Le marché mondial des soins de la peau et des cosmétiques de couleur a dépassé 53 milliards de dollars en 2002. Le nombre de nouveaux produits mis sur le marché continue de croître de façon exponentielle. Les chimistes cosmétiques sont toujours à la recherche d’ingrédients intéressants et exotiques qui améliorent l’apparence et la santé de la peau. Une vaste gamme de composés est nécessaire pour fournir ces produits. La dernière édition du dictionnaire de la Cosmetics Toiletries and Fragrance Association (CTFA) répertorie plus de 10 000 matières premières. Chaque année, des centaines de nouveaux ingrédients sont ajoutés à la liste de ceux qui sont utilisés depuis des siècles. Certaines matières utilisées aujourd’hui peuvent être retracées jusqu’à 11 000 ans avant notre ère dans les dessins d’animaux des grottes d’Altimira.
Histoire
L’apparition de la formulation des soins de la peau remonte à environ 3000 avant notre ère dans l’Égypte ancienne. La plupart des concoctions étaient préparées à partir de matières naturelles. Cléopâtre se serait baignée dans du lait d’ânesse pour garder sa peau lisse et souple. L’ocre rouge, ou oxyde de fer, était une matière naturelle utilisée par les anciens. Des morceaux de minerai rouge se formaient lorsque le fer s’oxydait ou rouillait. L’oxyde de fer rouge a été retrouvé dans des tombes funéraires dans des teintes de lèvres et des préparations de rouge à lèvres cérémonielles. Il était également utilisé pour dessiner les anciennes images d’animaux dans les grottes, comme on peut le voir à Altimira, et est encore utilisé dans de nombreuses formules de maquillage
aujourd’hui. Des peintures oculaires ont également été trouvées sur des tombes anciennes. Ces peintures étaient principalement constituées d’un minerai vert à base de cuivre appelé malachite, extrait des carrières voisines. La graisse animale était combinée à des substances odorantes comme l’encens et la myrrhe pour produire les premiers onguents pour la peau. Des crèmes et des lotions plus sophistiquées étaient mises au point par essais et erreurs et transmises sur plusieurs générations.
Emulsions
La majorité des crèmes et des lotions sont des émulsions. Une émulsion peut être définie simplement comme deux fluides non miscibles dans lesquels un liquide est dispersé sous forme de fines gouttelettes dans l’autre. Le lait homogénéisé est un exemple d’émulsion huile-dans-eau (H/E) typique. La graisse du lait (huile) est dispersée dans l’eau sous forme de fines gouttelettes par le processus d’homogénéisation. Si la matière grasse ne remonte pas immédiatement à la surface, c’est en raison de la présence d’émulsifiants ; dans ce cas, une protéine du lait appelée caséinate de sodium ainsi que plusieurs phopholipides. Dans le cas des émulsions eau-dans-huile (E/H), l’eau est dispersée sous forme de gouttelettes et suspendue dans la phase huileuse. Le liquide non dispersé ou la phase de suspension externe est également appelé la phase continue. La mayonnaise, de l’eau vinaigrée dispersée sous forme de fines gouttelettes dans une phase continue d’huile de soja, est un exemple d’émulsion eau-dans-huile. La lécithine des œufs stabilise l’émulsion de la mayonnaise.
