Ihonhoito- ja värikosmetiikan maailmanlaajuiset markkinat ylittivät 53 miljardia dollaria vuonna 2002. Markkinoille tuotujen uusien tuotteiden määrä kasvaa edelleen räjähdysmäisesti. Kosmetiikkakemistit etsivät jatkuvasti mielenkiintoisia ja eksoottisia ainesosia, jotka parantavat ihon ulkonäköä ja terveyttä. Näiden tuotteiden toimittamiseen tarvitaan laaja valikoima yhdisteitä. Cosmetics Toiletries and Fragrance Associationin (CTFA) sanakirjan uusimmassa painoksessa luetellaan yli 10 000 raaka-ainetta. Vuosisatojen ajan käytettyjen ainesosien luetteloon lisätään joka vuosi satoja uusia ainesosia. Joitakin nykyisin käytettyjä materiaaleja voidaan jäljittää jo 11 000 vuotta eaa. taaksepäin Altimiran luolista löytyneissä eläinpiirroksissa.
Historia
Ihonhoitovalmisteiden ilmestyminen ajoittuu noin vuoteen 3000 eaa. muinaisessa Egyptissä. Useimmat seokset valmistettiin luonnonmateriaaleista. Kleopatran kerrotaan kylpeneen aasinmaidossa pitääkseen ihonsa sileänä ja joustavana. Yksi muinaisten käyttämä luonnonmateriaali oli punainen okra eli rautaoksidi. Punaista malmia muodostui, kun rauta hapettui tai ruostui. Punaista rautaoksidia löytyi hautakammioista seremoniallisissa huuliväreissä ja rouge-valmisteissa. Sitä käytettiin myös muinaisten luolakuvien piirtämiseen eläimistä, kuten Altimirassa, ja sitä käytetään edelleen monissa meikkivalmisteissa
nykyään. Silmävärejä on löydetty myös muinaisista hautapaikoista. Nämä maalit koostuivat pääasiassa kuparipohjaisesta vihreästä malakiittimalmista, jota louhittiin läheisistä louhoksista. Eläinrasvaa yhdistettiin tuoksuviin aineisiin, kuten suitsukkeeseen ja mirhaan, varhaisten ihovoiteiden valmistamiseksi. Kehittyneempiä voiteita ja voiteita hiottiin kokeilemalla ja erehtymällä, ja ne periytyivät useiden sukupolvien ajan.
Emulsiot
Suurin osa voiteista ja voiteista on emulsioita. Emulsio voidaan määritellä yksinkertaisesti kahdeksi sekoittumattomaksi nesteeksi, joissa toinen neste on dispergoitunut hienoina pisaroina toiseen nesteeseen. Homogenoitu maito on esimerkki tyypillisestä öljy-vesi (o/w) -emulsiosta. Maitorasva (öljy) dispergoituu veteen hienoina pisaroina homogenisointiprosessissa. Syy siihen, että rasva ei nouse heti pinnalle, on emulgointiaineiden läsnäolo; tässä tapauksessa natriumkaseinaatti-niminen maitoproteiini sekä useita fosfolipidejä. Vesi-öljyssä-emulsioissa (w/o) vesi on dispergoitunut pisaroina ja suspendoitunut öljyfaasiin. Dispersoimatonta nestettä tai ulkoista suspensiofaasia kutsutaan myös jatkuvaksi faasiksi. Majoneesi, etikkavesi, joka on dispergoitu hienoina pisaroina soijaöljyn jatkuvaan faasiin, on esimerkki vesi-öljyssä-emulsiosta. Kananmunasta saatu lesitiini stabiloi majoneesiemulsiota.
