A karbomerek, a térhálós akrilsav polimerek családja, számos termék alapvető összetevője, többek között: gyógyszerek, kozmetikumok és testápolási cikkek, háztartási, ipari és intézményi ápolószerek, nyomdafestékek, ragasztók és bevonatok. Több mint 50 éve a formulázók számos iparágban támaszkodnak a különböző karbomerekre a viszkozitás kialakításában, a gélek kialakításában, az emulziók stabilizálásában és a részecskék szuszpendálásában. Megfelelő alkalmazás esetén a karbomerek segítenek a fogyasztók által kívánt esztétikumot kialakítani a termékekben, miközben hosszú távú polcstabilitást tesznek lehetővé. Hasznosságuk, megbízhatóságuk és alkalmankénti képességük miatt, hogy megmentik a kudarcra ítélt termékbevezetéseket azáltal, hogy stabilizálják a rosszul megtervezett formulákat az elválás ellen, a karbomereket a tapasztalt termékfejlesztők úgy jellemzik, mint “a formulázó legjobb barátja”. Ez a rovat a karbomerek kémiáját és tulajdonságait vizsgálja, amelyek miatt ezt a megérdemelt hírnevet kapták.
Kémia és gyártás
Nómenklatúra: A térhálósított akrilsav homo- és kopolimereknek számos fajtája létezik, de a karbomer kifejezést általában a polialkoholok alil-étereivel enyhén térhálósított, nagy molekulatömegű akrilsav polimerek leírására tartják fenn (lásd az 1. ábrát).1, 2 Ilyen polifunkcionális alil-éterek például a tetraallil-pentaeritritol (TAPE) és a hexaallil-szacharóz, amint az a 2. ábrán látható. A National Formulary (NF) a hagyományos karbomereket külön-külön sorolja fel sajátos kémiai összetételük és tulajdonságaik, pl. az oldat viszkozitása szerint, a korai karbomerek kereskedelmi neveihez kapcsolódó számokat használva, pl. karbomer 934 (lásd az 1. táblázatot). A benzolmentes eljárásokkal szintetizált modern karbomerek esetében az NF a karbomer homopolimer, karbomer kopolimer és karbomer interpolimer kifejezéseket használta a gyógyszerekben és a vény nélkül kapható gyógyszerformulákban segédanyagként használt karbomerek különböző fajtáinak leírására. Ezeket a kifejezéseket az 1. táblázat foglalja össze. Az Európai Gyógyszerkönyv és a japán gyógyszerészeti segédanyag-monográfiákban a karbomerek (EU) és a karboxivinilpolimer (JP) összefoglaló elnevezések a karbomerek és karbomer-kopolimerek különböző fajtáira vonatkoznak. Ezzel szemben az INCI szótár a karbomer kifejezést az akrilsav térhálósított homopolimerjeire tartja fenn, és az akrilsav más komonomerekkel alkotott térhálósított kopolimerjeit akrilát-keresztpolimereknek nevezi, pl. akrilátok/C10-C30 alkil-akrilát-keresztpolimer.
Monomerek: A karbomer fő komponense az akrilsav, egy propiléngáz alapanyagból származó petrolkémiai alapanyag. Az akrilsav kereskedelmi szintézise általában egy kétlépcsős katalitikus oxidációt foglal magában, ahol a propilént levegővel reagáltatva akrolein keletkezik köztes termékként, amelyet aztán tovább oxidálva akrilsavat kapunk.3-4 A karbomer szintézisben térhálósító monomerként alkalmazott polialil-étereket egy polihidroxifunkciós vegyület báziskatalizált reakciójával állítják elő, pl., szacharóz vagy pentaeritritol, többlet allil-kloriddal, hogy különböző szubsztitúciós fokú poliallil-étereket kapjanak.5 A szacharóz allilálásakor a szacharóz molekula nyolc hidroxilcsoportjából átlagosan öt-hat alakul át allil-éterré, amint azt a 2b. ábra mutatja.
Szedési polimerizáció: A karbomereket szerves oldószerekben végzett szabadgyökös kicsapásos polimerizációval szintetizálják.5-8 Az ehhez az eljáráshoz használt oldószereket úgy választják ki, hogy a monomerek, iniciátorok és egyéb adalékanyagok oldódjanak a reakcióközegben, de a keletkező polimertermék ne. Történelmileg a benzol volt az előnyben részesített oldószer a karbomerek kereskedelmi szintéziséhez; a benzollal kapcsolatos egészségügyi és biztonsági aggályok miatt azonban ma a benzol helyett alternatív oldószerrendszereket, például n-hexánt vagy etil-acetát és ciklohexán keverékét alkalmazzák8 , 9 A reakciókat általában termikusan indítják el szerves peroxidok mint iniciátorok használatával, bár olajban oldódó azoiniciátorok is alkalmazhatók.
