Piața mondială a produselor cosmetice pentru îngrijirea pielii și a culorilor a depășit 53 de miliarde de dolari în 2002. Numărul de produse noi aduse pe piață continuă să se extindă exponențial. Chimiștii cosmeticieni sunt mereu în căutare de ingrediente interesante și exotice care să îmbunătățească aspectul și sănătatea pielii. Pentru a furniza aceste produse este necesară o gamă largă de compuși. Cea mai recentă ediție a Dicționarului Asociației Cosmetics Toiletries and Fragrance Association (CTFA) enumeră peste 10.000 de materii prime. În fiecare an, sute de ingrediente noi sunt adăugate la lista celor care sunt folosite de secole. Unele materiale folosite astăzi pot fi urmărite până la 11.000 î.Hr. în desenele cu animale din peșterile de la Altimira.
Istoric
Apariția formulelor de îngrijire a pielii datează din jurul anului 3000 î.Hr. în Egiptul antic. Majoritatea amestecurilor erau preparate din materiale naturale. Se spune că Cleopatra făcea baie în lapte de măgăriță pentru a-și menține pielea netedă și suplă. Un material natural folosit de antici era ocrul roșu, sau oxidul de fier. Bucăți de minereu roșu se formau atunci când fierul se oxida sau ruginea. Oxidul de fier roșu a fost găsit în mormintele de înmormântare în preparate ceremoniale de colorare a buzelor și farduri. A fost, de asemenea, folosit pentru a desena imaginile de animale din peșterile antice, așa cum se vede în Altimira, și este încă folosit în multe formule de machiaj
astăzi. Vopsele pentru ochi au fost găsite, de asemenea, în morminte antice. Aceste vopsele erau alcătuite în principal dintr-un minereu verde pe bază de cupru numit malachit, care era extras din carierele din apropiere. Grăsimea animală era combinată cu substanțe parfumate precum tămâia și smirna pentru a produce primele unguente pentru piele. Cremele și loțiunile mai sofisticate au fost puse la punct prin încercări și erori și transmise de-a lungul mai multor generații.
Emulsiile
Majoritatea cremelor și loțiunilor sunt emulsii. O emulsie poate fi definită simplu ca fiind două fluide imiscibile în care un lichid este dispersat sub formă de picături fine în celălalt. Laptele omogenizat este un exemplu de emulsie tipică de tip ulei în apă (o/w). Grăsimea din lapte (uleiul) este dispersată în apă sub formă de picături fine prin procesul de omogenizare. Motivul pentru care grăsimea nu plutește imediat la suprafață se datorează prezenței emulsificatorilor; în acest caz, o proteină din lapte numită cazeinat de sodiu, precum și mai multe fofolipide. În cazul emulsiilor apă în ulei (w/o), apa este dispersată sub formă de picături și suspendată în faza de ulei. Lichidul nedispersat sau faza de suspensie externă se mai numește și fază continuă. Maioneza, oțet de apă dispersat sub formă de picături fine într-o fază continuă de ulei de soia, este un exemplu de emulsie apă în ulei. Lecitina din ouă stabilizează emulsia de maioneză.
Agenții tensioactivi
Majoritatea emulsificatorilor pot fi considerați agenți tensioactivi sau agenți tensioactivi. Aceste materiale sunt capabile să reducă tensiunea superficială a apei. Ceea ce face ca un emulgator să fie tensioactiv este legat de HLB-ul său, sau de echilibrul hidrofil-lipofil. HLB este determinat de mărimea porțiunii hidrofile (iubitoare de apă sau polară) a unei molecule în comparație cu mărimea porțiunii lipofile (iubitoare de ulei sau nepolară). Sistemul HLB a fost creat pentru a clasifica polaritatea relativă a materialelor. Materialele cele mai polare, solubile în apă, se află în partea de sus a scalei de douăzeci de puncte, cele mai nepolare, solubile în ulei, fiind mai aproape de zero. Caseinatului de sodiu i se atribuie o valoare HLB de aproximativ 14 datorită solubilității sale ridicate în apă. Lecitina, fiind puțin solubilă în apă, are o valoare HLB de aproximativ șase. Ambele au grupe polare. Grupul polar din proteina din lapte este sodiul. Componenta tensioactivă a lecitinei este o moleculă numită fosfotidilcolină sau PC (a se vedea figura 1). Partea polară, sau solubilă în apă, a PC-ului este grupul funcțional fosfat. Grupurile polare ale emulsificatorilor se orientează spre faza polară a apei. Grupurile lor lipofile, nepolare, se orientează spre faza de ulei pentru a forma miceliile (a se vedea figura 2). Aceste structuri sferice asigură stabilitatea emulsiei prin legături de hidrogen și forțe electrice slabe.
