De wereldmarkt voor huid- en kleurcosmetica overschreed in 2002 de 53 miljard dollar. Het aantal nieuwe producten dat op de markt wordt gebracht, blijft exponentieel toenemen. Cosmetische scheikundigen zijn voortdurend op zoek naar interessante en exotische ingrediënten die het uiterlijk en de gezondheid van de huid verbeteren. Om deze producten te kunnen leveren, is een breed scala van verbindingen nodig. In de laatste editie van het Cosmetics Toiletries and Fragrance Association (CTFA) woordenboek staan meer dan 10.000 grondstoffen vermeld. Elk jaar worden honderden nieuwe ingrediënten toegevoegd aan de lijst van ingrediënten die al eeuwenlang worden gebruikt. Sommige materialen die vandaag worden gebruikt, zijn terug te voeren tot 11.000 v. Chr. in de dierentekeningen uit de grotten van Altimira.
Geschiedenis
Het verschijnen van huidverzorgingsformules dateert van rond 3000 v.C.E. in het oude Egypte. De meeste brouwsels werden bereid uit natuurlijke materialen. Cleopatra zou baden hebben genomen in ezelinnenmelk om haar huid glad en soepel te houden. Een natuurlijk materiaal dat door de ouden werd gebruikt was rode oker, of ijzeroxide. Klonters rood erts werden gevormd wanneer ijzer oxideerde of roestte. Het rode ijzeroxide werd gevonden in graftombes in ceremoniële lippenstiften en rouge preparaten. Het werd ook gebruikt om de oude grottekeningen van dieren te maken, zoals te zien is in Altimira, en wordt nog steeds gebruikt in veel make-up formuleringen
vandaag de dag. Oogverven zijn ook gevonden op oude graven. Deze verven bestonden hoofdzakelijk uit een op koper gebaseerd groen erts, malachiet genaamd, dat werd gedolven uit nabijgelegen steengroeven. Dierlijk vet werd gecombineerd met geurige stoffen als wierook en mirre om vroege huidzalven te maken. Meer verfijnde crèmes en lotions werden met vallen en opstaan verfijnd en over vele generaties doorgegeven.
Emulsies
De meeste crèmes en lotions zijn emulsies. Een emulsie kan eenvoudig worden gedefinieerd als twee onmengbare vloeistoffen waarin de ene vloeistof als fijne druppeltjes in de andere wordt gedispergeerd. Gehomogeniseerde melk is een voorbeeld van een typische olie-in-water (o/w) emulsie. Melkvet (olie) wordt door het homogenisatieproces als fijne druppeltjes in water gedispergeerd. De reden waarom het vet niet onmiddellijk naar de top drijft, is te wijten aan de aanwezigheid van emulgatoren; in dit geval een melkeiwit dat natriumcaseïnaat wordt genoemd, alsmede verscheidene fopholipiden. In het geval van water-in-olie (w/o) emulsies wordt water gedispergeerd als druppels en gesuspendeerd in de oliefase. De niet-gedispergeerde vloeistof of externe suspenderende fase wordt ook wel de continue fase genoemd. Mayonaise, azijnwater dat als fijne druppeltjes gedispergeerd is in een continue fase van sojaolie, is een voorbeeld van een water-in-olie-emulsie. Lecithine uit eieren stabiliseert de mayonaise-emulsie.
Oppervlakte-actieve stoffen
De meeste emulgatoren kunnen worden beschouwd als oppervlakte-actieve stoffen of oppervlakte-actieve stoffen. Deze stoffen zijn in staat om de oppervlaktespanning van water te verlagen. Wat een emulgator oppervlakte-actief maakt, hangt samen met zijn HLB, of hydrofiel-lipofiel evenwicht. HLB wordt bepaald door de grootte van het hydrofiele (waterminnend of polair) deel van een molecuul in vergelijking met de grootte van het lipofiele (olieminnend of niet polair) deel. Het HLB-systeem werd ontwikkeld om de relatieve polariteit van materialen te rangschikken. De meest polaire, in water oplosbare, materialen staan bovenaan de twintigpuntsschaal, terwijl de meer apolaire, in olie oplosbare, materialen dichter bij nul staan. De HLB van natriumcaseïnaat krijgt een waarde van ongeveer veertien, omdat het goed oplosbaar is in water. Lecithine, dat slecht oplosbaar is in water, heeft een HLB-waarde van ongeveer zes. Beide hebben polaire groepen. De polaire groep in het melkeiwit is natrium. Het oppervlakte-actieve bestanddeel van lecithine is een molecule die fosfotidylcholine of PC wordt genoemd (zie figuur 1). Het polaire, of in water oplosbare deel van PC is de functionele fosfaatgroep. De polaire groepen van de emulgatoren oriënteren zich naar de polaire waterfase. Hun lipofiele, niet polaire groepen oriënteren zich naar de oliefase om micellen te vormen (zie figuur 2). Deze bolvormige structuren zorgen voor stabiliteit van de emulsie door waterstofbruggen en zwakke elektrische krachten.