A 3. ábra egy tipikus karbomerszintézist mutat be.8 Az akrilsavat és kis mennyiségű TAPE-t és kálium-karbonátot (K2CO3) kezdetben etil-acetát/ciklohexán társoldószerben oldják fel. A K2CO3-t az akrilsavcsoportok kis százalékának (jellemzően ≤ 3%) semlegesítésére adjuk, feltehetően azért, hogy elősegítsük a keletkező polimer kicsapódását a társoldószer-rendszerben. Az elegyet nitrogén atmoszféra alatt 50 °C-ra melegítjük, és a reakcióedénybe lassan, hat óra alatt peroxi iniciátort, például di(2-etilhexil)peroxidikarbonátot (előoldva a társoldatban) adunk. A polimerizációs reakció előrehaladtával az oldhatatlan karbomer termék kicsapódik az oldószerből, és az oldószerben karbomer részecskékből álló iszap keletkezik. A reakció befejeztével a karbomert izoláljuk az iszapból, és a polimer szilárd anyagokat szárítjuk, hogy a karbomer terméket por alakban kapjuk.
Hálózati kötés és mikrogélek: A reakció során a polifunkcionális térhálósító monomerek többszörös lineáris poliakrilsav (PAA) lánccal kopolimerizálódnak, miközben előrehaladnak, ami térhálósított PAA háromdimenziós hálózatának kialakulásához vezet. A hagyományos ömlesztett vagy oldatos polimerizációs eljárásokban a térhálósító monomerek hatására a reakcióközeg a magas monomer konverziót elérve folyamatos térhálós PAA tömeggé zselésedne. A kicsapásos polimerizáció során azonban a térhálósított PAA finom részecskék formájában kicsapódik, és megakadályozza a makroszkopikus zselésedés kialakulását. Így a térhálósodás az egyes szubmikron méretű polimerrészecskékre korlátozódik. Minden egyes karbomer részecske valójában egy nagy makromolekula, amely sok, egymással térhálósított lineáris PAA-láncot tartalmaz. E polimerek óriási mérete megnehezíti a karbomerek molekulatömegének (MW) hagyományos technikákkal történő meghatározását, bár a karbomerek MW-ját 108-109 g/mol nagyságrendűre becsülték.10
A karbomerek keresztkötésének másik fontos következménye, hogy ezek a makromolekulák nem igazán vízoldékonyak. Ehelyett a térhálósított hidrofil PAA-láncok tömege csak vízben diszpergálható és vízben úszható. Ellentétben a nem térhálósított PAA-val, amely a koncentráció növekedésével átfedő és összefonódó polimer tekercsek oldataiba oldódik, a karbomerek vízben diszpergálnak, és semlegesítéskor megduzzadnak, és mikrogél oldatokat képeznek, amelyek a koncentráció növekedésével nem összefonódnak, hanem szorosan elhelyezkedő mikroszkopikus “szivacsok” hálózatát alkotják.11
Tulajdonságok
A karbomereket általában pelyhes, fehér, hidroszkopikus porok formájában szállítják, amelyeknek enyhe ecetsavszaga lehet. A kereskedelemben többféle karbomer kapható, amelyek elsősorban a felhasznált oldószer típusa (pl. benzol vagy nem benzol), az alkalmazott térhálósítószer típusa és szintje, valamint a nedvesedést és diszpergálhatóságot javító opcionális adalékanyagok hozzáadása alapján különböznek.12 A karbomereket elősemlegesített formában is lehet szállítani, pl. nátriumsóként (INCI: Sodium Carbomer). A karbomerek nem tekinthetők mérgezőnek, és a kozmetikumokban és testápolási termékekben alkalmazott koncentrációkban a bőr és a szem irritációs potenciálját nem vagy csak kis mértékben mutatják.13-14 Az ezekben a polimerekben lévő szennyeződések közé tartozhatnak a polimerizációs oldószer maradványok, a nem reagált monomerek (pl., akrilsav), ecetsav, proprionsav, polimerizációs iniciátor melléktermékek és nehézfémek nyomai.
