I carbomeri, una famiglia di polimeri di acido acrilico reticolato, sono ingredienti essenziali in numerosi prodotti, tra cui: prodotti farmaceutici; cosmetici e articoli per la cura personale; prodotti per la cura della casa, industriali e istituzionali; inchiostri da stampa; adesivi e rivestimenti. Per più di 50 anni, i formulatori di diverse industrie si sono affidati a vari carbomeri per costruire la viscosità, formare gel, stabilizzare le emulsioni e sospendere le particelle. Se usati correttamente, i carbomeri aiutano a costruire l’estetica desiderata dai consumatori nei prodotti, consentendo contemporaneamente una stabilità di scaffale a lungo termine. Grazie alla loro utilità, affidabilità e capacità occasionale di salvare il lancio di prodotti condannati stabilizzando formule mal concepite contro la separazione, i carbomeri sono stati descritti da sviluppatori di prodotti esperti come “i migliori amici di un formulatore”. Questa rubrica esplorerà la chimica e le proprietà dei carbomeri che gli hanno fatto guadagnare questa meritata reputazione.
Chemistry and Manufacture
Nomenclatura: Esistono numerose varietà di omo e copolimeri di acido acrilico reticolati, ma il termine carbomero è tipicamente riservato a descrivere polimeri di acido acrilico ad alto peso molecolare che sono leggermente reticolati con eteri allilici di polialcoli (vedi Figura 1).1, 2 Esempi di tali eteri allilici polifunzionali includono il tetraallil pentaeritritolo (TAPE) e il saccarosio esaallilico, come mostrato nella Figura 2. Il National Formulary (NF) elenca i carbomeri tradizionali individualmente secondo la loro chimica specifica e le loro proprietà, per esempio, la viscosità della soluzione, usando i numeri associati ai nomi commerciali dei primi carbomeri, per esempio, carbomer 934 (vedi tabella 1). Per i moderni carbomeri sintetizzati con processi privi di benzene, la NF ha adottato i termini carbomero omopolimero, carbomero copolimero e carbomero interpolimero per descrivere le varie specie di carbomeri impiegati come eccipienti in prodotti farmaceutici e formulazioni di farmaci da banco. Questi termini sono riassunti nella tabella 1. Nelle monografie della Farmacopea Europea e dell’Eccipiente Farmaceutico Giapponese, i nomi compendiali carbomeri (EU) e carbossivinil polimero (JP) si riferiscono collettivamente ai vari tipi di carbomeri e copolimeri di carbomeri. Al contrario, il dizionario INCI riserva il termine carbomero agli omopolimeri reticolati di acido acrilico, e nomina i copolimeri reticolati di acido acrilico con altri comonomeri come crosspolimeri acrilati, ad esempio, acrilati/C10-C30 alchil acrilato crosspolimero.
Monomeri: Il componente principale del carbomero è l’acido acrilico, un prodotto petrolchimico derivato dalla materia prima gas propilene. La sintesi commerciale dell’acido acrilico comporta tipicamente un’ossidazione catalitica a due fasi in cui il propilene viene fatto reagire con l’aria per produrre acroleina come intermedio, che viene poi ulteriormente ossidato per produrre acido acrilico.3-4 Gli eteri poliallilici impiegati come monomeri reticolanti nella sintesi del carbomero vengono preparati tramite la reazione catalizzata dalla base di un composto funzionale poliidrossi, ad es, saccarosio o pentaeritritolo, con un eccesso di cloruro di allile per produrre eteri poliallilici di vari gradi di sostituzione.5 Nell’allilazione del saccarosio, una media di cinque o sei degli otto gruppi idrossilici sulla molecola di saccarosio sono solitamente convertiti in eteri allilici, come mostrato nella Figura 2b.
Polimerizzazione per precipitazione: I carbomeri sono sintetizzati dalla polimerizzazione per precipitazione a radicali liberi condotta in solventi organici.5-8 I solventi per questo processo sono selezionati in modo che i monomeri, gli iniziatori e altri additivi siano solubili nel mezzo di reazione, ma il prodotto polimerico risultante non lo sia. Storicamente, il benzene era il solvente di processo preferito per la sintesi commerciale dei carbomeri; tuttavia, a causa delle preoccupazioni per la salute e la sicurezza associate al benzene, sistemi di solventi alternativi, come il n-esano o miscele di acetato di etile e cicloesano, sono impiegati oggi al posto del benzene.8, 9 Le reazioni sono di solito iniziate termicamente usando perossidi organici come iniziatori, anche se possono essere impiegati anche iniziatori azoici solubili in olio.