Emulgatoren voor huidverzorging kunnen in twee groepen worden verdeeld op basis van hun ionische lading (zie figuur 3). Materialen die kunnen dissociëren in geladen soorten worden als ionisch beschouwd, terwijl materialen die dat niet kunnen, niet-ionisch worden genoemd. Ionische emulgatoren kunnen verder worden ingedeeld naar soort lading. Anionische emulgatoren zijn negatief geladen wanneer ze worden opgelost, zoals in natriumstearaat of zeep.
Wanneer vetzuren met alkali reageren, vormen zij zepen. Het proces van zeepvorming wordt verzeping genoemd. De negatief geladen stearinezuurgroep is de belangrijkste emulgerende eenheid van de zeep, waardoor deze de anionische classificatie krijgt. Positief geladen emulgatoren worden kationisch genoemd. De emulgerende eenheid van quarternium24 valt uiteen in de positief geladen ammoniumgroep. Amfotere verbindingen zijn verbindingen die zowel negatieve als positieve ladingen uitdrukken.
Niet-ionische emulgatoren worden vaak gebruikt in huidverzorgingsemulsies vanwege hun veiligheid en lage reactiviteit. Zij worden over het algemeen ingedeeld naar chemische gelijkenis. Glycerine, dat vaak aan cosmetische emulsies wordt toegevoegd vanwege zijn bevochtigende eigenschappen, is de ruggengraat van een klasse emulgatoren die glycerylesters worden genoemd. Glycerylmonostearaat, of GMS, wordt een monoester genoemd vanwege zijn enige esterbinding (zie figuur 4). De diëster wordt bereid door voor elke molecule glycerine twee moleculen stearinezuur te estereren. Glycerylmono- en -diesters zijn zeer doeltreffende emulgatoren omdat zij zowel polaire hydroxylgroepen (OH) als apolaire vetzuren bevatten. Als alle drie de hydroxylgroepen van glycerine reageren, zal de resulterende triester weinig emulgerend vermogen hebben.
Stearinezuur wordt C18 vetzuur genoemd. De vetzuren, aanwezig in vetten en oliën, worden geclassificeerd volgens hun koolstofketenlengte. Omdat stearinezuur een belangrijk bestanddeel is van veel van de vetten en oliën die in schoonheidsbehandelingen worden gebruikt, zijn emulgatoren op basis van stearaat bijzonder nuttig. Vetzuren zijn belangrijke componenten van veel cosmetische emulgatoren vanwege hun mengbaarheid in een verscheidenheid van natuurlijke en synthetische oliën.
Esters polyethyleenglycol of ethyleenglycol worden PEG-esters genoemd. De oplosbaarheid van een PEG-ester wordt bepaald door het aantal PEG-moleculen dat per molecuul zuur reageert. PEG 6 oleaat bijvoorbeeld heeft zes moleculen PEG die gereageerd hebben met één molecuul oliezuur. Naarmate het aantal polaire PEG-moleculen per zuurmolecuul toeneemt, neemt de oplosbaarheid in water/HLB toe; PEG 8 oleaat is beter oplosbaar dan PEG 6 oleaat. De cosmetica-chemicus zal vaak mengsels van glycerylesters en een PEG-ester met hoge en lage HLB-waarden gebruiken om de vereiste polariteit te bepalen om verschillende vetten en oliën te emulgeren. De vele soorten emulgatoren zijn te talrijk om hier op te sommen, maar McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents is een uitstekende bron voor een meer volledige lijst.
