Il mercato globale dei cosmetici per la cura della pelle e dei colori ha superato i 53 miliardi di dollari nel 2002. Il numero di nuovi prodotti immessi sul mercato continua ad espandersi esponenzialmente. I chimici cosmetici sono sempre alla ricerca di ingredienti interessanti ed esotici che migliorino l’aspetto e la salute della pelle. Una vasta gamma di composti è necessaria per fornire questi prodotti. L’ultima edizione del dizionario della Cosmetics Toiletries and Fragrance Association (CTFA) elenca più di 10.000 materie prime. Ogni anno centinaia di nuovi ingredienti si aggiungono alla lista di quelli che sono stati usati per secoli. Alcuni materiali usati oggi possono essere fatti risalire all’11.000 a.C. nei disegni di animali delle grotte di Altimira.
Storia
La comparsa di formulazioni per la cura della pelle risale a circa 3000 a.C. nell’antico Egitto. La maggior parte degli intrugli erano preparati con materiali naturali. Si dice che Cleopatra facesse il bagno nel latte d’asina per mantenere la sua pelle liscia ed elastica. Un materiale naturale usato dagli antichi era l’ocra rossa, o ossido di ferro. I grumi di minerale rosso si formavano quando il ferro si ossidava o arrugginiva. L’ossido di ferro rosso è stato trovato nelle tombe sepolcrali nelle tinte cerimoniali delle labbra e nei preparati per il rossore. Era anche usato per disegnare le antiche immagini di animali nelle caverne, come si vede in Altimira, ed è ancora usato in molte formulazioni di trucco
oggi. Vernici per gli occhi sono state trovate anche in antichi luoghi di sepoltura. Queste vernici consistevano principalmente di un minerale verde a base di rame chiamato malachite che veniva estratto dalle cave vicine. Il grasso animale era combinato con sostanze profumate come l’incenso e la mirra per produrre i primi unguenti per la pelle. Creme e lozioni più sofisticate venivano messe a punto attraverso prove ed errori e tramandate per molte generazioni.
Emulsioni
La maggior parte delle creme e lozioni sono emulsioni. Un’emulsione può essere definita semplicemente come due fluidi immiscibili in cui un liquido è disperso come goccioline sottili nell’altro. Il latte omogeneizzato è un esempio di una tipica emulsione olio-in-acqua (o/w). Il grasso del latte (olio) è disperso in acqua sotto forma di goccioline sottili dal processo di omogeneizzazione. La ragione per cui il grasso non galleggia immediatamente verso l’alto è dovuta alla presenza di emulsionanti; in questo caso, una proteina del latte chiamata caseinato di sodio e diversi fopolipidi. Nel caso delle emulsioni acqua-in-olio (w/o), l’acqua è dispersa come goccioline e sospesa nella fase olio. Il liquido non disperso o la fase sospensiva esterna è chiamata anche fase continua. La maionese, acqua di aceto dispersa come goccioline sottili in una fase continua di olio di soia, è un esempio di emulsione acqua-in-olio. La lecitina delle uova stabilizza l’emulsione della maionese.
Tensioattivi
La maggior parte degli emulsionanti possono essere considerati tensioattivi o agenti tensioattivi. Questi materiali sono in grado di ridurre la tensione superficiale dell’acqua. Ciò che rende un emulsionante tensioattivo è legato al suo HLB, o equilibrio idrofilo-lipofilo. HLB è determinato dalla dimensione della porzione idrofila (che ama l’acqua o polare) di una molecola rispetto alla dimensione della porzione lipofila (che ama l’olio o non polare). Il sistema HLB è stato creato per classificare la polarità relativa dei materiali. I materiali più polari, solubili in acqua, sono in cima alla scala di venti punti con materiali più non polari, solubili in olio, più vicini allo zero. Al HLB del caseinato di sodio viene assegnato un valore di circa quattordici a causa della sua alta solubilità in acqua. La lecitina, essendo poco solubile in acqua, ha un valore HLB di circa sei. Entrambi hanno gruppi polari. Il gruppo polare nella proteina del latte è il sodio. Il componente tensioattivo della lecitina è una molecola chiamata fosfotidilcolina o PC (vedi figura 1). La parte polare o solubile in acqua del PC è il gruppo funzionale fosfato. I gruppi polari degli emulsionanti si orientano verso la fase polare dell’acqua. I loro gruppi lipofili e non polari si orientano verso la fase oleosa per formare micelle (vedi Figura 2). Queste strutture sferiche forniscono stabilità all’emulsione attraverso il legame idrogeno e le deboli forze elettriche.
