Los carbómeros, una familia de polímeros de ácido acrílico reticulado, son ingredientes esenciales en numerosos productos, entre los que se incluyen: productos farmacéuticos; cosméticos y artículos de cuidado personal; productos de cuidado doméstico, industrial e institucional; tintas de impresión; adhesivos y recubrimientos. Durante más de 50 años, los formuladores de múltiples industrias han confiado en diversos carbómeros para crear viscosidad, formar geles, estabilizar emulsiones y suspender partículas. Cuando se utilizan correctamente, los carbómeros ayudan a crear la estética deseada por el consumidor en los productos, al tiempo que permiten una estabilidad a largo plazo en los estantes. Debido a su utilidad, fiabilidad y capacidad ocasional de rescatar lanzamientos de productos condenados al fracaso al estabilizar fórmulas mal concebidas contra la separación, los carbómeros han sido descritos por desarrolladores de productos experimentados como «el mejor amigo de un formulador». Esta columna explorará la química y las propiedades de los carbómeros que les han valido esta merecida reputación.
Química y fabricación
Nomenclatura: Existen numerosas variedades de homo y copolímeros de ácido acrílico reticulados, pero el término carbómero se reserva típicamente para describir polímeros de alto peso molecular de ácido acrílico que están ligeramente reticulados con éteres alílicos de polialcoholes (véase la figura 1).1, 2 Entre los ejemplos de estos éteres alílicos polifuncionales se incluyen el tetraalilo pentaeritritol (TAPE) y el hexaalilo sacarosa, como se muestra en la figura 2. El National Formulary (NF) enumera los carbómeros tradicionales individualmente según su química y propiedades específicas, por ejemplo, la viscosidad de la solución, utilizando números asociados con los nombres comerciales de los primeros carbómeros, por ejemplo, carbómero 934 (véase la Tabla 1). Para los carbómeros modernos sintetizados mediante procesos libres de benceno, la NF ha adoptado los términos homopolímero de carbómero, copolímero de carbómero e interpolímero de carbómero para describir las diversas especies de carbómeros empleados como excipientes en productos farmacéuticos y formulaciones de medicamentos de venta libre. Estos términos se resumen en la Tabla 1. En las monografías de la Farmacopea Europea y del Excipiente Farmacéutico Japonés, los nombres compendiales carbómeros (UE) y polímero de carboxivinilo (JP) se refieren colectivamente a los diversos tipos de carbómeros y copolímeros de carbómeros. En cambio, el diccionario INCI reserva el término carbómero para los homopolímeros reticulados del ácido acrílico, y denomina a los copolímeros reticulados del ácido acrílico con otros comonómeros como polímeros cruzados de acrilato, por ejemplo, acrilatos/C10-C30 acrilato de alquilo.
Monómeros: El componente principal del carbómero es el ácido acrílico, un producto petroquímico básico derivado de la materia prima del gas propileno. La síntesis comercial del ácido acrílico suele implicar una oxidación catalítica de dos etapas en la que el propileno se hace reaccionar con aire para producir acroleína como producto intermedio, que a continuación se oxida para producir ácido acrílico.3-4 Los éteres polialílicos empleados como monómeros reticulantes en la síntesis de carbómeros se preparan mediante la reacción catalizada por bases de un compuesto funcional polihidroxi, por ejemplo sacarosa o pentaeritritol, con un exceso de cloruro de alilo para producir éteres polialílicos de diversos grados de sustitución.5 En la alilación de la sacarosa, una media de cinco a seis de los ocho grupos hidroxilos de la molécula de sacarosa suelen convertirse en éteres alílicos, como se muestra en la Figura 2b.
Polimerización por precipitación: Los carbómeros se sintetizan por polimerización por precipitación de radicales libres llevada a cabo en disolventes orgánicos.5-8 Los disolventes para este proceso se seleccionan de forma que los monómeros, los iniciadores y otros aditivos sean solubles en el medio de reacción, pero el producto polimérico resultante no lo sea. Históricamente, el benceno era el disolvente de proceso preferido para la síntesis comercial de carbómeros; sin embargo, debido a los problemas de salud y seguridad asociados al benceno, hoy en día se emplean sistemas de disolventes alternativos, como el n-hexano o las mezclas de acetato de etilo y ciclohexano, en lugar del benceno8, 9 Las reacciones suelen iniciarse térmicamente utilizando peróxidos orgánicos como iniciadores, aunque también pueden emplearse iniciadores azoicos solubles en aceite.
