Carbomerii, o familie de polimeri de acid acrilic reticulat, sunt ingrediente esențiale în numeroase produse, inclusiv: produse farmaceutice; produse cosmetice și de îngrijire personală; produse de uz casnic, industrial și instituțional; cerneluri de imprimare; adezivi și acoperiri. Timp de peste 50 de ani, formulatorii din mai multe industrii s-au bazat pe diverși carbomeri pentru a crește vâscozitatea, a forma geluri, a stabiliza emulsii și a suspenda particule. Atunci când sunt folosiți corect, carbomerii ajută la crearea esteticii dorite de consumatori în produse, permițând în același timp stabilitatea pe termen lung la raft. Datorită utilității, fiabilității și capacității lor ocazionale de a salva lansări de produse sortite eșecului prin stabilizarea formulelor prost concepute împotriva separării, carbomerii au fost descriși de către dezvoltatorii de produse experimentați ca fiind „cel mai bun prieten al unui formulator”. Această rubrică va explora chimia și proprietățile carbomerilor care le-au adus această binemeritată reputație.
Chimie și fabricație
Nomenclatură: Există numeroase varietăți de homo- și copolimeri de acid acrilic reticulat, dar termenul de carbomer este în mod obișnuit rezervat pentru a descrie polimerii cu greutate moleculară mare ai acidului acrilic care sunt ușor reticulați cu eteri alilici ai polialcoolilor (a se vedea figura 1).1, 2 Exemple de astfel de eteri alilici polifuncționali includ tetraalil pentaeritritolul (TAPE) și hexaalil zaharoza, așa cum se arată în figura 2. National Formulary (NF) enumeră carbomerii tradiționali în mod individual în funcție de chimia și proprietățile lor specifice, de exemplu, vâscozitatea soluției, folosind numere asociate cu denumirile comerciale ale primilor carbomeri, de exemplu, carbomer 934 (a se vedea tabelul 1). Pentru carbomerii moderni sintetizați prin procese fără benzen, NF a adoptat termenii homopolimer de carbomer, copolimer de carbomer și interpolimer de carbomer pentru a descrie diferitele specii de carbomeri utilizați ca excipienți în produsele farmaceutice și în formulările de medicamente OTC. Acești termeni sunt rezumați în tabelul 1. În monografiile Farmacopeei Europene și ale Excipienților Farmaceutici Japonezi, denumirile compendiu de carbomeri (UE) și de polimeri de carboxivinil (JP) se referă în mod colectiv la diferitele tipuri de carbomeri și copolimeri de carbomeri. În schimb, dicționarul INCI rezervă termenul de carbomer pentru homopolimerii reticulați ai acidului acrilic și numește copolimerii reticulați ai acidului acrilic cu alți comonomeri drept polimeri încrucișați de acrilat, de exemplu, acrilați/C10-C30 acrilat de alchil acrilat încrucișat.
Monomeri: Componentul principal al carbomerului este acidul acrilic, un produs petrochimic de bază derivat din materia primă de gaz propilenă. Sinteza comercială a acidului acrilic implică, de obicei, o oxidare catalitică în două etape, în care propilena este reacționată cu aer pentru a produce acroleină ca intermediar, care este apoi oxidată în continuare pentru a obține acid acrilic.3-4 Eterii polialilici utilizați ca monomeri de reticulare în sinteza carbomerului se prepară prin reacția catalizată de baze a unui compus funcțional polihidroxilat, de ex, zaharoză sau pentaeritritol, cu un exces de clorură de alil pentru a obține eteri polialilici cu diferite grade de substituție.5 În cazul alilării zaharozei, o medie de cinci până la șase din cele opt grupe hidroxil de pe molecula de zaharoză sunt, de obicei, convertite în eteri alilici, așa cum se arată în figura 2b.
Polimerizarea prin precipitare: Carbomerii sunt sintetizați prin polimerizare prin precipitare cu radicali liberi realizată în solvenți organici.5-8 Solvenții pentru acest proces sunt selectați astfel încât monomerii, inițiatorii și alți aditivi să fie solubili în mediul de reacție, dar produsul polimeric rezultat să nu fie. Din punct de vedere istoric, benzenul a fost solventul de proces preferat pentru sinteza comercială a carbomerilor; cu toate acestea, din cauza problemelor de sănătate și de siguranță asociate cu benzenul, astăzi se folosesc sisteme de solvenți alternativi, cum ar fi n-hexanul sau amestecuri de acetat de etil și ciclohexan, în locul benzenului8, 9 Reacțiile sunt de obicei inițiate termic folosind peroxizi organici ca inițiatori, deși se pot folosi și inițiatori azoici solubili în ulei.
O sinteză tipică de carbomer este prezentată în figura 3.8 Acidul acrilic și cantități mici de TAPE și carbonat de potasiu (K2CO3) sunt inițial dizolvate în co-solventul acetat de etil/ciclohexan. K2CO3 se adaugă K2CO3 pentru a neutraliza un mic procent (de obicei ≤ 3 %) din grupările acidului acrilic, probabil pentru a ajuta la promovarea precipitării polimerului rezultat în sistemul cosolvent. Amestecul se încălzește la 50°C sub o atmosferă de azot, iar un inițiator peroxidic, cum ar fi peroxidicarbonatul de di(2-etilhexil) (predizolvat în cosolvent) se adaugă lent în vasul de reacție pe o perioadă de șase ore. Pe măsură ce reacția de polimerizare avansează, produsul carbomer insolubil precipită din solvent și se formează o suspensie de particule de carbomer în solvent. La terminarea reacției, carbomerul este izolat din suspensie, iar solidele polimerice se usucă pentru a obține produsul carbomer sub formă de pulbere.