Una tipica sintesi di carbomero è mostrata nella Figura 3.8 L’acido acrilico e piccole quantità di TAPE e carbonato di potassio (K2CO3) sono inizialmente sciolti nel co-solvente acetato di etile/cicloesano. Il K2CO3 viene aggiunto per neutralizzare una piccola percentuale (tipicamente ≤ 3%) dei gruppi di acido acrilico, presumibilmente per favorire la precipitazione del polimero risultante nel sistema cosolvente. La miscela viene riscaldata a 50°C in atmosfera di azoto, e un iniziatore perossido, come il di(2-etilesile) perossidicarbonato (predissolto nel cosolvente) viene aggiunto lentamente al recipiente di reazione per un periodo di sei ore. Mentre la reazione di polimerizzazione procede, il prodotto insolubile del carbomero precipita dal solvente e si forma un impasto di particelle di carbomero nel solvente. Al termine della reazione, il carbomero viene isolato dall’impasto e i solidi del polimero vengono essiccati per ottenere il prodotto di carbomero in polvere.
Crosslinking e microgels: Durante la reazione, i monomeri reticolanti polifunzionali copolimerizzano con più catene lineari di acido poliacrilico (PAA) mentre si propagano, portando alla formazione di una rete tridimensionale di PAA reticolata. Nei processi convenzionali di polimerizzazione in massa o in soluzione, i monomeri reticolanti causerebbero la gelificazione del mezzo di reazione in una massa continua di PAA reticolata al raggiungimento di un’alta conversione del monomero. Tuttavia, nella polimerizzazione per precipitazione, la PAA reticolata precipita come particelle sottili e impedisce che si verifichi una gelificazione macroscopica. Così, la reticolazione è confinata a singole particelle di polimero di dimensioni submicroniche. Ogni particella di carbomero è in realtà una grande macromolecola che comprende molte catene lineari di PAA che sono reticolate insieme. L’enorme dimensione di questi polimeri impedisce la determinazione del peso molecolare (MW) dei carbomeri utilizzando tecniche convenzionali, anche se i MW dei carbomeri sono stati stimati essere dell’ordine di 108-109 g/mol.10
Un’altra importante conseguenza della reticolazione nei carbomeri è che queste macromolecole non sono veramente solubili in acqua. Invece, la massa delle catene idrofile reticolate di PAA è solo idrodispersibile e idrosolubile. A differenza della PAA non reticolata, che si dissolve per formare soluzioni di bobine polimeriche che si sovrappongono e si aggrovigliano con l’aumentare della concentrazione, i carbomeri si disperdono in acqua e si gonfiano alla neutralizzazione per formare soluzioni di microgels che non si aggrovigliano con l’aumentare della concentrazione, ma formano invece una rete di “spugne” microscopiche strettamente imballate. “11
Proprietà
I carbomeri sono in genere forniti come polveri soffici, bianche, idroscopiche che possono avere un leggero odore di acido acetico. Una varietà di carbomeri sono disponibili in commercio, e differiscono principalmente per il tipo di solvente di processo utilizzato (cioè, benzene vs. non-benzene), il tipo e il livello di reticolante impiegato, e l’aggiunta di additivi opzionali per migliorare la bagnatura e la dispersibilità.12 I carbomeri possono anche essere forniti in forme preneutralizzate, ad esempio, come sale di sodio (INCI: Sodium Carbomer). I carbomeri sono considerati non tossici e presentano un potenziale di irritazione minimo o nullo per la pelle e gli occhi alle concentrazioni impiegate nei cosmetici e nei prodotti per la cura personale.13-14 Le impurità in questi polimeri possono includere solventi residui di polimerizzazione, monomeri non reagiti (ad es, acido acrilico), acido acetico, acido propionico, sottoprodotti dell’iniziatore di polimerizzazione e tracce di metalli pesanti.
I carbomeri sono facilmente disperdibili in acqua e in miscele di solventi organici polari con acqua, come una soluzione etanolo-acqua al 70% p/p. Quando inizialmente preparate, le dispersioni acquose di particelle idrate di carbomero sono acide e tipicamente presentano valori di pH di 2,5-3,5 a seconda della concentrazione del polimero. Prima della neutralizzazione con un regolatore di pH basico, per esempio, idrossido di sodio o trietanolamina, queste dispersioni non possiedono una viscosità significativa e possono essere torbide. Dopo la neutralizzazione dei gruppi dell’acido carbossilico, il carbomer si ionizza e si gonfia fino a diverse centinaia di volte il suo volume originale a causa delle repulsioni elettrostatiche tra i gruppi carbossilati caricati negativamente e del rigonfiamento osmotico dovuto ai controioni prigionieri. Le dispersioni di microgel risultanti, a volte denominate mucillagini, sono fluidi chiari che mostrano alte viscosità ed esibiscono anche un alto valore di rendimento.