Tensioactifs
La plupart des émulsifiants peuvent être considérés comme des tensioactifs ou des agents tensioactifs. Ces matières sont capables de réduire la tension superficielle de l’eau. Ce qui rend un émulsifiant tensioactif est lié à son HLB, ou équilibre hydrophile-lipophile. Le HLB est déterminé par la taille de la partie hydrophile (qui aime l’eau ou polaire) d’une molécule par rapport à la taille de la partie lipophile (qui aime l’huile ou non polaire). Le système HLB a été créé pour classer la polarité relative des matériaux. Les matériaux les plus polaires, solubles dans l’eau, se situent au sommet de l’échelle de vingt points, tandis que les matériaux non polaires, solubles dans l’huile, sont plus proches de zéro. Le HLB du caséinate de sodium se voit attribuer une valeur d’environ quatorze en raison de sa grande solubilité dans l’eau. La lécithine, peu soluble dans l’eau, a une valeur HLB d’environ six. Toutes deux possèdent des groupes polaires. Le groupe polaire de la protéine du lait est le sodium. Le composant tensioactif de la lécithine est une molécule appelée phosphotidylcholine ou PC (voir figure 1). La partie polaire, ou hydrosoluble, de la PC est le groupe fonctionnel phosphate. Les groupes polaires des émulsifiants sont orientés vers la phase aqueuse polaire. Leurs groupes lipophiles, non polaires, s’orientent vers la phase huileuse pour former des micelles (voir figure 2). Ces structures sphériques assurent la stabilité de l’émulsion grâce aux liaisons Hydrogène et aux faibles forces électriques.
Les émulsifiants pour les soins de la peau peuvent être divisés en deux groupes en fonction de la charge ionique (voir figure 3). Les matériaux qui peuvent se dissocier en espèces chargées sont considérés comme ioniques tandis que ceux qui ne le font pas sont dits non ioniques. Les émulsifiants ioniques peuvent encore être classés par type de charge. Les anioniques sont chargés négativement lorsqu’ils sont solvatés comme dans le stéarate de sodium ou le savon.
Lorsque les acides gras réagissent avec un alcali, ils forment des savons. Le processus de formation du savon est appelé saponification. Le groupe d’acide stéarique chargé négativement est la principale unité émulsifiante du savon, ce qui lui donne la classification anionique. Les émulsifiants chargés positivement sont dits cationiques. L’unité émulsifiante du Quarternium24 se dissocie en un groupe ammonium chargé positivement. Les amphotères sont des composés qui expriment à la fois des charges négatives et positives.
Les émulsifiants non ioniques sont souvent utilisés dans les émulsions de soins pour la peau pour leur sécurité et leur faible réactivité. Ils sont généralement classés par similarité chimique. La glycérine, couramment ajoutée aux émulsions cosmétiques pour ses propriétés humectantes, est le squelette d’une classe d’émulsifiants appelés esters de glycéryle . Le monostéarate de glycéryle, ou GMS, est appelé monoester en raison de sa seule liaison ester (voir figure 4). Le diester est préparé en estérifiant deux molécules d’acide stéarique pour chaque molécule de glycérine. Les mono- et diesters de glycérine sont des émulsifiants très efficaces car ils contiennent à la fois des groupes hydroxyle (OH) polaires et des acides gras non polaires. Si les trois groupes hydroxyle de la Glycérine sont mis en réaction, le triester résultant aura peu de capacité émulsifiante.
L’acide stéarique est appelé acide gras en C18. Les acides gras, présents dans les graisses et les huiles, sont classés en fonction de la longueur de leur chaîne de carbone. L’acide stéarique étant un composant majeur de nombreuses graisses et huiles utilisées dans les traitements de beauté, les émulsifiants à base de stéarate sont particulièrement utiles. Les acides gras sont des composants clés de nombreux émulsifiants cosmétiques en raison de leur miscibilité dans une variété d’huiles naturelles et synthétiques.
Les esters polyéthylène glycol ou éthylène glycol sont appelés esters PEG. La solubilité d’un ester de PEG est déterminée par le nombre de molécules de PEG ayant réagi par molécule d’acide. Le PEG 6 oléate, par exemple, contient six molécules de PEG ayant réagi avec une molécule d’acide oléique. Plus le nombre de molécules polaires de PEG par molécule d’acide augmente, plus la solubilité dans l’eau/le BHL augmente ; l’oléate de PEG 8 est plus soluble que l’oléate de PEG 6. Le chimiste cosmétique utilisera souvent des mélanges d’esters de glycéryle et d’un ester de PEG avec des valeurs HLB élevées et faibles pour déterminer la polarité requise pour émulsifier diverses graisses et huiles. Les nombreux types d’émulsifiants sont trop nombreux pour être énumérés ici, cependant McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents est une excellente source pour une liste plus complète.
