Der Weltmarkt für Hautpflege- und Farbkosmetika überstieg im Jahr 2002 53 Milliarden Dollar. Die Zahl der neuen Produkte, die auf den Markt gebracht werden, steigt weiterhin exponentiell an. Kosmetische Chemiker sind immer auf der Suche nach interessanten und exotischen Inhaltsstoffen, die das Aussehen und die Gesundheit der Haut verbessern. Um diese Produkte zu liefern, ist eine große Anzahl von Verbindungen erforderlich. In der neuesten Ausgabe des Wörterbuchs der Cosmetics Toiletries and Fragrance Association (CTFA) sind mehr als 10.000 Rohstoffe aufgeführt. Jedes Jahr kommen Hunderte von neuen Inhaltsstoffen zu den seit Jahrhunderten verwendeten hinzu. Einige der heute verwendeten Materialien lassen sich in den Tierzeichnungen aus den Höhlen von Altimira bis 11.000 v. Chr. zurückverfolgen.
Geschichte
Das Auftauchen von Hautpflegemitteln wird auf etwa 3000 v. Chr. im alten Ägypten datiert. Die meisten Präparate wurden aus natürlichen Stoffen hergestellt. Kleopatra soll in Eselsmilch gebadet haben, um ihre Haut glatt und geschmeidig zu halten. Ein in der Natur vorkommendes Material, das von den alten Ägyptern verwendet wurde, war roter Ocker oder Eisenoxid. Wenn Eisen oxidierte oder rostete, bildeten sich Klumpen aus rotem Erz. Das rote Eisenoxid wurde in Gräbern in zeremoniellen Lippenfarben und Rougezubereitungen gefunden. Es wurde auch verwendet, um die antiken Höhlenbilder von Tieren zu zeichnen, wie in Altimira zu sehen, und wird immer noch in vielen Make-up-Formulierungen verwendet
heute. Auch Augenfarben wurden in antiken Gräbern gefunden. Diese Farben bestanden hauptsächlich aus einem grünen Erz auf Kupferbasis namens Malachit, das in nahe gelegenen Steinbrüchen abgebaut wurde. Tierische Fette wurden mit duftenden Substanzen wie Weihrauch und Myrrhe kombiniert, um frühe Hautsalben herzustellen. Anspruchsvollere Cremes und Lotionen wurden durch Versuch und Irrtum verfeinert und über viele Generationen weitergegeben.
Emulsionen
Die Mehrzahl der Cremes und Lotionen sind Emulsionen. Eine Emulsion kann einfach als zwei nicht mischbare Flüssigkeiten definiert werden, bei denen eine Flüssigkeit als feine Tröpfchen in der anderen dispergiert ist. Homogenisierte Milch ist ein Beispiel für eine typische Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W). Das Milchfett (Öl) wird durch den Homogenisierungsprozess in Form feiner Tröpfchen im Wasser dispergiert. Der Grund dafür, dass das Fett nicht sofort an die Oberfläche schwimmt, ist das Vorhandensein von Emulgatoren, in diesem Fall ein Milchprotein namens Natriumkaseinat sowie mehrere Phopholipide. Bei Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O-Emulsionen) ist das Wasser in Tröpfchenform dispergiert und in der Ölphase suspendiert. Die nicht dispergierte Flüssigkeit oder externe Suspensionsphase wird auch als kontinuierliche Phase bezeichnet. Mayonnaise, Essigwasser, das als feine Tröpfchen in einer kontinuierlichen Phase aus Sojabohnenöl dispergiert ist, ist ein Beispiel für eine Wasser-in-Öl-Emulsion. Lecithin aus Eiern stabilisiert die Mayonnaise-Emulsion.
Tenside
Die meisten Emulgatoren können als Tenside oder oberflächenaktive Stoffe bezeichnet werden. Diese Stoffe sind in der Lage, die Oberflächenspannung von Wasser zu verringern. Was einen Emulgator oberflächenaktiv macht, hängt mit seinem HLB-Wert, dem hydrophil-lipophilen Gleichgewicht, zusammen. HLB wird durch die Größe des hydrophilen (wasserliebenden oder polaren) Teils eines Moleküls im Vergleich zur Größe des lipophilen (ölliebenden oder unpolaren) Teils bestimmt. Das HLB-System wurde entwickelt, um die relative Polarität von Materialien zu klassifizieren. Die polarsten, wasserlöslichen Stoffe befinden sich am oberen Ende der zwanzigstufigen Skala, während die unpolaren, öllöslichen Stoffe näher bei Null liegen. Der HLB-Wert von Natriumkaseinat liegt aufgrund seiner hohen Wasserlöslichkeit bei etwa vierzehn Punkten. Lecithin, das in Wasser schlecht löslich ist, hat einen HLB-Wert von etwa sechs. Beide haben polare Gruppen. Die polare Gruppe im Milchprotein ist Natrium. Die oberflächenaktive Komponente von Lecithin ist ein Molekül namens Phosphotidylcholin oder PC (siehe Abbildung 1). Der polare, d. h. wasserlösliche Teil des PC ist die funktionelle Phosphatgruppe. Die polaren Gruppen der Emulgatoren orientieren sich an der polaren Wasserphase. Ihre lipophilen, unpolaren Gruppen orientieren sich zur Ölphase und bilden Mizellen (siehe Abbildung 2). Diese kugelförmigen Strukturen verleihen der Emulsion durch Wasserstoffbrückenbindungen und schwache elektrische Kräfte Stabilität.