Gli emulsionanti per la cura della pelle possono essere divisi in due gruppi basati sulla carica ionica (Vedi Figura 3). I materiali che possono dissociarsi in specie cariche sono considerati ionici mentre quelli che non lo fanno sono chiamati non ionici. Gli emulsionanti ionici possono essere ulteriormente classificati per tipo di carica. Gli anionici sono caricati negativamente quando sono solvatati come nello stearato di sodio o nel sapone.
Quando gli acidi grassi reagiscono con gli alcali formano saponi. Il processo di formazione del sapone è chiamato saponificazione. Il gruppo dell’acido stearico caricato negativamente è la principale unità emulsionante del sapone, dandogli la classificazione anionica. Gli emulsionanti caricati positivamente sono chiamati cationici. L’unità emulsionante di Quarternium24 si dissocia nel gruppo di ammonio caricato positivamente. Gli anfoteri sono composti che esprimono sia cariche negative che positive.
Gli emulsionanti non ionici sono spesso usati nelle emulsioni per la cura della pelle per la loro sicurezza e bassa reattività. Sono generalmente classificati per somiglianza chimica. La glicerina, comunemente aggiunta alle emulsioni cosmetiche per le sue proprietà umettanti, è la spina dorsale di una classe di emulsionanti chiamati esteri glicerilici. Il gliceril monostearato, o GMS, è chiamato un monoestere a causa del suo unico legame estere (vedi Figura 4). Il diestere viene preparato esterificando due molecole di acido stearico per ogni molecola di glicerina. I mono- e diesteri della glicerina sono emulsionanti molto efficaci perché contengono sia gruppi idrossilici (OH) polari che acidi grassi non polari. Se tutti e tre i gruppi idrossilici della glicerina vengono fatti reagire, il triestere risultante avrà poca capacità emulsionante.
L’acido stearico è chiamato acido grasso C18. Gli acidi grassi, presenti nei grassi e negli oli, sono classificati secondo la lunghezza della loro catena di carbonio. Poiché l’acido stearico è un componente principale di molti dei grassi e degli oli usati nei trattamenti di bellezza, gli emulsionanti a base di stearato sono particolarmente utili. Gli acidi grassi sono componenti chiave di molti emulsionanti cosmetici a causa della loro miscibilità in una varietà di oli naturali e sintetici.
Gli esteri polietilenglicole o etilenglicole sono chiamati esteri PEG. La solubilità di un estere PEG è determinata dal numero di molecole PEG reagite per molecola di acido. Il PEG 6 oleato per esempio ha sei molecole di PEG reagite con una molecola di acido oleico. All’aumentare del numero di molecole di PEG polari per molecola di acido, aumenta la solubilità in acqua/HLB; l’oleato di PEG 8 è più solubile dell’oleato di PEG 6. Il chimico cosmetico userà spesso miscele di esteri glicerilici e un estere PEG con valori HLB alti e bassi per determinare la polarità richiesta per emulsionare vari grassi e oli. I molti tipi di emulsionanti sono troppo numerosi per essere elencati qui, tuttavia McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents è una fonte eccellente per un elenco più completo.
Emollienti
La maggior parte degli emollienti usati nella cura personale e negli articoli di bellezza sono grassi e oli, chiamati anche lipidi. Il grasso animale o sego è composto principalmente da acidi stearico e palmitico con catene di carbonio lunghe rispettivamente 18 e 16. Molte delle maggiori compagnie cosmetiche si stanno allontanando dai materiali di origine animale come il sego per passare a materiali rinnovabili di origine vegetale. L’olio di cocco e l’olio di palmisti sono spesso utilizzati. Alcune delle caratteristiche chiave richieste in buoni emollienti sono buone proprietà di diffusione, bassa tossicità/irritazione della pelle e buona stabilità ossidativa. L’acido oleico, uno dei principali costituenti dell’olio d’oliva, ha una scarsa stabilità ossidativa a causa della presenza del suo doppio legame. I grassi e gli oli sono considerati saturi se non hanno doppi legami. Gli oli insaturi come l’olio d’oliva hanno doppi legami che possono reagire con l’ossigeno, specialmente se riscaldati. Il processo di ossidazione può produrre colori e odori sgradevoli nei lipidi, facendoli diventare rancidi e inutilizzabili.
Gli emollienti a base di petrolio come la gelatina di petrolio e l’olio minerale si trovano in molte formulazioni perché non contengono doppi legami o gruppi funzionali reattivi. Gli oli di silicone come il ciclometilicone e il dimethicone sono spesso aggiunti per aumentare lo scivolamento e l’emollienza (vedi Figura 5).