Pinta-aktiiviset aineet
Useimpia emulgointiaineita voidaan pitää pinta-aktiivisina aineina tai pinta-aktiivisina aineina. Nämä aineet pystyvät vähentämään veden pintajännitystä. Se, mikä tekee emulgointiaineesta pinta-aktiivisen, liittyy sen HLB- eli hydrofiili-lipofiilitasapainoon. HLB määräytyy molekyylin hydrofiilisen (vettä rakastavan tai polaarisen) osan koon ja lipofiilisen (öljyä rakastavan tai poolittoman) osan koon perusteella. HLB-järjestelmä luotiin materiaalien suhteellisen poolisuuden luokittelemiseksi. Polaarisimmat, vesiliukoisimmat materiaalit ovat kahdenkymmenen pisteen asteikon yläpäässä, kun taas poolittomammat, öljyliukoiset materiaalit ovat lähempänä nollaa. Natriumkaseinaatin HLB-arvo on noin neljätoista, koska se liukenee hyvin veteen. Veteen huonosti liukenevan lesitiinin HLB-arvo on noin kuusi. Molemmissa on polaarisia ryhmiä. Maitoproteiinin polaarinen ryhmä on natrium. Lesitiinin pinta-aktiivinen komponentti on molekyyli nimeltä fosfotidyylikoliini eli PC (ks. kuva 1). PC:n polaarinen eli vesiliukoinen osa on fosfaattifunktionaalinen ryhmä. Emulgointiaineiden polaariset ryhmät suuntautuvat kohti polaarista vesifaasia. Niiden lipofiiliset, poolittomat ryhmät suuntautuvat öljyfaasia kohti muodostaen mikkeleitä (ks. kuva 2). Nämä pallomaiset rakenteet antavat emulsiolle vakautta vetysidoksen ja heikkojen sähköisten voimien avulla.
Ihonhoitoemulgaattorit voidaan jakaa kahteen ryhmään ionivarauksen perusteella (ks. kuva 3). Aineita, jotka voivat dissosioitua varatuiksi lajeiksi, pidetään ionisina, kun taas aineita, jotka eivät voi dissosioitua varatuiksi lajeiksi, kutsutaan ei-ionisiksi. Ioniset emulgaattorit voidaan luokitella edelleen varaustyypin mukaan. Anioniset aineet ovat negatiivisesti varautuneita, kun ne liukenevat, kuten natriumstearaatti tai saippua.
Kun rasvahapot reagoivat emäksen kanssa, ne muodostavat saippuoita. Saippuanmuodostusprosessia kutsutaan saippuoitumiseksi. Negatiivisesti varautunut steariinihapporyhmä on saippuan tärkein emulgoiva yksikkö, mikä antaa sille anionisen luokituksen. Positiivisesti varautuneita emulgointiaineita kutsutaan kationisiksi. Quarternium24:n emulgointiyksikkö dissosioituu positiivisesti varautuneeksi ammoniumryhmäksi. Amfoteeriset aineet ovat yhdisteitä, joissa on sekä negatiivisia että positiivisia varauksia.
Nonionisia emulgointiaineita käytetään usein ihonhoitoemulsioissa niiden turvallisuuden ja vähäisen reaktiivisuuden vuoksi. Ne luokitellaan yleensä kemiallisen samankaltaisuuden perusteella. Glyseriini, jota lisätään yleisesti kosmeettisiin emulsioihin sen kosteuttavien ominaisuuksien vuoksi, on selkäranka emulgointiaineiden luokassa, jota kutsutaan glyseryyliestereiksi . Glyseryylimonostearaattia eli GMS:ää kutsutaan monoesteriksi sen ainoan esterisidoksen vuoksi (ks. kuva 4). Diesteri valmistetaan esteröimällä kaksi molekyyliä steariinihappoa jokaista glyseriinimolekyyliä kohti. Glyseryylimono- ja -diesterit ovat erittäin tehokkaita emulgointiaineita, koska ne sisältävät sekä polaarisia hydroksyyliryhmiä (OH) että poolittomia rasvahappoja. Jos glyseriinin kaikki kolme hydroksyyliryhmää reagoivat, syntyvällä triesterillä on vain vähän emulgointikykyä.