Tecnologia e applicazioni
I carbomeri sono efficienti nel costruire la viscosità nei sistemi acquosi a livelli di utilizzo relativamente bassi. Per esempio, la maggior parte dei carbomeri elencati nella tabella 1 sono in grado di costruire viscosità di 10.000-60.000 cP quando sono usati solo allo 0,5% p/p. Così, i carbomeri sono abitualmente impiegati come addensanti di fase acquosa in una varietà di prodotti. Tuttavia, la vera utilità dei carbomeri deriva dalla loro capacità di conferire un alto valore di rendimento alle formulazioni.
Il valore di rendimento è la resistenza di un fluido al flusso iniziale quando viene applicata una sollecitazione.11, 15-16 A riposo, la rete di microgeli di carbomero strettamente imballata si comporta come un solido elastico che resiste alla deformazione. La rete non inizia a scorrere fino a quando non viene applicato un livello critico di sollecitazione di taglio, cioè la tensione di snervamento, a quel punto i microgeli possono scorrere l’uno sull’altro, dando luogo al flusso del fluido. Quando fasi eterogenee (ad esempio, gocce di emulsione, pigmenti, perlanti, opacizzanti, bolle d’aria, abrasivi di silice, ecc.) sono disperse in formulazioni addensate di carbomero, la rete di microgel le intrappola e le stabilizza contro la scrematura e/o la sedimentazione mentre il fluido è a riposo, cioè sotto la tensione di snervamento. Tuttavia, all’applicazione di una sollecitazione che supera la tensione di snervamento, il fluido scorre dolcemente per consentire l’erogazione e l’applicazione del prodotto. Per questo motivo, i carbomeri sono utilizzati per formulare innumerevoli prodotti, dalle creme e lozioni ai gel per l’acconciatura dei capelli ai dentifrici, dove la sospensione e la stabilizzazione delle fasi disperse è fondamentale.
Linee guida per la formulazione
L’applicazione efficace dei carbomeri per l’addensamento e la stabilizzazione del valore di snervamento richiede che siano utilizzati correttamente. Poiché i carbomeri sono polielettroliti sensibili al pH con un pKa di circa 6,0 ± 0,5, il rigonfiamento del microgel diminuisce drasticamente al di sotto del pH 5, con conseguente perdita di viscosità e valore di rendimento. Le prestazioni ottimali si ottengono tipicamente nell’intervallo di pH 6-9. Se si aggiungono basi in eccesso o altri elettroliti (ad esempio, cloruro di sodio) ai sistemi ispessiti di carbomero, i microgel collassano a causa degli effetti polielettrolitici (cioè, schermatura delle repulsioni elettrostatiche da parte della forza ionica in eccesso e bilanciamento della pressione osmotica tra l’interno e l’esterno del microgel), portando nuovamente alla perdita di viscosità e valore di rendimento. Inoltre, gli ioni multivalenti (ad esempio, Ca2+, Mg2+, ecc.) e i tensioattivi cationici dovrebbero essere evitati quando si usano i carbomeri per evitare la formazione di complessi insolubili.
Quando si preparano formulazioni addensate con carbomero, bisogna fare attenzione ad assicurare una dispersione uniforme del carbomero per evitare texture granulose e la formazione di “occhi di pesce”, cioè La dispersione dei carbomeri tradizionali di solito richiede che le polveri vengano spruzzate lentamente nel mezzo di dispersione con un’agitazione rapida; per il compounding su scala commerciale, possono essere impiegati anche disperditori di polveri. In alternativa, i carbomeri possono essere dispersi in non solventi, ad esempio la fase oleosa di un’emulsione, e poi aggiunti alla fase acquosa contenente l’agente neutralizzante. La miscelazione a taglio estremamente elevato con omogeneizzatori o mulini colloidali può portare alla degradazione al taglio dei microgeli di carbomero e dovrebbe essere ridotta al minimo o evitata del tutto. I moderni carbomeri “facili da disperdere” hanno ridotto la complessità associata alla dispersione dei carbomeri. Questi carbomeri incorporano un agente stabilizzante sterico, di solito un tensioattivo non ionico etossilato con una configurazione a blocchi o a pettine, nel carbomero durante la polimerizzazione per precipitazione.12 I carbomeri risultanti sono facilmente bagnati quando vengono aggiunti a mezzi acquosi, ma si idratano lentamente, permettendo una dispersione regolare e uniforme del carbomero.
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