kligman, henviser til et produkt, der befinder sig mellem et kosmetikum og et lægemiddel. Selv om et kosmetikum ifølge den juridiske definition kun kan tjene til at forskønne og beskytte hudens overflade, kan det påvises, at mange kosmetiske produkter trænger ind i hudens dermale lag for at fremkalde en fysiologisk ændring.
Frugtsyrer er et eksempel på et aktivt materiale. De kaldes også alfahydroxysyrer eller AHA’er og har evnen til at trænge ind i huden, hvor de kan øge produktionen af kollagen, elastin og intracellulære stoffer og dermed forbedre hudens udseende. Tusindvis af kosmetiske aktivstoffer anvendes til at påvirke huden på forskellige måder. De bruges til at lysne, stramme og opstramme huden. De kan bruges til at undertrykke svedproduktion, som det er tilfældet med aluminiumchlorhydrat. Salicylsyre og benzoylperoxid er vigtige ingredienser på grund af deres antiakneaktivitet (se figur 7). Nogle aktive stoffer tilsættes til hudbehandlinger for at beskytte huden mod miljøet. Dimethicone og petrolatum er eksempler på hudbeskyttelsesmidler.
Solcreme
Solcreme er en klasse af forbindelser, der beskytter huden mod ultraviolet stråling. Bølgelængder mellem 290nm og 400nm er særligt skadelige for huden. Solcremernes evne til at absorbere eller reflektere disse skadelige bølgelængder vurderes ved hjælp af deres solbeskyttelsesfaktor (SPF eller solbeskyttelsesfaktor). F.eks. vil en person, der er beskyttet med en solcreme med faktor 15, kunne opholde sig i solen femten gange længere, end hvis han er ubeskyttet. Octyl methoxycinnamat, octyl salycilat, titandioxid og avobenzon er nogle vigtige topiske solcremeprodukter. De kan klassificeres som enten UVA- eller UVB-solcreme afhængigt af de bølgelængder, de absorberer. Benzophenon 4, et vandopløseligt UV-filter, anvendes almindeligvis til at beskytte farven på kosmetiske produkter.
Farve
Pigmenter og farvestoffer anvendes i produkter for at give dem en farve. Titandioxid (TiO 2 ) er et hvidt pigment, der udvindes. I kombination med naturlige udvundne og syntetiske jernoxider, som varierer i farve fra rød, gul, sort og brun, afhængigt af oxidations- og hydreringsgraden, kan der fremstilles en række farver, der passer til næsten alle hudfarver. Ansigtspuder fremstilles ved at blande uorganiske oxider og fyldstoffer. Fyldstoffer er inaktive, generelt billige materialer som kaolin, talkum, silica og glimmer, der bruges til at forlænge og udvikle farverne fuldt ud. Pressede pudder som øjenskygger og blushers fremstilles ved at blande yderligere bindende ingredienser som f.eks. olier og zinkstearat og presse blandingen i bøtter.
Øjenskygger og læbestifter indeholder ofte perlemorspigmenter, der almindeligvis kaldes perler. Perler funkler og reflekterer lyset for at frembringe et væld af farver. De fremstilles ved at udfælde et tyndt lag af farve på tynde plader af glimmer. Ved at variere tykkelsen af den udfældede farve ændres vinklen af det lys, der brydes gennem kompositmaterialet, hvilket skaber forskellige farver.
Organiske pigmenter anvendes til at farve læbestifter og øjenskygger. Når organiske stoffer er udfældet på et substrat, kaldes de søpigmenter. Udtrykket lake henviser til, at det organiske salt lagrer sig eller udfældes på et metalsubstrat som f.eks. aluminium, calcium eller barium. De kaldes D&C-farver (lægemiddel- og kosmetikfarver) og FD&C-farver (fødevare-, lægemiddel- og kosmetikfarver). Nogle eksempler er D&C Red#7 calcium lake og FD&C Yellow #5 aluminium lake. Farvestoffer som FD&C Blue#1 og D&C Yellow #10 er let opløselige i modsætning til pigmenter, som er uopløselige. Farvestoffer er nyttige til at give farvestoffer til lotioner, olier og shampoo.
Konserveringsmidler
De fleste kosmetiske produkter kræver tilsætning af konserveringsmidler for at forhindre mikrobiel kontaminering og ranciditet. Parabener og ester af parabenzoesyre er langt de mest anvendte på grund af deres effektivitet over for gram-positive bakterier. Phenoxyethanol anvendes til at beskytte mod gramnegative stammer. Kosmetikkemikeren anvender normalt en blanding af konserveringsmidler for at beskytte mod forskellige bakteriestammer samt mod gær og skimmelsvampe. Antioxidanter som tocopherol (E-vitamin) og BHT tilsættes også for at forhindre oxidation af følsomme ingredienser og for at beskytte huden mod skader fra frie radikaler.
Konklusion
Så længe samfundet fortsat lægger stor vægt på at se ung og smuk ud, vil kosmetisk kemi fortsat blomstre. En god forståelse af de grundlæggende principper for emulsionskemi og hudfysiologi er en forudsætning, når man formulerer produkter til personlig pleje. En god kosmetisk kemiker skal være i stand til at kombinere videnskab og kunst for at skabe produkter med den følelse og det udseende, som forbrugerne ønsker.