Emulgatoren für die Hautpflege lassen sich anhand der ionischen Ladung in zwei Gruppen einteilen (siehe Abbildung 3). Stoffe, die in geladene Spezies dissoziieren können, werden als ionisch bezeichnet, während solche, die dies nicht können, als nichtionisch bezeichnet werden. Ionische Emulgatoren können weiter nach der Art der Ladung unterschieden werden. Anionische Stoffe sind negativ geladen, wenn sie in Lösung gehen, wie Natriumstearat oder Seife.
Wenn Fettsäuren mit Alkali umgesetzt werden, bilden sie Seifen. Der Prozess der Seifenbildung wird als Verseifung bezeichnet. Die negativ geladene Stearinsäuregruppe ist die wichtigste emulgierende Einheit der Seife und verleiht ihr die anionische Klassifizierung. Positiv geladene Emulgatoren werden als kationisch bezeichnet. Die emulgierende Einheit von Quarternium24 dissoziiert in die positiv geladene Ammoniumgruppe. Amphotere Stoffe sind Verbindungen, die sowohl negative als auch positive Ladungen aufweisen.
Nichtionische Emulgatoren werden wegen ihrer Sicherheit und geringen Reaktivität häufig in Hautpflegeemulsionen verwendet. Sie werden im Allgemeinen nach ihrer chemischen Ähnlichkeit klassifiziert. Glycerin, das wegen seiner feuchtigkeitsspendenden Eigenschaften häufig kosmetischen Emulsionen zugesetzt wird, ist das Grundgerüst einer Klasse von Emulgatoren, die Glycerylester genannt werden. Glycerinmonostearat oder GMS wird aufgrund seiner einzigen Esterbindung als Monoester bezeichnet (siehe Abbildung 4). Der Diester wird durch Veresterung von zwei Molekülen Stearinsäure für jedes Molekül Glycerin hergestellt. Glycerinmono- und -diester sind sehr wirksame Emulgatoren, da sie sowohl polare Hydroxylgruppen (OH) als auch unpolare Fettsäuren enthalten. Wenn alle drei Hydroxylgruppen des Glycerins umgesetzt werden, hat der resultierende Triester eine geringe Emulgierfähigkeit.
Stearinsäure wird als C18-Fettsäure bezeichnet. Die in Fetten und Ölen vorkommenden Fettsäuren werden nach ihrer Kohlenstoffkettenlänge klassifiziert. Da Stearinsäure ein Hauptbestandteil vieler Fette und Öle ist, die in Schönheitsbehandlungen verwendet werden, sind Emulgatoren auf Stearatbasis besonders nützlich. Fettsäuren sind aufgrund ihrer Mischbarkeit mit einer Vielzahl von natürlichen und synthetischen Ölen Hauptbestandteile vieler kosmetischer Emulgatoren.
Ester aus Polyethylenglykol oder Ethylenglykol werden als PEG-Ester bezeichnet. Die Löslichkeit eines PEG-Esters wird durch die Anzahl der umgesetzten PEG-Moleküle pro Molekül Säure bestimmt. Bei PEG-6-Oleat beispielsweise sind sechs PEG-Moleküle mit einem Molekül Ölsäure umgesetzt worden. Je mehr polare PEG-Moleküle auf ein Säuremolekül entfallen, desto höher ist die Wasserlöslichkeit/HLB; PEG-8-Oleat ist löslicher als PEG-6-Oleat. Kosmetische Chemiker verwenden häufig Mischungen aus Glycerinestern und einem PEG-Ester mit hohem und niedrigem HLB-Wert, um die erforderliche Polarität zur Emulgierung verschiedener Fette und Öle zu bestimmen. Die vielen Arten von Emulgatoren sind zu zahlreich, um sie hier aufzulisten; McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents ist jedoch eine ausgezeichnete Quelle für eine vollständigere Liste.