Steariinihappoa kutsutaan C18-rasvahapoksi. Rasvoissa ja öljyissä esiintyvät rasvahapot luokitellaan niiden hiiliketjun pituuden mukaan. Koska steariinihappo on pääkomponentti monissa kauneudenhoidossa käytetyissä rasvoissa ja öljyissä, stearaattipohjaiset emulgointiaineet ovat erityisen hyödyllisiä. Rasvahapot ovat monien kosmeettisten emulgointiaineiden avainkomponentteja, koska ne sekoittuvat erilaisiin luonnollisiin ja synteettisiin öljyihin.
Polyetyleeniglykolin tai etyleeniglykolin estereitä kutsutaan PEG-estereiksi. PEG-esterin liukoisuus määräytyy sen mukaan, kuinka monta PEG-molekyyliä reagoi yhtä happomolekyyliä kohti. Esimerkiksi PEG 6 -oleaatissa on kuusi PEG-molekyyliä reagoinut yhden öljyhappomolekyylin kanssa. Kun polaaristen PEG-molekyylien määrä happomolekyyliä kohti kasvaa, vesiliukoisuus/HLB kasvaa; PEG 8 -oleaatti on liukoisempi kuin PEG 6 -oleaatti. Kosmetiikkakemisti käyttää usein korkean ja matalan HLB-arvon omaavien glyseryyliesterien ja PEG-esterin seoksia määrittääkseen eri rasvojen ja öljyjen emulgoimiseksi tarvittavan poolisuuden. Emulgaattorityyppejä on liian paljon lueteltavaksi tässä, mutta McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents on erinomainen lähde täydellisemmän luettelon laatimiseksi.
Pehmentävät aineet
Suurin osa henkilökohtaisessa hygieniassa ja kauneudenhoitotuotteissa käytettävistä pehmentävistä aineista on rasvoja ja öljyjä, joita kutsutaan myös lipideiksi. Eläinrasva eli tali koostuu pääasiassa steariini- ja palmitiinihapoista, joiden hiiliketjujen pituudet ovat 18 ja 16. Monet suuret kosmetiikkayhtiöt ovat siirtymässä pois eläinperäisistä materiaaleista, kuten talista, uusiutuviin kasvipohjaisiin materiaaleihin. Usein käytetään kookosöljyä ja palmunydinöljyä. Eräitä hyviltä pehmentäviltä aineilta vaadittavia keskeisiä ominaisuuksia ovat hyvät levittymisominaisuudet, vähäinen myrkyllisyys/ihoärsytys ja hyvä hapettumisstabiliteetti. Oliiviöljyn tärkeimmän ainesosan öljyhapon hapettumisstabiliteetti on huono, koska siinä on kaksoissidos. Rasvoja ja öljyjä pidetään tyydyttyneinä, jos niissä ei ole kaksoissidoksia. Tyydyttymättömissä öljyissä, kuten oliiviöljyssä, on kaksoissidoksia, jotka voivat reagoida hapen kanssa erityisesti kuumennettaessa. Hapettumisprosessi voi aiheuttaa lipideissä värivirheitä ja hajuja, jotka aiheuttavat niiden hapettumista ja käyttökelvottomuutta.
Öljypohjaisia pehmentäviä aineita, kuten vaseliinia ja mineraaliöljyä, käytetään monissa valmisteissa, koska ne eivät sisällä kaksoissidoksia tai reaktiivisia funktionaalisia ryhmiä. Silikoniöljyjä, kuten syklometikonia ja dimetikonia, lisätään usein liukuvuuden ja pehmentävyyden lisäämiseksi (ks. kuva 5).