Gli oli che contengono alti livelli di acidi grassi essenziali, EFA, sono apprezzati per la loro capacità di reintegrare i lipidi (oli) che si trovano naturalmente negli strati della pelle. L’acido linoleico è un esempio di EFA. Gli alcoli a catena lunga, chiamati anche alcoli grassi, sono utili come emollienti e stabilizzatori di emulsioni. I loro gruppi idrossilici polari si orientano verso la fase acquosa con le loro catene grasse orientate verso la fase oleosa. Gli esteri degli alcoli grassi e degli acidi grassi sono ottimi emollienti a causa della loro bassa reattività e buona stabilità.
La lanolina, derivata dalla lana di pecora, è spesso chiamata grasso di lana. La lanolina è stata usata per secoli grazie alla sua composizione unica di steroli complessi, alcoli grassi e acidi grassi. Il colesterolo, una molecola ciclica chiamata
uno sterolo, è un componente principale. I gruppi idrossilici polari degli steroli e degli alcoli permettono al grasso di assorbire e trattenere l’acqua. La pelle è composta principalmente da acqua, innumerevoli oli ed emollienti sono utilizzati per nutrirla e proteggerla.
Idratanti
La principale distinzione tra idratanti ed emollienti è la loro solubilità in acqua. La pelle sana ha bisogno di umidità. Gli idratanti sono generalmente materiali polari che sono di natura igroscopica; trattengono l’acqua. Uno strumento importante per valutare l’efficienza degli idratanti è l’alta portata. Misura la perdita d’acqua transepidermica o TEWL. Dopo aver applicato una crema idratante sulla pelle, viene registrato il livello di umidità. Dopo diversi minuti il livello di umidità si ridurrà a causa della tendenza naturale della pelle a rilasciare l’umidità nel tempo. Gli ingredienti che possono mantenere un alto livello di umidità negli strati superiori della pelle per diverse ore possono ridurre il tasso di perdita di acqua. La glicerina è un ingrediente molto conveniente usato per aiutare a ridurre la TEWL. Sorbitolo, saccarosio, glucosio e altri zuccheri sono anche comunemente usati per idratare la pelle. L’aloe, che contiene una miscela di polisaccaridi, carboidrati e minerali, è un eccellente idratante. Poiché la pelle diventa più secca nei mesi invernali, può essere necessario incorporare materiali che sigillano meglio l’umidità nella pelle.
Le cere
Le cere sono composte principalmente da esteri a catena lunga che sono solidi a temperatura ambiente. Chiunque abbia mai immerso un dito nella cera fusa ha sperimentato le sue proprietà sigillanti. Alcune cere comuni usate nei cosmetici sono la cera d’api, candelilla, carnauba, polietilene e paraffina. I punti di fusione delle cere variano ampiamente a seconda della loro composizione unica e della lunghezza delle catene. Comunemente usate nei balsami per le labbra e negli stick, le cere funzionano come agenti strutturanti, dando allo stick abbastanza rigidità da reggersi da solo, oltre a proprietà di barriera. Combinando le cere con diverse proprietà come l’alta brillantezza, la flessibilità e la fragilità, si possono ottenere prestazioni cosmetiche ottimali. Spesso le cere sono combinate con oli compatibili per ottenere la morbidezza desiderata. La compatibilità è generalmente determinata misurando la torbidità e il grado di separazione di due materiali mescolati insieme sopra i loro punti di fusione. Le cere sono particolarmente utili nelle creme per le mani e nelle emulsioni di mascara per le loro proprietà addensanti e impermeabilizzanti.
Addensanti
Incorporando abbastanza cera in una lozione sottile, si può formare una crema spessa. Molti addensanti sono polimeri. La cellulosa, un polimero di polvere fine che si ripete
unità di D-glucosio, si gonfia in acqua calda creando una rete di gel. Il carbopol, un acido poliacrilico, si gonfia quando viene neutralizzato (vedi figura 6). Le argille bentoniche si gonfiano quando la loro struttura, simile a una pila di carte, viene aperta attraverso il taglio meccanico. La carragenina, la pectina e la farina di semi di carrube sono tutti esempi di addensanti cosmetici che sono anche usati in alcuni dei nostri cibi preferiti, come gelatine, condimenti per insalata e ripieni per torte.
Ingredienti attivi
I materiali che lavorano fisiologicamente all’interno della pelle o che aiutano a proteggere la pelle dagli insulti sono chiamati anche ingredienti attivi. Il termine “cosmeceutici”, coniato dal famoso dermatologo Dr. Albert Kligman, si riferisce a un prodotto che è una via di mezzo tra un cosmetico e un farmaco. Anche se un cosmetico, per definizione legale, può servire solo per abbellire e proteggere la superficie della pelle, molti prodotti cosmetici possono essere dimostrati per penetrare gli strati dermici della pelle per eseguire un cambiamento fisiologico.