Weichmacher
Die meisten Weichmacher, die in Körperpflege- und Kosmetikartikeln verwendet werden, sind Fette und Öle, auch Lipide genannt. Tierisches Fett oder Talg besteht hauptsächlich aus Stearin- und Palmitinsäure mit Kohlenstoffkettenlängen von 18 bzw. 16. Viele der großen Kosmetikunternehmen sind dabei, von tierischen Stoffen wie Talg auf erneuerbare pflanzliche Stoffe umzusteigen. Häufig werden Kokosnussöl und Palmkernöl verwendet. Einige der wichtigsten Eigenschaften, die für gute Emollients erforderlich sind, sind gute Verteilungseigenschaften, geringe Toxizität/Hautreizung und gute Oxidationsstabilität. Ölsäure, ein Hauptbestandteil von Olivenöl, hat aufgrund ihrer Doppelbindung eine schlechte oxidative Stabilität. Fette und Öle werden als gesättigt bezeichnet, wenn sie keine Doppelbindungen aufweisen. Ungesättigte Öle wie Olivenöl haben Doppelbindungen, die mit Sauerstoff reagieren können, insbesondere wenn sie erhitzt werden. Der Oxidationsprozess kann zu Farb- und Geruchsveränderungen in den Fetten führen, wodurch sie ranzig und unbrauchbar werden.
Weichmacher auf Erdölbasis wie Vaseline und Mineralöl sind in vielen Formulierungen zu finden, da sie keine Doppelbindungen oder reaktiven funktionellen Gruppen enthalten. Silikonöle wie Cyclomethicon und Dimethicon werden oft zugesetzt, um die Gleitfähigkeit und Weichheit zu erhöhen (siehe Abbildung 5).
Öle, die einen hohen Anteil an essentiellen Fettsäuren (EFA) enthalten, werden wegen ihrer Fähigkeit geschätzt, Lipide (Öle), die in den natürlichen Hautschichten vorkommen, wieder aufzufüllen. Linolsäure ist ein Beispiel für eine EFA. Langkettige Alkohole, auch Fettalkohole genannt, sind als Emolliens und Emulsionsstabilisatoren nützlich. Ihre polaren Hydroxylgruppen orientieren sich an der Wasserphase und ihre Fettketten an der Ölphase. Ester von Fettalkoholen und Fettsäuren eignen sich wegen ihrer geringen Reaktivität und guten Stabilität hervorragend als Erweichungsmittel.
Lanolin, das aus Schafwolle gewonnen wird, wird oft als Wollfett bezeichnet. Lanolin wird seit Jahrhunderten aufgrund seiner einzigartigen Zusammensetzung aus komplexen Sterolen, Fettalkoholen und Fettsäuren verwendet. Cholesterin, ein zyklisches Molekül namens
ein Sterol, ist ein Hauptbestandteil. Die polaren Hydroxylgruppen der Sterole und Alkohole ermöglichen es dem Fett, Wasser zu absorbieren und zu halten. Die Haut besteht in erster Linie aus Wasser, unzählige Öle und Weichmacher werden verwendet, um sie zu nähren und zu schützen.
Feuchtigkeitsspender
Der Hauptunterschied zwischen Feuchtigkeitsspendern und Weichmachern ist ihre Löslichkeit in Wasser. Gesunde Haut benötigt Feuchtigkeit. Feuchtigkeitsspender sind in der Regel polare Stoffe, die von Natur aus hygroskopisch sind; sie halten Wasser fest. Ein wichtiges Instrument zur Bewertung der Wirksamkeit von Feuchtigkeitsspendern ist der High Scope. Es misst den transepidermalen Wasserverlust (TEWL). Nachdem eine Feuchtigkeitscreme auf die Haut aufgetragen wurde, wird der Feuchtigkeitsgehalt gemessen. Nach einigen Minuten sinkt der Feuchtigkeitsgehalt aufgrund der natürlichen Tendenz der Haut, mit der Zeit Feuchtigkeit abzugeben. Inhaltsstoffe, die einen hohen Feuchtigkeitsgehalt in den oberen Hautschichten über mehrere Stunden aufrechterhalten können, können den Wasserverlust verringern. Glycerin ist ein sehr kosteneffizienter Inhaltsstoff, der zur Verringerung des TEWL beiträgt. Sorbitol, Saccharose, Glukose und andere Zucker werden ebenfalls häufig zur Befeuchtung der Haut verwendet. Aloe, die eine Mischung aus Polysacchariden, Kohlenhydraten und Mineralien enthält, ist ein ausgezeichneter Feuchtigkeitsspender. Da die Haut in den Wintermonaten trockener wird, kann es notwendig sein, Stoffe zu verwenden, die die Feuchtigkeit in der Haut besser einschließen.