Émollients
La majorité des émollients utilisés dans les articles de soins personnels et de beauté sont des graisses et des huiles, également appelées lipides. La graisse animale ou suif est composée principalement d’acides stéarique et palmitique dont la longueur des chaînes de carbone est respectivement de 18 et 16. De nombreuses grandes entreprises de cosmétiques délaissent les matières premières d’origine animale comme le suif au profit de matières premières végétales renouvelables. L’huile de noix de coco et l’huile de palmiste sont souvent utilisées. Parmi les principales caractéristiques requises pour de bons émollients figurent de bonnes propriétés d’étalement, une faible toxicité/irritation cutanée et une bonne stabilité à l’oxydation. L’acide oléique, l’un des principaux composants de l’huile d’olive, présente une faible stabilité à l’oxydation en raison de la présence de sa double liaison. Les graisses et les huiles sont considérées comme saturées si elles ne possèdent pas de double liaison. Les huiles non saturées, comme l’huile d’olive, ont des doubles liaisons qui peuvent réagir avec l’oxygène, surtout lorsqu’elles sont chauffées. Le processus d’oxydation peut produire des couleurs et des odeurs étrangères dans les lipides, ce qui les rend rances et inutilisables.
Les émollients à base de pétrole tels que la vaseline et l’huile minérale se retrouvent dans de nombreuses formulations car ils ne contiennent pas de doubles liaisons ou de groupes fonctionnels réactifs. Des huiles de silicone telles que la cyclométhicone, la diméthicone sont souvent ajoutées pour augmenter le glissement et l’émollience (voir figure 5).
Les huiles qui contiennent des niveaux élevés d’acides gras essentiels, AGE, sont prisées pour leur capacité à reconstituer les lipides (huiles) qui se trouvent naturellement dans les couches de la peau. L’acide linoléique est un exemple d’AGE. Les alcools à longue chaîne, également appelés alcools gras, sont utiles comme émollients et stabilisateurs d’émulsion. Leurs groupes hydroxyle polaires sont orientés vers la phase aqueuse, tandis que leurs chaînes grasses sont orientées vers la phase huileuse. Les esters d’alcools gras et d’acides gras font d’excellents émollients en raison de leur faible réactivité et de leur bonne stabilité.
La lanoline, dérivée de la laine de mouton, est souvent appelée graisse de laine. La lanoline est utilisée depuis des siècles en raison de sa composition unique de stérols complexes, d’alcools gras et d’acides gras. Le cholestérol, une molécule cyclique appelée
un stérol, est un composant majeur. Les groupes hydroxyles polaires des stérols et des alcools permettent à la graisse d’absorber et de retenir l’eau. La peau est principalement composée d’eau, d’innombrables huiles et émollients sont utilisés pour la nourrir et la protéger.
Hydratants
La principale distinction entre les hydratants et les émollients est leur solubilité dans l’eau. Une peau saine a besoin d’être hydratée. Les hydratants sont généralement des matériaux polaires qui sont hygroscopiques par nature ; ils retiennent l’eau. Le high scope est un outil important pour évaluer l’efficacité des hydratants. Il mesure la perte d’eau transépidermique ou TEWL. Après l’application d’une crème hydratante sur la peau, le niveau d’humidité est enregistré. Après plusieurs minutes, le niveau d’hydratation sera réduit en raison de la tendance naturelle de la peau à libérer l’humidité au fil du temps. Les ingrédients qui peuvent maintenir un niveau élevé d’hydratation dans les couches supérieures de la peau pendant plusieurs heures peuvent réduire la vitesse à laquelle l’eau est perdue. La glycérine est un ingrédient très rentable utilisé pour aider à réduire la perte d’eau transdermique. Le sorbitol, le saccharose, le glucose et d’autres sucres sont également couramment utilisés pour hydrater la peau. L’aloès, qui contient un mélange de polysaccharides, de glucides et de minéraux, est un excellent hydratant. Comme la peau devient plus sèche pendant les mois d’hiver, il peut être nécessaire d’incorporer des matériaux qui scellent mieux l’humidité de la peau.