A szénhidrogének könnyen diszpergálhatók vízben és poláros szerves oldószerek vízzel való keverékeiben, például 70 tömegszázalékos etanol-víz oldatban. A hidratált karbomer részecskék vizes diszperziói kezdeti elkészítésükkor savasak, és jellemzően 2,5-3,5 pH-értéket mutatnak a polimer koncentrációjától függően. A bázikus pH-beállítóval, pl. nátrium-hidroxiddal vagy trietanolaminnal történő semlegesítés előtt ezek a diszperziók nem rendelkeznek jelentős viszkozitással és zavarosak lehetnek. A karbonsavcsoportok semlegesítése után a karbomer ionizálódik és eredeti térfogatának több százszorosára duzzad a negatív töltésű karboxilátcsoportok közötti elektrosztatikus taszítás és a rögzített ellenionok miatti ozmotikus duzzadás következtében. A keletkező mikrogél-diszperziók, amelyeket néha nyálkáknak is neveznek, tiszta folyadékok, amelyek nagy viszkozitást mutatnak, és magas hozamértékkel is rendelkeznek.
Technológia és alkalmazások
A karbomerek hatékonyan építik fel a viszkozitást vizes rendszerekben viszonylag alacsony felhasználási szint mellett. Például az 1. táblázatban felsorolt karbomerek többsége 10 000-60 000 cP viszkozitást képes kialakítani, ha csak 0,5%-os tömegszázalékban használják. Így a karbomereket rutinszerűen alkalmazzák vizes fázisú sűrítőanyagként számos termékben. A karbomerek valódi hasznossága azonban abból a képességükből ered, hogy magas hozamértéket kölcsönöznek a készítményeknek.
A hozamérték a folyadék kezdeti áramlással szembeni ellenállása, amikor feszültséget alkalmaznak.11, 15-16 Nyugalmi állapotban a karbomer mikrogélek szorosan csomagolt hálózata rugalmas szilárd anyagként viselkedik, amely ellenáll a deformációnak. A hálózat nem kezd el áramlani, amíg a nyírófeszültség egy kritikus szintjét, azaz a folyáshatárt nem alkalmazzák, amikor a mikrogélek egymás mellett elcsúszhatnak, ami folyadékáramlást eredményez. Amikor heterogén fázisokat (pl. emulziós cseppeket, pigmenteket, gyöngyözőanyagokat, mattítószereket, légbuborékokat, szilícium-dioxid csiszolóanyagokat stb.) diszpergálnak a karbomerrel sűrített készítményekben, a mikrogélhálózat magába zárja és stabilizálja azokat a habosodás és/vagy üledékképződés ellen, amíg a folyadék nyugalmi állapotban, azaz a folyáshatár alatt van. A folyáshatárt meghaladó feszültség alkalmazásakor azonban a folyadék simán áramlik, lehetővé téve a termék adagolását és alkalmazását. Emiatt a karbomereket számtalan termék formulázására használják, a krémektől és krémektől kezdve a hajformázó géleken át a fogkrémekig, ahol a diszpergált fázisok szuszpenziója és stabilizálása kritikus fontosságú.
Formázási irányelvek
A karbomerek sűrítésre és a folyáshatár stabilizálására történő sikeres alkalmazása megköveteli, hogy helyesen használják őket. Mivel a karbomerek pH-érzékeny polielektrolitok, amelyek pKa értéke kb. 6,0 ± 0,5, a mikrogél duzzadása drámaian csökken pH 5 alatt, ami a viszkozitás és a hozamérték csökkenéséhez vezet. Az optimális teljesítmény jellemzően a 6-9 pH-tartományban érhető el. Ha a karbomerrel sűrített rendszerekhez felesleges bázist vagy más elektrolitokat (pl. nátrium-kloridot) adunk, a mikrogélek a polielektrolit hatások miatt (azaz az elektrosztatikus taszítások szűrése a felesleges ionerősséggel és az ozmotikus nyomás kiegyenlítése a mikrogél belseje és külseje között) összeomlanak, ami ismét a viszkozitás és a hozamérték csökkenéséhez vezet. Emellett a karbomerek alkalmazásakor kerülni kell a többértékű ionokat (pl. Ca2+, Mg2+ stb.) és a kationos felületaktív anyagokat, hogy elkerüljük az oldhatatlan komplexek kialakulását.