Öljyt, jotka sisältävät runsaasti välttämättömiä rasvahappoja (EFA), ovat arvostettuja niiden kyvyn vuoksi täydentää ihokerroksissa luonnostaan esiintyviä lipidejä (öljyjä). Linolihappo on esimerkki EFA:sta. Pitkäketjuiset alkoholit, joita kutsutaan myös rasva-alkoholeiksi, ovat käyttökelpoisia pehmentäjinä ja emulsioiden stabilointiaineina. Niiden polaariset hydroksyyliryhmät suuntautuvat vesifaasiin ja rasvaketjut öljyfaasiin. Rasva-alkoholien ja rasvahappojen esterit ovat erinomaisia pehmittimiä niiden vähäisen reaktiivisuuden ja hyvän stabiilisuuden vuoksi.
Lanoliinia, joka on peräisin lampaanvillasta, kutsutaan usein villarasvaksi. Lanoliinia on käytetty vuosisatojen ajan sen ainutlaatuisen monimutkaisten sterolien, rasva-alkoholien ja rasvahappojen koostumuksen vuoksi. Kolesteroli, syklinen molekyyli nimeltään
steroli, on pääkomponentti. Sterolien ja alkoholien polaariset hydroksyyliryhmät mahdollistavat rasvan veden imeytymisen ja sitomisen. Iho koostuu pääasiassa vedestä, lukemattomia öljyjä ja pehmentäviä aineita käytetään sen ravitsemiseen ja suojaamiseen.
Kosteuttavat aineet
Tärkein ero kosteuttavien aineiden ja pehmentävien aineiden välillä on niiden liukoisuus veteen. Terve iho tarvitsee kosteutta. Kosteusvoiteet ovat yleensä polaarisia materiaaleja, jotka ovat luonteeltaan hygroskooppisia; ne pidättävät vettä. Tärkeä väline kosteusvoiteiden tehokkuuden arvioimiseksi on korkea laajuus. Se mittaa transepidermistä vesihäviötä eli TEWL:ää. Kun kosteusvoidetta on levitetty iholle, kosteustaso rekisteröidään. Muutaman minuutin kuluttua kosteustaso laskee, koska iholla on luonnollinen taipumus luovuttaa kosteutta ajan myötä. Ainesosat, jotka pystyvät ylläpitämään korkeaa kosteustasoa ihon ylemmissä kerroksissa useiden tuntien ajan, voivat vähentää veden menetysnopeutta. Glyseriini on erittäin kustannustehokas ainesosa, jota käytetään vähentämään TEWL:ää. Sorbitolia, sakkaroosia, glukoosia ja muita sokereita käytetään myös yleisesti ihon kosteuttamiseen. Aloe, joka sisältää polysakkaridien, hiilihydraattien ja mineraalien seosta, on erinomainen kosteuttaja. Koska iho kuivuu talvikuukausina, voi olla tarpeen käyttää aineita, jotka sulkevat kosteuden paremmin ihoon.
Vahat
Vahat koostuvat pääasiassa pitkäketjuisista estereistä, jotka ovat kiinteitä huoneenlämmössä. Jokainen, joka on koskaan kastanut sormensa sulaan vahaan, on kokenut sen tiivistysominaisuudet. Yleisiä kosmetiikassa käytettyjä vahoja ovat mehiläisvaha, kandelilla, karnauba, polyeteeni ja parafiini. Vahojen sulamispisteet vaihtelevat suuresti riippuen niiden ainutlaatuisesta koostumuksesta ja ketjujen pituuksista. Yleisesti huulivoiteissa ja -puikoissa käytetyt vahat toimivat rakenneaineina, jotka antavat puikolle riittävän jäykkyyden, jotta se pysyy pystyssä, sekä esto-ominaisuuksia. Yhdistämällä vahoja, joilla on erilaisia ominaisuuksia, kuten korkea kiilto, joustavuus ja hauraus, voidaan saavuttaa optimaalinen kosmeettinen suorituskyky. Usein vahat yhdistetään yhteensopiviin öljyihin halutun pehmeyden saavuttamiseksi. Yhteensopivuus määritetään yleensä mittaamalla kahden keskenään sekoitetun materiaalin sameus ja erottumisaste niiden sulamispisteiden yläpuolella. Vahat ovat erityisen käyttökelpoisia käsivoiteissa ja ripsiväriemulsioissa niiden sakeuttavien ja vedenpitävien ominaisuuksien vuoksi.