En la figura 3 se muestra una síntesis típica de carbómero.8 El ácido acrílico y pequeñas cantidades de TAPE y carbonato de potasio (K2CO3) se disuelven inicialmente en el cosolvente acetato de etilo/ciclohexano. El K2CO3 se añade para neutralizar un pequeño porcentaje (típicamente ≤ 3%) de los grupos de ácido acrílico, presumiblemente para ayudar a promover la precipitación del polímero resultante en el sistema cosolvente. La mezcla se calienta a 50°C bajo una atmósfera de nitrógeno, y se añade lentamente al recipiente de reacción un iniciador peroxídico, como el peroxidicarbonato de di(2-etilhexilo) (predisuelto en el cosolvente) durante un periodo de seis horas. A medida que avanza la reacción de polimerización, el producto de carbómero insoluble se precipita del disolvente y se forma una lechada de partículas de carbómero en el disolvente. Una vez completada la reacción, el carbómero se aísla de la lechada, y los sólidos de polímero se secan para obtener el producto de carbómero en forma de polvo.
Enlace cruzado y microgeles: Durante la reacción, los monómeros polifuncionales de reticulación copolimerizan con múltiples cadenas lineales de ácido poliacrílico (PAA) a medida que se propaga, dando lugar a la formación de una red tridimensional de PAA reticulado. En los procesos convencionales de polimerización en masa o en solución, los monómeros reticulantes harían que el medio de reacción se gelificara en una masa continua de PAA reticulado al alcanzar una alta conversión de monómero. Sin embargo, en la polimerización por precipitación, la PAA reticulada se precipita en forma de partículas finas y evita que se produzca una gelificación macroscópica. Así, la reticulación se limita a partículas individuales de polímero de tamaño submicrónico. Cada partícula de carbómero es en realidad una gran macromolécula que comprende muchas cadenas lineales de PAA reticuladas entre sí. El enorme tamaño de estos polímeros impide la determinación del peso molecular (MW) de los carbómeros mediante técnicas convencionales, aunque se ha estimado que los MW de los carbómeros son del orden de 108-109 g/mol.10
Otra consecuencia importante del entrecruzamiento en los carbómeros es que estas macromoléculas no son realmente solubles en agua. Por el contrario, la masa de las cadenas de PAA hidrofílicas reticuladas sólo es dispersable en el agua y habitable en el agua. A diferencia de la PAA no reticulada, que se disuelve para formar soluciones de bobinas de polímero que se superponen y se enredan con el aumento de la concentración, los carbómeros se dispersan en el agua y se hinchan tras la neutralización para formar soluciones de microgeles que no se enredan con el aumento de la concentración, sino que forman una red de «esponjas» microscópicas estrechamente empaquetadas.11
Propiedades
Los carbómeros se suministran normalmente como polvos esponjosos, blancos e hidroscópicos que pueden tener un ligero olor a ácido acético. Hay una variedad de carbómeros disponibles comercialmente, que difieren principalmente por el tipo de disolvente de proceso utilizado (es decir, benceno frente a no benceno), el tipo y el nivel de reticulante empleado, y la adición de aditivos opcionales para mejorar la humectación y la dispersabilidad.12 Los carbómeros también pueden suministrarse en formas preneutralizadas, por ejemplo, como una sal de sodio (INCI: Carbómero de sodio). Se considera que los carbómeros no son tóxicos y presentan un potencial de irritación escaso o nulo para la piel y los ojos en las concentraciones empleadas en los cosméticos y los productos de cuidado personal.13-14 Las impurezas de estos polímeros pueden incluir disolventes residuales de la polimerización, monómeros que no han reaccionado (p. ej, ácido acrílico), ácido acético, ácido propriónico, subproductos del iniciador de la polimerización y trazas de metales pesados.
Los carbonos son fácilmente dispersables en agua y en mezclas de disolventes orgánicos polares con agua, como la solución de etanol-agua al 70% en peso. Cuando se preparan inicialmente, las dispersiones acuosas de partículas de carbómero hidratadas son ácidas y suelen presentar valores de pH de 2,5-3,5, dependiendo de la concentración de polímero. Antes de la neutralización con un ajustador de pH básico, por ejemplo, hidróxido de sodio o trietanolamina, estas dispersiones no poseen una viscosidad significativa y pueden ser brumosas. Tras la neutralización de los grupos de ácido carboxílico, el carbómero se ioniza y se hincha hasta varios cientos de veces su volumen original debido a las repulsiones electrostáticas entre los grupos de carboxilato cargados negativamente y al hinchamiento osmótico debido a los contraiones cautivos. Las dispersiones de microgeles resultantes, a veces denominadas mucílagos, son fluidos transparentes que muestran altas viscosidades y también exhiben un alto valor de rendimiento.