Cires
Les cires sont composées principalement d’esters à longue chaîne qui sont solides à température ambiante. Quiconque a déjà trempé un doigt dans de la cire fondue a fait l’expérience de ses propriétés d’étanchéité. Les cires couramment utilisées dans les cosmétiques sont la cire d’abeille, la candelilla, la carnauba, le polyéthylène et la paraffine. Les points de fusion des cires varient considérablement en fonction de leur composition unique et de la longueur des chaînes. Couramment utilisées dans les baumes et sticks pour les lèvres, les cires servent d’agents structurants, conférant au stick une rigidité suffisante pour tenir debout tout seul, ainsi que des propriétés de barrière. En combinant les cires avec différentes propriétés telles que la brillance, la flexibilité et la fragilité, on peut obtenir une performance cosmétique optimale. Les cires sont souvent associées à des huiles compatibles pour obtenir la douceur souhaitée. La compatibilité est généralement déterminée en mesurant la turbidité et le degré de séparation de deux matériaux mélangés ensemble au-dessus de leur point de fusion. Les cires sont particulièrement utiles dans les crèmes pour les mains et les émulsions de mascara pour leurs propriétés épaississantes et imperméabilisantes.
Epaississants
En incorporant suffisamment de cire dans une lotion mince, on peut former une crème épaisse. De nombreux épaississants sont des polymères. La cellulose, un polymère en poudre fine de
unités de D-glucose, gonfle dans l’eau chaude en créant un réseau de gel. Le carbopol, un acide polyacrylique, gonfle lorsqu’il est neutralisé (voir figure 6). Les argiles bentoniques gonflent lorsque leur structure, qui ressemble à une pile de cartes, est ouverte par un cisaillement mécanique. Le carraghénane, la pectine et la gomme de caroube sont tous des exemples d’épaississants cosmétiques qui sont également utilisés dans certains de nos aliments préférés comme les gelées, les vinaigrettes et les garnitures de tarte.
Ingrédients actifs
Les matériaux qui agissent physiologiquement dans la peau ou aident à protéger la peau contre les insultes sont également appelés ingrédients actifs. Le terme « cosméceutique », inventé par le célèbre dermatologue Dr Albert Kligman, désigne un produit qui se situe entre un cosmétique et un médicament. Bien qu’un cosmétique, par définition légale, ne puisse servir qu’à embellir et à protéger la surface de la peau, on peut démontrer que de nombreux produits cosmétiques pénètrent dans les couches dermiques de la peau pour exiger un changement physiologique.
Les acides de fruits sont un exemple de matière active. Également appelés alpha-hydroxyacides ou AHA, ils ont la capacité de pénétrer dans la peau, où ils peuvent augmenter la production de collagène, d’élastine et de substances intracellulaires, améliorant ainsi l’apparence de la peau. Des milliers d’actifs cosmétiques sont utilisés pour agir sur la peau de diverses manières. Ils sont utilisés pour éclaircir, resserrer et raffermir la peau. Ils peuvent être utilisés pour supprimer la transpiration comme dans le cas du chlorhydrate d’aluminium. L’acide salicylique et le peroxyde de benzoyle sont des ingrédients importants en raison de leur activité anti-acnéique (voir figure 7). Certaines matières actives sont ajoutées aux traitements cutanés pour protéger la peau de l’environnement. La diméthicone et le pétrolatum sont des exemples de protecteurs de la peau.