Sakeuttamisaineet
Lisäämällä tarpeeksi vahaa ohueen voiteeseen voidaan muodostaa paksu voide. Monet sakeuttamisaineet ovat polymeerejä. Selluloosa, hienojakoinen jauhemainen polymeeri, joka koostuu toistuvista
D-glukoosiyksiköt, turpoaa kuumassa vedessä muodostaen geeliverkoston. Karbopoli, polyakryylihappo, turpoaa, kun se neutraloidaan (ks. kuva 6). Bentonisavet turpoavat, kun niiden korttipinoa muistuttava rakenne avataan mekaanisen leikkauksen avulla. Karrageeni, pektiini ja johanneksenleipäpuun purukumi ovat kaikki esimerkkejä kosmeettisista sakeuttamisaineista, joita käytetään myös joissakin suosikkiruoka-aineissamme, kuten hyytelöissä, salaattikastikkeissa ja piirakkatäytteissä.
Aktiiviset ainesosat
Aineita, jotka toimivat fysiologisesti ihossa tai auttavat suojaamaan ihoa loukkauksilta, kutsutaan myös aktiivisiksi ainesosiksi. Tunnetun ihotautilääkärin, tohtori Albert Kligmanin keksimä termi ”cosmeceuticals” viittaa tuotteeseen, joka on kosmetiikan ja lääkkeen välimuoto. Vaikka kosmeettiset valmisteet voivat lakisääteisen määritelmän mukaan vain kaunistaa ja suojata ihon pintaa, monien kosmeettisten valmisteiden voidaan osoittaa tunkeutuvan ihon ihokerroksiin ja aiheuttavan fysiologisia muutoksia.
Hedelmähapot ovat esimerkki aktiivisesta aineesta. Niitä kutsutaan myös alfahydroksihapoiksi tai AHA:ksi, ja niillä on kyky tunkeutua ihoon, jossa ne voivat lisätä kollageenin, elastiinin ja solunsisäisten aineiden tuotantoa ja siten parantaa ihon ulkonäköä. Tuhansia kosmeettisia tehoaineita käytetään vaikuttamaan ihoon monin eri tavoin. Niitä käytetään ihon vaalentamiseen, kiristämiseen ja kiinteyttämiseen. Niitä voidaan käyttää hikoilun estämiseen, kuten alumiiniklorohydraattia. Salisyylihappo ja bentsoyyliperoksidi ovat tärkeitä ainesosia niiden aknea ehkäisevän vaikutuksen vuoksi (ks. kuva 7). Joitakin tehoaineita lisätään ihonhoitoaineisiin suojaamaan ihoa ympäristöltä. Dimetikoni ja vaseliini ovat esimerkkejä ihonsuoja-aineista.
Aurinkovoiteet
Aurinkovoiteet ovat yhdisteluokka, joka suojaa ihoa ultraviolettisäteilyltä. Aallonpituudet 290 nm:n ja 400 nm:n välillä ovat erityisen haitallisia iholle. Aurinkosuojavoiteiden kykyä absorboida tai heijastaa näitä haitallisia aallonpituuksia arvioidaan niiden SPF- eli aurinkosuojakertoimella. Esimerkiksi henkilö, joka on suojattu suojakertoimella 15, voi oleskella auringossa viisitoista kertaa pidempään kuin suojaamaton henkilö. Oktyylimetoksisykinnamaatti, oktyylisalisycilaatti, titaanidioksidi ja avobentsoni ovat tärkeitä paikallisia aurinkosuojia. Ne voidaan luokitella joko UVA- tai UVB-aurinkosuojiksi sen mukaan, mitä aallonpituuksia ne absorboivat. Bentsofenoni 4 on vesiliukoinen UV-suodatin, jota käytetään yleisesti kosmetiikkatuotteiden värin suojaamiseen.