Verzachtende middelen
De meeste verzachtende middelen die in persoonlijke verzorging en schoonheidsprodukten worden gebruikt, zijn vetten en oliën, ook lipiden genoemd. Dierlijk vet of talg is hoofdzakelijk samengesteld uit stearinezuur en palmitinezuur met koolstofketens van respectievelijk 18 en 16 lengte. Veel van de grote cosmeticabedrijven stappen over van dierlijke materialen zoals talg op hernieuwbare plantaardige materialen. Kokosolie en palmpitolie worden vaak gebruikt. Enkele van de belangrijkste kenmerken van goede emolliënten zijn een goed spreidend vermogen, geringe toxiciteit/huidirritatie en goede oxidatiestabiliteit. Oliezuur, een belangrijk bestanddeel van olijfolie, heeft een slechte oxidatieve stabiliteit als gevolg van de aanwezigheid van zijn dubbele binding. Vetten en oliën worden als verzadigd beschouwd als ze geen dubbele binding hebben. Onverzadigde oliën zoals olijfolie hebben dubbele bindingen die met zuurstof kunnen reageren, vooral bij verhitting. Dit oxidatieproces kan leiden tot vieze kleuren en geuren in lipiden, waardoor ze ranzig en onbruikbaar worden.
Verzachtende middelen op basis van aardolie, zoals vaseline en minerale olie, worden in veel formuleringen aangetroffen omdat zij geen dubbele bindingen of reactieve functionele groepen bevatten. Siliconeoliën zoals cyclomethicone, dimethicone worden vaak toegevoegd om het glijden en de verzachting te verhogen (zie figuur 5).
Oliën met een hoog gehalte aan essentiële vetzuren, EFA’s, worden gewaardeerd vanwege hun vermogen om lipiden (oliën) aan te vullen die van nature in de huidlagen voorkomen. Linolzuur is een voorbeeld van een EFA. Alcoholen met lange ketens, ook wel vetalcoholen genoemd, zijn nuttig als verzachters en emulsiestabilisatoren. Hun polaire hydroxylgroepen oriënteren zich naar de waterfase, terwijl hun vetketens zich naar de oliefase oriënteren. Esters van vetalcoholen en vetzuren zijn uitstekende emolliënten vanwege hun lage reactiviteit en goede stabiliteit.
Lanoline, afgeleid van schapenwol, wordt vaak wolvet genoemd. Lanoline wordt al eeuwenlang gebruikt vanwege zijn unieke samenstelling van complexe sterolen, vetalcoholen en vetzuren. Cholesterol, een cyclisch molecuul met de naam
een sterol, is een belangrijk bestanddeel. De polaire hydroxylgroepen van sterolen en alcoholen stellen het vet in staat water te absorberen en vast te houden. De huid bestaat hoofdzakelijk uit water, talloze oliën en verzachtende middelen worden gebruikt om haar te voeden en te beschermen.
Vochtinbrengers
Het belangrijkste onderscheid tussen vochtinbrengers en emolliënten is hun oplosbaarheid in water. Een gezonde huid heeft vocht nodig. Moisturizers zijn over het algemeen polaire materialen die hygroscopisch van aard zijn; ze houden water vast. Een belangrijk instrument om de doeltreffendheid van vochtinbrengers te beoordelen is de high scope. Deze meet het transepidermaal waterverlies of TEWL. Nadat een vochtinbrengend middel op de huid is aangebracht, wordt het vochtgehalte geregistreerd. Na enkele minuten zal het vochtgehalte dalen als gevolg van de natuurlijke neiging van de huid om na verloop van tijd vocht af te geven. Ingrediënten die gedurende enkele uren een hoog vochtgehalte in de bovenste huidlagen kunnen handhaven, kunnen de snelheid waarmee vocht verloren gaat, verlagen. Glycerine is een zeer kosteneffectief ingrediënt dat wordt gebruikt om TEWL te helpen verminderen. Sorbitol, sacharose, glucose en andere suikers worden ook vaak gebruikt om de huid te hydrateren. Aloë, dat een mengsel van polysacchariden, koolhydraten en mineralen bevat, is een uitstekende vochtinbrenger. Aangezien de huid in de wintermaanden droger wordt, kan het nodig zijn om materialen te gebruiken die het vocht in de huid beter afsluiten.