Écrans solaires
Les écrans solaires sont une classe de composés qui protègent la peau contre le rayonnement ultraviolet. Les longueurs d’onde comprises entre 290nm et 400nm sont particulièrement dommageables pour la peau. La capacité des crèmes solaires à absorber ou à réfléchir ces longueurs d’onde nocives est évaluée par leur FPS ou facteur de protection solaire. Par exemple, une personne protégée par un écran solaire de facteur 15 pourra rester au soleil quinze fois plus longtemps que si elle n’était pas protégée. Le méthoxycinnamate d’octyle, le salycilate d’octyle, le dioxyde de titane et l’avobenzone sont d’importants écrans solaires topiques. Ils peuvent être classés comme des écrans solaires UVA ou UVB en fonction des longueurs d’onde qu’ils absorbent. La benzophénone 4, un filtre UV hydrosoluble, est couramment utilisée pour protéger la couleur des produits cosmétiques.
Couleur
Les pigments et les colorants sont utilisés dans les produits pour leur conférer une couleur. Le dioxyde de titane (TiO 2 ) est un pigment blanc qui est exploité. En combinaison avec des oxydes de fer naturels minés et synthétiques, dont la couleur varie du rouge au jaune, au noir et au brun, selon le degré d’oxydation et d’hydratation, il est possible de produire une gamme de couleurs qui conviendra à presque tous les tons de peau. Les poudres pour le visage sont produites en mélangeant des oxydes inorganiques et des charges. Les charges sont des matériaux inertes, généralement peu coûteux, tels que le kaolin, le talc, la silice et le mica, qui sont utilisés pour étendre et développer pleinement les couleurs. Les poudres pressées comme les ombres à paupières et les fards à joues sont préparées en mélangeant des ingrédients liants supplémentaires comme les huiles et le stéarate de zinc et en pressant le mélange dans des moules.
Les ombres à paupières et les rouges à lèvres contiennent souvent des pigments nacrés communément appelés perles. Les perles scintillent et réfléchissent la lumière pour produire une multitude de couleurs. Elles sont préparées en précipitant une fine couche de couleur sur de fines plaquettes de mica. En faisant varier l’épaisseur de la couleur déposée, on modifie l’angle de la lumière réfractée à travers le composite, créant ainsi différentes couleurs.
Les pigments organiques sont utilisés pour colorer les rouges à lèvres et les fards à paupières. Lorsque les organiques sont précipités sur un substrat, ils sont appelés pigments lacustres. Le terme lac fait référence à la laque ou à la précipitation du sel organique sur un substrat métallique tel que l’aluminium, le calcium ou le baryum. Ils sont appelés couleurs D&C (médicaments et cosmétiques) et FD&C (aliments, médicaments et cosmétiques). Quelques exemples sont la laque de calcium D&C Red#7 et la laque d’aluminium FD&C Yellow #5. Les colorants tels que le FD&C Blue#1 et le D&C Yellow #10 sont facilement solubles, contrairement aux pigments, qui sont insolubles. Les colorants sont utiles pour fournir des teintes pour les lotions, les huiles et les shampooings.
Conservateurs
La plupart des produits cosmétiques nécessitent l’ajout d’un conservateur pour prévenir la contamination microbienne et le rancissement. Les parabènes et l’ester de l’acide parabenzoïque sont de loin les plus utilisés en raison de leur efficacité contre les bactéries gram-positives. Le phénoxyéthanol est utilisé pour protéger contre les souches gram-négatives. Le chimiste cosmétique emploiera généralement un mélange de conservateurs pour se protéger contre différentes souches bactériennes ainsi que contre les levures et les moisissures. Des antioxydants tels que le tocophérol (vitamine E) et le BHT sont également ajoutés pour prévenir l’oxydation des ingrédients sensibles ainsi que pour protéger la peau des dommages causés par les radicaux libres.
Conclusion
Tant que la société continuera à mettre l’accent sur l’apparence jeune et belle, la chimie cosmétique continuera à prospérer. Une bonne compréhension des principes fondamentaux de la chimie des émulsions et de la physiologie de la peau sont des conditions préalables, lors de la formulation de produits de soins personnels. Un bon chimiste cosmétique doit être capable de combiner la science et l’art pour créer des produits avec la sensation et l’apparence que les consommateurs désirent.