Emulgatorii pentru îngrijirea pielii pot fi împărțiți în două grupe pe baza încărcăturii ionice (a se vedea figura 3). Materialele care se pot disocia în specii încărcate sunt considerate ionice, în timp ce cele care nu o fac sunt numite nonionice. Emulgatorii ionici pot fi clasificați în continuare în funcție de tipul de sarcină. Anionicii sunt încărcați negativ atunci când sunt solvatați, ca în cazul stearatului de sodiu sau al săpunului.
Când acizii grași reacționează cu alcalii, ei formează săpunuri. Procesul de formare a săpunului se numește saponificare. Grupa acidului stearic încărcată negativ este principala unitate emulsionantă a săpunului, ceea ce îi conferă clasificarea anionică. Emulsificatorii încărcați pozitiv se numesc cationici. Unitatea emulgatoare a quarternium24 se disociază în grupa de amoniu încărcată pozitiv. Amfotericii sunt compuși care exprimă atât sarcini negative, cât și pozitive.
Emulgatorii neionici sunt adesea folosiți în emulsiile de îngrijire a pielii pentru siguranța și reactivitatea lor scăzută. Ei sunt în general clasificați în funcție de similitudinea chimică. Glicerina, adăugată în mod obișnuit în emulsiile cosmetice pentru proprietățile sale umectante, este coloana vertebrală a unei clase de emulgatori numiți Esteri glicerilici . Monoesteratul de gliceril, sau GMS, este numit monoester datorită legăturii sale unice de ester (a se vedea figura 4). Diesterul este preparat prin esterificarea a două molecule de acid stearic pentru fiecare moleculă de glicerină. Mono- și diesterii glicerilici sunt emulgatori foarte eficienți deoarece conțin atât grupe hidroxil (OH) polare, cât și acizi grași nepolari. Dacă toate cele trei grupe hidroxil ale glicerinei sunt reacționate, triesterul rezultat va avea o capacitate emulgatoare redusă.
Acidul stearic este numit acid gras C18. Acizii grași, prezenți în grăsimi și uleiuri, sunt clasificați în funcție de lungimea lanțului de carbon. Deoarece acidul stearic este o componentă majoră a multora dintre grăsimile și uleiurile utilizate în tratamentele de înfrumusețare, emulgatorii pe bază de stearat sunt deosebit de utili. Acizii grași sunt componente cheie ale multor emulgatori cosmetici datorită miscibilității lor într-o varietate de uleiuri naturale și sintetice.
Esterii de polietilenglicol sau etilenglicol se numesc esteri PEG. Solubilitatea unui ester PEG este determinată de numărul de molecule de PEG care au reacționat la fiecare moleculă de acid. PEG 6 oleat, de exemplu, are șase molecule de PEG reacționate cu o moleculă de acid oleic. Pe măsură ce crește numărul de molecule polare de PEG per moleculă de acid, crește solubilitatea în apă/HLB; PEG 8 oleat este mai solubil decât PEG 6 oleat. Chimistul cosmetic va folosi adesea amestecuri de esteri glicerilici și un ester PEG cu valori HLB ridicate și scăzute pentru a determina polaritatea necesară pentru a emulsiona diferite grăsimi și uleiuri. Numeroasele tipuri de emulgatori sunt prea numeroase pentru a fi enumerate aici, însă McCutcheon’s Emulsifiers and Detergents este o sursă excelentă pentru o listă mai completă.