Wachse
Wachse bestehen hauptsächlich aus langkettigen Estern, die bei Raumtemperatur fest sind. Jeder, der schon einmal einen Finger in geschmolzenes Wachs getaucht hat, hat dessen abdichtende Eigenschaften erlebt. Einige in der Kosmetik häufig verwendete Wachse sind Bienenwachs, Candelilla, Carnauba, Polyethylen und Paraffin. Die Schmelzpunkte von Wachsen variieren je nach ihrer Zusammensetzung und Kettenlänge stark. Wachse werden häufig in Lippenbalsam und Lippenstiften verwendet und dienen als Strukturierungsmittel, die dem Stift genügend Steifigkeit verleihen, damit er auf eigenen Füßen stehen kann, sowie als Barriere. Durch die Kombination von Wachsen mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Glanz, Flexibilität und Sprödigkeit kann eine optimale kosmetische Leistung erzielt werden. Häufig werden Wachse mit kompatiblen Ölen kombiniert, um die gewünschte Weichheit zu erreichen. Die Kompatibilität wird in der Regel durch Messung der Trübung und des Trennungsgrads von zwei Materialien bestimmt, die oberhalb ihres Schmelzpunkts miteinander vermischt werden. Wachse sind besonders nützlich in Handcremes und Mascara-Emulsionen wegen ihrer verdickenden und wasserabweisenden Eigenschaften.
Verdickungsmittel
Indem man genügend Wachs in eine dünne Lotion einarbeitet, kann man eine dicke Creme herstellen. Viele Verdickungsmittel sind Polymere. Cellulose, ein feines Pulverpolymer aus sich wiederholenden
D-Glucose-Einheiten, quillt in heißem Wasser auf und bildet ein Gel-Netzwerk. Carbopol, eine Polyacrylsäure, quillt auf, wenn es neutralisiert wird (siehe Abbildung 6). Benton-Tone quellen auf, wenn ihre Struktur, die einem Kartenstapel ähnelt, durch mechanische Scherung geöffnet wird. Carrageen, Pektin und Johannisbrotkernmehl sind Beispiele für kosmetische Verdickungsmittel, die auch in einigen unserer Lieblingslebensmittel wie Gelees, Salatdressings und Kuchenfüllungen verwendet werden.
Wirkstoffe
Materialien, die physiologisch in der Haut wirken oder helfen, die Haut vor Beeinträchtigungen zu schützen, werden auch als Wirkstoffe bezeichnet. Der von dem berühmten Dermatologen Dr. Albert Kligman geprägte Begriff „Cosmeceuticals“ bezieht sich auf ein Produkt, das zwischen einem Kosmetikum und einem Arzneimittel liegt. Obwohl ein Kosmetikum laut gesetzlicher Definition nur zur Verschönerung und zum Schutz der Hautoberfläche dienen kann, dringen viele kosmetische Produkte nachweislich in die Hautschichten ein und bewirken dort eine physiologische Veränderung.
Fruchtsäuren sind ein Beispiel für einen aktiven Stoff. Sie werden auch als Alpha-Hydroxysäuren oder AHAs bezeichnet und haben die Fähigkeit, in die Haut einzudringen, wo sie die Produktion von Kollagen, Elastin und intrazellulären Stoffen steigern und so das Aussehen der Haut verbessern können. Tausende von kosmetischen Wirkstoffen werden verwendet, um die Haut auf unterschiedliche Weise zu beeinflussen. Sie werden verwendet, um die Haut aufzuhellen, zu straffen und zu festigen. Sie können zur Unterdrückung der Schweißbildung eingesetzt werden, wie im Fall von Aluminiumchlorohydrat. Salicylsäure und Benzoylperoxid sind wegen ihrer Anti-Akne-Wirkung wichtige Inhaltsstoffe (siehe Abbildung 7). Einige Wirkstoffe werden Hautbehandlungen zugesetzt, um die Haut vor Umwelteinflüssen zu schützen. Dimethicon und Petrolatum sind Beispiele für Hautschutzmittel.