A karbomerrel sűrített készítmények előállításakor ügyelni kell a karbomer egyenletes diszperziójának biztosítására, hogy elkerüljük a szemcsés textúrát és a “halszemek” kialakulását, ill, a karbomer részecskék részben hidratált agglomerátumai, amelyek nem tudnak teljesen diszpergálódni.17 A hagyományos karbomerek diszpergálása általában megköveteli, hogy a porokat lassan, gyors keverés mellett szórják a diszperziós közegbe; a kereskedelmi méretű keveréshez pordiszpergálók is alkalmazhatók. Alternatív megoldásként a karbomerek diszpergálhatók nem oldószerekben, pl. egy emulzió olajfázisában, majd hozzáadhatók a semlegesítőszert tartalmazó vizes fázishoz. A homogenizátorokkal vagy kolloidmalmokkal végzett rendkívül nagy nyírószilárdságú keverés a karbomer mikrogélek nyírószilárdságú lebomlásához vezethet, ezért minimalizálni kell vagy teljesen el kell kerülni. A modern “könnyen diszpergálható” karbomerek csökkentették a karbomer diszpergálással kapcsolatos bonyolultságot. Ezek a karbomerek a kicsapásos polimerizáció során egy sztérikus stabilizálószert, általában egy blokk- vagy fésűs konfigurációjú etoxilált nemionos felületaktív anyagot építenek be a karbomerbe.12 Az így kapott karbomerek könnyen nedvesednek, amikor vizes közeghez adják őket, de lassan hidratálódnak, lehetővé téve a karbomer sima, egyenletes diszperzióját.
1. Carbomer, Official Monographs, in the United States Pharmacopeia 34-National Formulary 29, United Book Press Inc, Baltimore, USA (2011) pp 1465-1473
2. Carbomer, Monograph ID 5092, in the International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC USA (2010)
3. G Swift, Acrylic (and methacrylic) acid polymers, in Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, John Wiley & Sons Inc, Online megjelent (2002. márc. 15.) pp 79-96 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471440264.pst009/abstract (Hozzáférés: 2011. aug. 23.)
4. W Bauer Jr, Acrylic acid and derivatives, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc., online megjelent (2003. jún. 20.) pp 342-369 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103182502012105.a01.pub2/abstract (Hozzáférés: 2011. aug. 23.)
5. US 2798053, Karboxilpolimerek, HP Brown, a The B. F. Goodrich Company-ra engedményezve (1957. július 2.)
6. US 2923692, Keresztkötésű karboxilpolimer sóját tartalmazó nyálkás összetétel és annak előállítására szolgáló módszer, JF Ackerman és JF Jones, a The B. F. Goodrich Co. (1960. február 2.)
7. US 2980655, Polimerizációs eljárás, JA Glass és JF Jones, amelyet a The B. F. Goodrich Co. (1961. ápr. 18.)
8. US 4923940, Polikarbonsavak nagyobb sűrítő képességgel és jobb tisztasággal, CC Hsu, átruházva a The B. F. Goodrich Co-ra. (1990. május 8.)
9. TEGO Carbomer 340 FD, Product Bulletin D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Németország, (2008. február)
10. Carbopol és Pemulen polimerek molekulatömege, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH USA (2008. július 10.)
11. JV Gruber, Synthetic polymers in cosmetics, Chapter 6 in Principles of Polymer Science & Technology in Cosmetics and Personal Care, ED Goddard and JV Gruber, eds, Marcel Dekker Inc., New York USA (1999) pp 217-275
12. o. US 5288814, Könnyen diszpergálható polikarbonsav-sűrítőanyagok, CJ Long II, Z Amjad, WF Masler III és WH Wingo, amelyet a The B. F. Goodrich Co. (1994. február 22.)
13. RL Elder, szerk, Final report on the safety assessment of Carbomers-934, -910, -934P, -940, 941, and -962, J Am Coll Toxicol 1(2) 109-141 (1982)
14. Annual review of cosmetic ingredient safety assessments-2001/2002, Cosmetic Ingredient Review Expert Panel, Int J Toxicol 22 (Suppl. 1) 1-35 (2003)
15. A hozamérték mérése és megértése a testápoló készítményekben, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-244, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (2002. január)
16. M Cloitre, Yielding, flow, and slip in microgel suspensions: From microstructure to macroskopic rheology, Chap 11 in Microgel Suspensions, Fundamentals and Applications, A Fernandez-Nieves, H Wyss, J Mattsson, and DA Weitz, eds, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim, Németország (2011) pp 285-310.
17. A Carbopol polimerek diszpergálási technikái, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-103, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (2002. jan.)