Emolienți
Majoritatea emolienților utilizați în produsele de îngrijire personală și de înfrumusețare sunt grăsimi și uleiuri, numite și lipide. Grăsimea animală sau seva este compusă în principal din acizi stearic și palmitic, cu lungimi ale lanțurilor de carbon de 18 și respectiv 16. Multe dintre marile companii producătoare de cosmetice renunță la materialele de origine animală, cum ar fi seuul, în favoarea materialelor regenerabile de origine vegetală. Uleiul de nucă de cocos și uleiul din sâmburi de palmier sunt adesea folosite. Unele dintre caracteristicile cheie necesare la emolienții buni sunt proprietățile bune de întindere, toxicitatea scăzută/iritarea pielii și o bună stabilitate oxidativă. Acidul oleic, un constituent majoritar al uleiului de măsline, are o stabilitate oxidativă slabă din cauza prezenței dublei sale legături. Grăsimile și uleiurile sunt considerate saturate dacă nu au legături duble. Uleiurile nesaturate, precum uleiul de măsline, au legături duble care pot reacționa cu oxigenul, în special atunci când sunt încălzite. Procesul de oxidare poate produce culori și mirosuri nepotrivite în lipide, ceea ce face ca acestea să devină râncede și inutilizabile.
Emolienții pe bază de petrol, cum ar fi vaselina și uleiul mineral, se găsesc în multe formulări deoarece nu conțin legături duble sau grupe funcționale reactive. Uleiurile siliconice, cum ar fi ciclometicona, dimeticona, sunt adesea adăugate pentru a crește alunecarea și emolierea (a se vedea figura 5).
Uleiurile care conțin niveluri ridicate de acizi grași esențiali, AGE, sunt apreciate pentru capacitatea lor de a reface lipidele (uleiuri) care se găsesc în mod natural în straturile pielii. Acidul linoleic este un exemplu de AGE. Alcoolii cu lanț lung, numiți și alcooli grași, sunt utili ca emolienți și stabilizatori de emulsii. Grupurile lor hidroxilice polare se orientează spre faza de apă, iar lanțurile lor grase sunt orientate spre faza de ulei. Esterii de alcooli grași și acizi grași sunt emolienți excelenți datorită reactivității lor scăzute și a stabilității bune.
Lanolina, derivată din lâna de oaie, este adesea numită unsoare de lână. Lanolina a fost folosită de secole datorită compoziției sale unice de steroli complecși, alcooli grași și acizi grași. Colesterolul, o moleculă ciclică numită
un sterol, este o componentă majoră. Grupele hidroxil polare ale sterolilor și alcoolilor permit ungerii să absoarbă și să rețină apa. Pielea este compusă în principal din apă, nenumărate uleiuri și emoliente sunt folosite pentru a o hrăni și proteja.
Hidratante
Principala distincție între cremele hidratante și emoliente este solubilitatea lor în apă. O piele sănătoasă are nevoie de hidratare. Cremele hidratante sunt, în general, materiale polare care sunt de natură higroscopică; ele rețin apa. Un instrument important pentru a evalua eficiența cremelor hidratante este domeniul de aplicare ridicat. Acesta măsoară pierderea transepidermică de apă sau TEWL. După ce se aplică o cremă hidratantă pe piele, se înregistrează nivelul de umiditate. După câteva minute, nivelul de umiditate se va reduce din cauza tendinței naturale a pielii de a elibera umiditate în timp. Ingredientele care pot menține un nivel ridicat de hidratare în straturile superioare ale pielii timp de mai multe ore pot reduce rata la care se pierde apa. Glicerina este un ingredient foarte eficient din punct de vedere al costurilor, utilizat pentru a ajuta la reducerea TEWL. Sorbitolul, zaharoza, glucoza și alte zaharuri sunt, de asemenea, utilizate în mod obișnuit pentru a hidrata pielea. Aloe, care conține un amestec de polizaharide, carbohidrați și minerale, este un hidratant excelent. Pe măsură ce pielea devine mai uscată în lunile de iarnă, poate fi necesar să se încorporeze materiale care sigilează mai bine umiditatea din piele.