Tecnología y aplicaciones
Los carbómeros son eficientes para crear viscosidad en sistemas acuosos a niveles de uso relativamente bajos. Por ejemplo, la mayoría de los carbómeros enumerados en la Tabla 1 son capaces de crear viscosidades de 10.000-60.000 cP cuando se utilizan a sólo el 0,5% en peso. Por lo tanto, los carbómeros se emplean rutinariamente como espesantes de fase acuosa en una variedad de productos. Sin embargo, la verdadera utilidad de los carbómeros se debe a su capacidad de conferir un alto valor de rendimiento a las formulaciones.
El valor de rendimiento es la resistencia de un fluido al flujo inicial cuando se aplica una tensión.11, 15-16 En reposo, la red estrechamente empaquetada de microgeles de carbómero se comporta como un sólido elástico que resiste la deformación. La red no empieza a fluir hasta que se aplica un nivel crítico de tensión de cizallamiento, es decir, la tensión de fluencia, momento en el que los microgeles pueden deslizarse entre sí, dando lugar a un flujo de fluido. Cuando se dispersan fases heterogéneas (por ejemplo, gotas de emulsión, pigmentos, perlizadores, opacificantes, burbujas de aire, abrasivos de sílice, etc.) en formulaciones espesadas con carbómero, la red de microgeles las atrapa y las estabiliza contra la cremosidad y/o la sedimentación mientras el fluido está en reposo, es decir, por debajo de la tensión de fluencia. Sin embargo, al aplicar una tensión que supera el límite elástico, el fluido fluye suavemente para permitir la dispensación y aplicación del producto. Por esta razón, los carbómeros se utilizan para formular innumerables productos, que van desde cremas y lociones hasta geles para el cabello y pastas de dientes, en los que la suspensión y la estabilización de las fases dispersas son críticas.
Directrices de formulación
La aplicación exitosa de los carbómeros para el espesamiento y la estabilización del valor de fluencia requiere que se utilicen correctamente. Dado que los carbómeros son polielectrolitos sensibles al pH con un pKa de aproximadamente 6,0 ± 0,5, el hinchamiento de los microgeles disminuye drásticamente por debajo de pH 5, lo que provoca una pérdida de viscosidad y valor de rendimiento. El rendimiento óptimo se consigue normalmente en el rango de pH de 6-9. Si se añade un exceso de base u otros electrolitos (por ejemplo, cloruro de sodio) a los sistemas espesados con carbómero, los microgeles se colapsarán debido a los efectos polielectrolíticos (es decir, el cribado de las repulsiones electrostáticas por el exceso de fuerza iónica y el equilibrio de la presión osmótica entre el interior y el exterior del microgel), lo que de nuevo conduce a la pérdida de viscosidad y valor de rendimiento. Además, deben evitarse los iones multivalentes (por ejemplo, Ca2+, Mg2+, etc.) y los tensioactivos catiónicos cuando se utilicen carbómeros para evitar la formación de complejos insolubles.
Cuando se preparen formulaciones espesadas con carbómeros, debe tenerse cuidado para asegurar una dispersión uniforme del carbómero con el fin de evitar texturas granuladas y la formación de «ojos de pez», es decir, aglomerados parcialmente hidratados de partículas de carbómero que no se dispersan completamente.17 La dispersión de los carbómeros tradicionales suele requerir que los polvos se espolvoreen lentamente en el medio de dispersión con una agitación rápida; para la composición a escala comercial, también pueden emplearse dispersores de polvo. Como alternativa, los carbómeros pueden dispersarse en sustancias no solventes, por ejemplo, en la fase oleosa de una emulsión, y luego añadirse a la fase acuosa que contiene el agente neutralizador. El mezclado de cizallamiento extremadamente alto con homogeneizadores o molinos coloidales puede conducir a la degradación por cizallamiento de los microgeles de carbómero y debe minimizarse o evitarse por completo. Los modernos carbómeros «fáciles de dispersar» han reducido la complejidad asociada a la dispersión del carbómero. Estos carbómeros incorporan un agente estabilizador estérico, normalmente un tensioactivo no iónico etoxilado con una configuración en bloque o en peine, en el carbómero durante la polimerización por precipitación.12 Los carbómeros resultantes se humedecen fácilmente cuando se añaden a medios acuosos pero se hidratan lentamente, permitiendo una dispersión suave y uniforme del carbómero.
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