Wassen
Wassen bestaan hoofdzakelijk uit esters met lange ketens die bij kamertemperatuur vast zijn. Iedereen die ooit een vinger in gesmolten was heeft gedoopt, heeft de afdichtende eigenschappen ervaren. Enkele veelgebruikte wassen in cosmetica zijn bijenwas, candelilla, carnauba, polyethyleen, en paraffine. De smeltpunten van wassen lopen sterk uiteen, afhankelijk van hun unieke samenstelling en ketenlengte. Vaak gebruikt in lippenbalsems en -sticks, fungeren wassen als structurerende stoffen, die de stick voldoende stijfheid geven om op zichzelf te blijven staan, en als barrière-eigenschappen. Door wassen met verschillende eigenschappen, zoals glans, flexibiliteit en broosheid, te combineren, kunnen optimale cosmetische prestaties worden bereikt. Vaak worden wassen gecombineerd met compatibele oliën om de gewenste zachtheid te bereiken. De compatibiliteit wordt over het algemeen bepaald door de troebelheid en de mate van scheiding van twee materialen boven hun smeltpunt te meten. Wassen zijn bijzonder nuttig in handcrèmes en mascara-emulsies vanwege hun verdikkende en waterafstotende eigenschappen.
Verdikkingsmiddelen
Door voldoende was in een dunne lotion op te nemen, kan een dikke crème worden gevormd. Veel verdikkingsmiddelen zijn polymeren. Cellulose, een fijn poeder polymeer van herhalende
D-glucose-eenheden, zwelt op in heet water waardoor een gelnetwerk ontstaat. Carbopol, een polyacrylzuur, zwelt op wanneer het wordt geneutraliseerd (zie figuur 6). Bentoneklei zwelt op wanneer hun structuur, die lijkt op een stapel kaarten, door mechanische afschuiving wordt geopend. Carrageen, pectine en johannesbroodpitmeel zijn allemaal voorbeelden van cosmetische verdikkingsmiddelen die ook worden gebruikt in sommige van onze favoriete voedingsmiddelen, zoals geleien, saladedressings en taartvullingen.
Actieve ingrediënten
Materialen die fysiologisch in de huid werken of helpen de huid te beschermen tegen belediging worden ook actieve ingrediënten genoemd. De term “cosmeceuticals”, bedacht door de beroemde dermatoloog Dr. Albert Kligman, verwijst naar een produkt dat het midden houdt tussen een cosmetisch produkt en een geneesmiddel. Hoewel een cosmeticum, volgens de wettelijke definitie, alleen kan dienen om het huidoppervlak te verfraaien en te beschermen, kan van veel cosmetische producten worden aangetoond dat zij de huidlagen binnendringen om een fysiologische verandering teweeg te brengen.
Fruitzuren zijn een voorbeeld van een actieve stof. Zij worden ook alfahydroxyzuren of AHA’s genoemd en hebben het vermogen de huid binnen te dringen, waar zij de productie van collageen, elastine en intracellulaire stoffen kunnen verhogen en zo het uiterlijk van de huid kunnen verbeteren. Duizenden cosmetische werkstoffen worden gebruikt om de huid op verschillende manieren te beïnvloeden. Ze worden gebruikt om de huid lichter, strakker en steviger te maken. Zij kunnen worden gebruikt om transpiratie te onderdrukken, zoals in het geval van aluminiumchloorhydraat. Salicylzuur en benzoylperoxide zijn belangrijke ingrediënten vanwege hun anti-acne werking (zie figuur 7). Sommige actieve stoffen worden aan huidbehandelingen toegevoegd om de huid tegen de omgeving te beschermen. Dimethicone en petrolatum zijn voorbeelden van huidbeschermende stoffen.