Sonnenschutzmittel
Sonnenschutzmittel sind eine Klasse von Verbindungen, die die Haut vor ultravioletter Strahlung schützen. Wellenlängen zwischen 290nm und 400nm sind besonders schädlich für die Haut. Die Fähigkeit von Sonnenschutzmitteln, diese schädlichen Wellenlängen zu absorbieren oder zu reflektieren, wird durch ihren Lichtschutzfaktor (LSF) angegeben. So kann eine Person, die mit einem Sonnenschutzmittel mit Faktor 15 geschützt ist, fünfzehn Mal länger in der Sonne bleiben als eine ungeschützte Person. Octylmethoxycinnamat, Octylsalycilat, Titandioxid und Avobenzon sind einige wichtige aktuelle Sonnenschutzmittel. Je nach den Wellenlängen, die sie absorbieren, können sie entweder als UVA- oder als UVB-Sonnenschutzmittel eingestuft werden. Benzophenon 4, ein wasserlöslicher UV-Filter, wird häufig zum Schutz der Farbe von kosmetischen Produkten verwendet.
Farbe
Pigmente und Farbstoffe werden in Produkten verwendet, um ihnen eine Farbe zu verleihen. Titandioxid (TiO 2 ) ist ein weißes Pigment, das abgebaut wird. In Kombination mit natürlich abgebauten und synthetischen Eisenoxiden, die je nach Oxidations- und Hydratationsgrad in den Farben Rot, Gelb, Schwarz und Braun erhältlich sind, kann eine Farbpalette hergestellt werden, die für fast jeden Hautton geeignet ist. Gesichtspuder werden durch Mischen von anorganischen Oxiden und Füllstoffen hergestellt. Füllstoffe sind inerte, in der Regel preiswerte Materialien wie Kaolin, Talkum, Siliziumdioxid und Glimmer, die verwendet werden, um Farben zu verlängern und vollständig zu entwickeln. Gepresste Puder wie Lidschatten und Rouge werden hergestellt, indem man zusätzliche bindende Bestandteile wie Öle und Zinkstearat mischt und die Mischung in Pfännchen presst.
Lidschatten und Lippenstifte enthalten oft Perlglanzpigmente, die auch Perlen genannt werden. Perlen funkeln und reflektieren das Licht, um eine Vielzahl von Farben zu erzeugen. Sie werden hergestellt, indem eine dünne Farbschicht auf dünnen Glimmerplättchen abgeschieden wird. Wenn man die Dicke der aufgetragenen Farbe variiert, verändert sich der Winkel, in dem das Licht durch den Verbundstoff gebrochen wird, wodurch verschiedene Farben entstehen.
Organische Pigmente werden zum Färben von Lippenstiften und Lidschatten verwendet. Wenn organische Stoffe auf einem Substrat ausgefällt werden, nennt man sie Lake-Pigmente. Der Begriff „See“ bezieht sich auf die Ablagerung oder Ausfällung des organischen Salzes auf einem Metallsubstrat wie Aluminium, Kalzium oder Barium. Sie werden als D&C- (Arzneimittel und Kosmetika) und FD&C-Farben (Lebensmittel, Arzneimittel und Kosmetika) bezeichnet. Einige Beispiele sind D&C Red#7 Calcium Lake und FD&C Yellow #5 Aluminium Lake. Farbstoffe wie FD&C Blue#1 und D&C Yellow #10 sind leicht löslich, im Gegensatz zu Pigmenten, die unlöslich sind. Farbstoffe sind nützlich für die Färbung von Lotionen, Ölen und Shampoos.
Konservierungsmittel
Die meisten kosmetischen Produkte erfordern den Zusatz von Konservierungsmitteln, um mikrobielle Kontamination und Ranzigwerden zu verhindern. Parabene und Ester der Parabenzoesäure werden wegen ihrer Wirksamkeit gegen grampositive Bakterien bei weitem am häufigsten verwendet. Phenoxyethanol wird zum Schutz vor gramnegativen Stämmen verwendet. Der kosmetische Chemiker verwendet in der Regel eine Mischung von Konservierungsmitteln zum Schutz gegen verschiedene Bakterienstämme sowie gegen Hefen und Schimmelpilze. Antioxidantien wie Tocopherol (Vitamin E) und BHT werden ebenfalls zugesetzt, um die Oxidation empfindlicher Inhaltsstoffe zu verhindern und die Haut vor Schäden durch freie Radikale zu schützen.
Fazit
Solange die Gesellschaft weiterhin großen Wert darauf legt, jung und schön auszusehen, wird die kosmetische Chemie weiterhin florieren. Ein gutes Verständnis der Grundlagen der Emulsionschemie und der Hautphysiologie ist Voraussetzung für die Formulierung von Körperpflegeprodukten. Ein guter Kosmetiker muss in der Lage sein, Wissenschaft und Kunst zu verbinden, um Produkte zu schaffen, die sich so anfühlen und aussehen, wie es die Verbraucher wünschen.