Gli acidi della frutta sono un esempio di materiale attivo. Chiamati anche alfa idrossiacidi o AHA, hanno la capacità di penetrare nella pelle, dove possono aumentare la produzione di collagene, elastina e sostanze intracellulari migliorando così l’aspetto della pelle. Migliaia di principi attivi cosmetici sono utilizzati per influenzare la pelle in vari modi. Sono usati per schiarire, stringere e rassodare la pelle. Possono essere usati per sopprimere la traspirazione come nel caso del cloroidrato di alluminio. L’acido salicilico e il perossido di benzoile sono ingredienti importanti per la loro attività anti-acne (vedi figura 7). Alcuni materiali attivi sono aggiunti ai trattamenti per proteggere la pelle dall’ambiente. Il dimeticone e il petrolato sono esempi di protettori della pelle.
I filtri solari
I filtri solari sono una classe di composti che proteggono la pelle dai raggi ultravioletti. Le lunghezze d’onda tra 290nm e 400nm sono particolarmente dannose per la pelle. La capacità dei filtri solari di assorbire o riflettere queste lunghezze d’onda dannose è valutata dal loro SPF o fattore di protezione solare. Per esempio, una persona protetta con un fattore 15 di protezione solare sarà in grado di stare al sole quindici volte di più che se non protetto. Octyl methoxycinnamate, octyl salycilate, biossido di titanio e avobenzone sono alcuni importanti filtri solari topici. Possono essere classificati come filtri solari UVA o UVB a seconda delle lunghezze d’onda che assorbono. Il benzofenone 4, un filtro UV solubile in acqua, è comunemente usato per proteggere il colore dei prodotti cosmetici.
Colore
Pigmenti e coloranti sono usati nei prodotti per conferire un colore. Il biossido di titanio (TiO 2 ) è un pigmento bianco che viene estratto. In combinazione con ossidi di ferro naturali e sintetici, che variano in colore da rosso, giallo, nero e marrone, a seconda del grado di ossidazione e idratazione, si può produrre una gamma di colori che sarà adatta a quasi tutte le tonalità di pelle. Le polveri per il viso sono prodotte mescolando ossidi inorganici e riempitivi. I riempitivi sono materiali inerti, generalmente poco costosi, come caolino, talco, silice e mica, che vengono utilizzati per estendere e sviluppare completamente i colori. Le polveri pressate come gli ombretti e i fard sono preparati mescolando ulteriori ingredienti leganti come oli e stearato di zinco e pressando la miscela in vaschette.
Ombretti e rossetti spesso contengono pigmenti perlescenti comunemente chiamati perle. Le perle brillano e riflettono la luce per produrre una moltitudine di colori. Sono preparati facendo precipitare un sottile strato di colore su sottili piastrine di mica. Variando lo spessore del colore depositato, cambia l’angolo della luce rifratta attraverso il composto, creando colori diversi.
I pigmenti organici sono usati per colorare rossetti e ombretti. Quando gli organici sono precipitati su un substrato sono chiamati pigmenti di lago. Il termine lago si riferisce allo sfaldamento o alla precipitazione del sale organico su un substrato metallico come alluminio, calcio o bario. Sono chiamati colori D&C (farmaco e cosmetico) e FD&C (cibo, farmaco e cosmetico). Alcuni esempi sono il D&C Red#7 calcium lake e FD&C Yellow #5 aluminium lake. Coloranti come FD&C Blue#1 e D&C Yellow #10 sono facilmente solubili al contrario dei pigmenti, che sono insolubili. I coloranti sono utili per fornire tinte per lozioni, oli e shampoo.
Conservanti
La maggior parte dei prodotti cosmetici richiede l’aggiunta di conservanti per prevenire la contaminazione microbica e l’irrancidimento. I parabeni e l’estere dell’acido parabenzoico sono di gran lunga i più utilizzati per la loro efficacia contro i batteri gram-positivi. Il fenossietanolo è usato per proteggere dai ceppi gramnegativi. Il chimico cosmetico impiegherà generalmente una miscela di conservanti per proteggere contro diversi ceppi batterici, nonché lieviti e muffe. Vengono aggiunti anche antiossidanti come il tocoferolo (vitamina E) e il BHT per prevenire l’ossidazione degli ingredienti sensibili e proteggere la pelle dai danni dei radicali liberi.
Conclusione
Finché la società continuerà a porre grande enfasi sull’apparire giovani e belli, la chimica cosmetica continuerà a prosperare. Una buona comprensione dei fondamenti della chimica delle emulsioni e della fisiologia della pelle sono prerequisiti, quando si formulano prodotti per la cura personale. Un buon chimico cosmetico deve essere in grado di combinare scienza e arte per creare prodotti con la sensazione e l’aspetto che i consumatori desiderano.