Väri
Pigmenttejä ja väriaineita käytetään tuotteissa antamaan väri. Titaanidioksidi (TiO 2 ) on valkoinen pigmentti, jota louhitaan. Yhdistettynä luonnollisiin louhittuihin ja synteettisiin rautaoksideihin, joiden väri vaihtelee punaisesta, keltaiseen, mustaan ja ruskeaan hapettumis- ja hydratoitumisasteesta riippuen, voidaan valmistaa värivalikoima, joka sopii lähes jokaiselle ihonsävylle. Kasvopuuterit valmistetaan sekoittamalla epäorgaanisia oksideja ja täyteaineita. Täyteaineet ovat inerttejä, yleensä edullisia materiaaleja, kuten kaoliinia, talkkia, piidioksidia ja kiillettä, joita käytetään värien laajentamiseen ja täydelliseen kehittämiseen. Puristetut puuterit, kuten luomivärit ja poskipunat, valmistetaan sekoittamalla sitovia ainesosia, kuten öljyjä ja sinkkistearaattia, ja puristamalla seos pannuihin.
Silmä- ja huulipunat sisältävät usein helmiäispigmenttejä, joita kutsutaan yleisesti helmiksi. Helmet kimaltelevat ja heijastavat valoa tuottaen lukuisia värejä. Ne valmistetaan saostamalla ohut värikerros ohuille kiillepinnoille. Saostetun värin paksuuden vaihteleminen muuttaa yhdistelmän läpi taittuvan valon kulmaa, jolloin syntyy erilaisia värejä.
Orgaanisia pigmenttejä käytetään huulipunien ja luomivärien värjäämiseen. Kun orgaaniset aineet saostuvat alustalle, niitä kutsutaan järvipigmenteiksi. Termi järvipigmentti viittaa orgaanisen suolan lakoutumiseen tai saostumiseen metallialustalle, kuten alumiinille, kalsiumille tai bariumille. Niitä kutsutaan D&C (lääke- ja kosmetiikkaväreiksi) ja FD&C (elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkaväreiksi). Esimerkkejä ovat D&C Red#7 kalsiumjärvi ja FD&C Yellow #5 alumiinijärvi. Väriaineet, kuten FD&C Blue#1 ja D&C Yellow #10, ovat helposti liukenevia, toisin kuin pigmentit, jotka ovat liukenemattomia. Väriaineista on hyötyä voiteiden, öljyjen ja shampoiden sävytyksessä.
Säilöntäaineet
Useimmat kosmeettiset valmisteet vaativat säilöntäaineen lisäämistä mikrobien aiheuttaman saastumisen ja härskiintymisen estämiseksi. Parabeenit ja parabensiinihapon esterit ovat ylivoimaisesti yleisimmin käytettyjä, koska ne ovat tehokkaita grampositiivisia bakteereja vastaan. Fenoksietanolia käytetään suojaamaan gramnegatiivisilta kannoilta. Kosmetiikkakemisti käyttää yleensä säilöntäaineiden yhdistelmää suojautuakseen eri bakteerikannoilta sekä hiivoilta ja homeilta. Antioksidantteja, kuten tokoferolia (E-vitamiinia) ja BHT:tä, lisätään myös estämään herkkien ainesosien hapettumista ja suojaamaan ihoa vapaiden radikaalien aiheuttamilta vaurioilta.
Johtopäätökset
Niin kauan kuin yhteiskunta jatkaa nuoren ja kauniin ulkonäön korostamista, kosmetiikkakemia kukoistaa. Hyvä ymmärrys emulsiokemian ja ihon fysiologian perusteista on edellytyksenä, kun muotoillaan henkilökohtaisia hoitotuotteita. Hyvän kosmetiikkakemistin on kyettävä yhdistämään tiede ja taide luodakseen tuotteita, jotka tuntuvat ja näyttävät kuluttajien toivomilta.