Ceară
Ceara este compusă în principal din esteri cu lanț lung care sunt solizi la temperatura camerei. Oricine a înmuiat vreodată un deget în ceară topită a experimentat proprietățile sale de etanșare. Unele dintre cerurile utilizate în mod obișnuit în produsele cosmetice sunt ceara de albine, candelilla, carnauba, polietilena și parafina. Punctele de topire ale cerii variază foarte mult în funcție de compoziția lor unică și de lungimea lanțului. Utilizate în mod obișnuit în balsamurile de buze și în bețișoarele de buze, cerurile funcționează ca agenți structuranți, conferind stick-ului suficientă rigiditate pentru a rezista de unul singur, precum și proprietăți de barieră. Prin combinarea cerii cu proprietăți diferite, cum ar fi strălucirea ridicată, flexibilitatea și fragilitatea, se poate obține o performanță cosmetică optimă. Adesea, cerurile sunt combinate cu uleiuri compatibile pentru a obține moliciunea dorită. Compatibilitatea se determină, în general, prin măsurarea turbidității și a gradului de separare a două materiale amestecate împreună peste punctele lor de topire. Cerurile sunt deosebit de utile în cremele de mâini și în emulsiile de rimel pentru proprietățile lor de îngroșare și impermeabilizare.
Epuizanți
Prin încorporarea unei cantități suficiente de ceară într-o loțiune subțire, se poate forma o cremă groasă. Mulți agenți de îngroșare sunt polimeri. Celuloza, un polimer sub formă de pulbere fină cu
unități D-glucoză, se umflă în apă caldă creând o rețea de gel. Carbopol, un acid poliacrilic, se umflă atunci când este neutralizat (a se vedea figura 6). Argilele bentonice se umflă atunci când structura lor, care seamănă cu un teanc de cărți, este deschisă prin forfecare mecanică. Carrageenanul, pectina și guma de semințe de roșcove sunt exemple de agenți de îngroșare cosmetică care sunt, de asemenea, utilizați în unele dintre alimentele noastre preferate, cum ar fi jeleurile, sosurile pentru salate și umpluturile pentru plăcinte.
Ingrediente active
Materialele care acționează fiziologic în interiorul pielii sau care ajută la protejarea pielii împotriva insultelor sunt, de asemenea, numite ingrediente active. Termenul „cosmeceuticals”, inventat de celebrul dermatolog Dr. Albert Kligman, se referă la un produs care se află între un produs cosmetic și un medicament. Deși un produs cosmetic, prin definiție legală, poate servi doar la înfrumusețarea și protejarea suprafeței pielii, se poate demonstra că multe produse cosmetice pătrund în straturile dermice ale pielii pentru a determina o schimbare fiziologică.
Acizii din fructe sunt un exemplu de materie activă. Numiți și alfa-hidroxiacizi sau AHA, aceștia au capacitatea de a pătrunde în piele, unde pot crește producția de colagen, elastină și substanțe intracelulare, îmbunătățind astfel aspectul pielii. Mii de substanțe active cosmetice sunt folosite pentru a afecta pielea într-o varietate de moduri. Acestea sunt folosite pentru a ilumina, strânge și întări pielea. Ei pot fi utilizați pentru a suprima transpirația, ca în cazul clorhidratului de aluminiu. Acidul salicilic și peroxidul de benzoil sunt ingrediente importante datorită activității lor antiacneice (a se vedea figura 7). Unele materii active sunt adăugate la tratamentele pentru piele pentru a proteja pielea de mediul înconjurător. Dimeticona și petrolatumul sunt exemple de agenți de protecție a pielii.