Zonnefilters
Zonnefilters zijn een klasse van verbindingen die de huid beschermen tegen ultraviolette straling. Golflengten tussen 290nm en 400nm zijn bijzonder schadelijk voor de huid. Het vermogen van zonnefilters om deze schadelijke golflengten te absorberen of te reflecteren wordt gewaardeerd met hun SPF of zonbeschermingsfactor. Iemand die beschermd is met een zonnebrandmiddel met factor 15 kan bijvoorbeeld vijftien keer langer in de zon blijven dan iemand die niet beschermd is. Octylmethoxycinnamaat, octylsalycilaat, titaniumdioxide en avobenzone zijn enkele belangrijke topische zonnefilters. Zij kunnen worden ingedeeld in UVA- of UVB-zonnefilters, afhankelijk van de golflengten die zij absorberen. Benzofenon 4, een in water oplosbare UV-filter, wordt vaak gebruikt om de kleur van cosmetische producten te beschermen.
Kleur
Pigmenten en kleurstoffen worden in producten gebruikt om ze een kleur te geven. Titaandioxide (TiO 2 ) is een wit pigment dat wordt gedolven. In combinatie met natuurlijk gedolven en synthetische ijzeroxiden, die in kleur variëren van rood, geel, zwart en bruin, afhankelijk van de mate van oxidatie en hydratatie, kan een kleurengamma worden geproduceerd dat geschikt is voor bijna elke huidskleur. Gezichtspoeders worden vervaardigd door anorganische oxiden en vulstoffen te mengen. Vulstoffen zijn inerte, meestal goedkope materialen zoals kaolien, talk, kiezelzuur en mica, die worden gebruikt om kleuren uit te breiden en volledig te ontwikkelen. Geperste poeders zoals oogschaduw en blushers worden bereid door extra bindende ingrediënten zoals oliën en zinkstearaat te mengen en het mengsel in pannetjes te persen.
Oogschaduw en lippenstift bevatten vaak parelmoerpigmenten, die parels worden genoemd. Parels fonkelen en weerkaatsen het licht om een veelheid van kleuren te produceren. Ze worden bereid door het neerslaan van een dun laagje kleur op dunne plaatjes mica. Door de dikte van de neergeslagen kleur te variëren, verandert de hoek van het licht dat door de composiet wordt gebroken, waardoor verschillende kleuren ontstaan.
Organische pigmenten worden gebruikt om lippenstift en oogschaduw te kleuren. Wanneer organische pigmenten op een substraat worden neergeslagen, worden zij meerpigmenten genoemd. De term meer verwijst naar het uitvlokken of neerslaan van het organische zout op een metalen substraat zoals aluminium, calcium of barium. Ze worden D&C (geneesmiddel en cosmetica) en FD&C (voedingsmiddel, geneesmiddel en cosmetica) kleuren genoemd. Enkele voorbeelden zijn D&C Rood#7 calciummeer en FD&C Geel #5 aluminiummeer. Kleurstoffen zoals FD&C Blue#1 en D&C Yellow #10 zijn goed oplosbaar in tegenstelling tot pigmenten, die onoplosbaar zijn. De kleurstoffen zijn nuttig in het verstrekken van tinten voor lotions, oliën, en shampoos.
Conserveermiddelen
Aan de meeste cosmetische producten moet een conserveermiddel worden toegevoegd om microbiële besmetting en ranzigheid te voorkomen. Parabenen en ester van parabenzuur worden verreweg het meest gebruikt vanwege hun effectiviteit tegen grampositieve bacteriën. Fenoxyethanol wordt gebruikt ter bescherming tegen gramnegatieve stammen. De cosmetica-chemicus zal over het algemeen een mengsel van conserveermiddelen gebruiken om bescherming te bieden tegen verschillende bacteriestammen, alsmede tegen gisten en schimmels. Antioxidanten zoals tocoferol (vitamine E) en BHT worden ook toegevoegd om oxidatie van gevoelige ingrediënten te voorkomen en de huid te beschermen tegen schade door vrije radicalen.
Conclusie
Zolang de samenleving grote nadruk blijft leggen op er jong en mooi uitzien, zal de cosmetische chemie blijven bloeien. Een goed begrip van de grondbeginselen van emulsiechemie en huidfysiologie is een eerste vereiste bij het formuleren van producten voor persoonlijke verzorging. Een goede cosmetisch scheikundige moet in staat zijn wetenschap en kunst te combineren om producten te creëren met het gevoel en het uiterlijk dat de consument wenst.