Creme de protecție solară
Cremele de protecție solară sunt o clasă de compuși care protejează pielea de radiațiile ultraviolete. Lungimile de undă cuprinse între 290 nm și 400 nm sunt deosebit de dăunătoare pentru piele. Capacitatea cremelor de protecție solară de a absorbi sau de a reflecta aceste lungimi de undă dăunătoare este evaluată prin factorul lor de protecție solară sau SPF. De exemplu, o persoană protejată cu o cremă de protecție solară cu factor 15 va putea sta la soare de cincisprezece ori mai mult decât dacă nu ar fi protejată. Metoxicinamatul de octil, salicilatul de octil, dioxidul de titan și avobenzona sunt câteva dintre produsele de protecție solară topice importante. Acestea pot fi clasificate ca produse de protecție solară UVA sau UVB, în funcție de lungimile de undă pe care le absorb. Benzofenona 4, un filtru UV solubil în apă, este utilizat în mod obișnuit pentru a proteja culoarea produselor cosmetice.
Culoare
Pigmenții și coloranții sunt utilizați în produse pentru a conferi o culoare. Dioxidul de titan (TiO 2 ) este un pigment alb care este extras din mine. În combinație cu oxizi de fier naturali și sintetici, a căror culoare variază de la roșu, galben, negru și maro, în funcție de gradul de oxidare și hidratare, se poate obține o gamă de culori care se potrivește aproape tuturor tonurilor de piele. Pudrele de față sunt produse prin amestecarea oxizilor anorganici și a substanțelor de umplutură. Materiile de umplutură sunt materiale inerte, în general ieftine, cum ar fi caolinul, talcul, siliciul și mica, care sunt folosite pentru a extinde și dezvolta complet culorile. Pudrele presate, cum ar fi fardurile de ochi și fardurile de obraz, se prepară prin amestecarea unor ingrediente obligatorii suplimentare, cum ar fi uleiurile și stearatul de zinc, și prin presarea amestecului în tăvițe.
Umbrele de ochi și rujurile conțin adesea pigmenți perlați numiți în mod obișnuit perle. Perlele strălucesc și reflectă lumina pentru a produce o multitudine de culori. Ele sunt preparate prin precipitarea unui strat subțire de culoare pe plachete subțiri de mica. Variația grosimii culorii depuse modifică unghiul de refracție a luminii prin compozit, creând culori diferite.
Pigmenții organici sunt folosiți pentru a colora rujurile și fardurile de ochi. Atunci când substanțele organice sunt precipitate pe un substrat, ele se numesc pigmenți lacustri. Termenul de lac se referă la lacarea sau precipitarea sării organice pe un substrat metalic, cum ar fi aluminiul, calciul sau bariul. Aceștia se numesc culori D&C (medicamente și cosmetice) și FD&C (alimente, medicamente și cosmetice). Câteva exemple sunt D&C Red#7 lac de calciu și FD&C Yellow #5 lac de aluminiu. Coloranții, cum ar fi FD&C Blue#1 și D&C Yellow #10, sunt ușor de solubilizat, spre deosebire de pigmenți, care sunt insolubili. Coloranții sunt utili pentru a oferi nuanțe pentru loțiuni, uleiuri și șampoane.
Conservanți
Majoritatea produselor cosmetice necesită adăugarea de conservanți pentru a preveni contaminarea microbiană și râncezirea. Parabenii și esterii acidului parabenzoic sunt de departe cei mai frecvent utilizați datorită eficienței lor împotriva bacteriilor gram-pozitive. Fenoxietanolul este utilizat pentru a proteja împotriva tulpinilor gramnegative. Chimistul cosmetic va folosi în general un amestec de conservanți pentru a proteja împotriva diferitelor tulpini bacteriene, precum și împotriva drojdiilor și mucegaiurilor. Antioxidanți precum tocoferolul (vitamina E) și BHT sunt, de asemenea, adăugați pentru a preveni oxidarea ingredientelor sensibile, precum și pentru a proteja pielea de deteriorarea radicalilor liberi.
Concluzie
Atâta timp cât societatea continuă să pună mare accent pe aspectul tânăr și frumos, chimia cosmetică va continua să înflorească. O bună înțelegere a principiilor de bază ale chimiei emulsiilor și a fiziologiei pielii sunt condiții prealabile, atunci când se formulează produse de îngrijire personală. Un chimist cosmetic bun trebuie să fie capabil să combine știința și arta pentru a crea produse cu senzația și aspectul pe care le doresc consumatorii.