Reticulare și microgeluri: În timpul reacției, monomerii de reticulare polifuncționali se copolimerizează cu mai multe lanțuri liniare de acid poliacrilic (PAA) pe măsură ce se propagă, ducând la formarea unei rețele tridimensionale de PAA reticulat. În procesele convenționale de polimerizare în masă sau în soluție, monomerii de reticulare ar face ca mediul de reacție să se gelifice într-o masă continuă de PAA reticulat la atingerea unei conversii ridicate a monomerilor. Cu toate acestea, în cazul polimerizării prin precipitare, PAA reticulat se precipită sub formă de particule fine și împiedică apariția gelifierii macroscopice. Astfel, reticulația este limitată la particule individuale de polimer de dimensiuni submicronice. Fiecare particulă de carbomer este de fapt o macromoleculă mare care cuprinde multe lanțuri liniare de PAA care sunt reticulate între ele. Dimensiunea enormă a acestor polimeri împiedică determinarea greutății moleculare (MW) a carbomerilor cu ajutorul tehnicilor convenționale, deși MW-urile carbomerilor au fost estimate a fi de ordinul a 108-109 g/mol.10
O altă consecință importantă a reticulației în carbomeri este că aceste macromolecule nu sunt cu adevărat solubile în apă. În schimb, masa lanțurilor de PAA hidrofile reticulate este doar dispersabilă în apă și gonflabilă în apă. Spre deosebire de PAA nereticulat, care se dizolvă pentru a forma soluții de bobine de polimeri care se suprapun și se încurcă odată cu creșterea concentrației, carbomerii se dispersează în apă și se umflă în urma neutralizării pentru a forma soluții de microgeluri care nu se încurcă odată cu creșterea concentrației, ci formează o rețea de „bureți” microscopici foarte apropiați. „11
Proprietăți
Carbomerii se livrează de obicei sub formă de pulberi pufoase, albe, hidroscopice, care pot avea un ușor miros de acid acetic. O varietate de carbomeri sunt disponibili în comerț, care diferă în principal prin tipul de solvent de proces utilizat (de exemplu, benzen vs. non-benzen), tipul și nivelul de reticulant utilizat și adăugarea de aditivi opționali pentru îmbunătățirea umezelii și a dispersabilității.12 Carbomerii pot fi, de asemenea, furnizați în forme preneutralizate, de exemplu, sub formă de sare de sodiu (INCI: Sodium Carbomer). Carbomerii sunt considerați a fi netoxici și prezintă un potențial de iritare a pielii și a ochilor redus sau inexistent la concentrațiile utilizate în produsele cosmetice și de îngrijire personală.13-14 Impuritățile din acești polimeri pot include solvenți reziduali de polimerizare, monomeri care nu au reacționat (de ex, acidul acrilic), acidul acetic, acidul proprionic, subproduse ale inițiatorului de polimerizare și urme de metale grele.
Carbomerii sunt ușor dispersabili în apă și în amestecuri de solvenți organici polari cu apă, cum ar fi soluția etanol-apă cu 70% g/g. La prepararea inițială, dispersiile apoase de particule de carbomer hidratat sunt acide și prezintă de obicei valori ale pH-ului de 2,5-3,5, în funcție de concentrația polimerului. Înainte de neutralizarea cu un agent de ajustare a pH-ului bazic, de exemplu, hidroxid de sodiu sau trietanolamină, aceste dispersii nu posedă o vâscozitate semnificativă și pot fi neclare. În urma neutralizării grupărilor de acid carboxilic, carbomerul se ionizează și se umflă până la un volum de câteva sute de ori mai mare decât volumul său inițial, datorită repulsiilor electrostatice dintre grupările carboxilat încărcate negativ și umflării osmotice datorate contraionilor captivi. Dispersiile microgel rezultate, denumite uneori mucilagii, sunt fluide clare care prezintă vâscozități ridicate și, de asemenea, prezintă o valoare de randament ridicată.
Tehnologie și aplicații
Carbomerii sunt eficienți în formarea vâscozității în sistemele apoase la niveluri de utilizare relativ scăzute. De exemplu, majoritatea carbomerilor enumerați în tabelul 1 sunt capabili să formeze vâscozități de 10.000-60.000 cP atunci când sunt utilizați la doar 0,5% g/g. Astfel, carbomerii sunt utilizați în mod obișnuit ca agenți de îngroșare în fază apoasă într-o varietate de produse. Cu toate acestea, adevărata utilitate a carbomerilor rezultă din capacitatea lor de a conferi formulelor o valoare de randament ridicată.
Valoarea de randament este rezistența unui fluid la curgerea inițială atunci când se aplică o tensiune.11, 15-16 În repaus, rețeaua strâns compactată de microgeluri de carbomer se comportă ca un solid elastic care rezistă la deformare. Rețeaua nu începe să curgă până când nu se aplică un nivel critic de tensiune de forfecare, adică tensiunea de curgere, moment în care microgelurile pot aluneca unele pe lângă altele, ceea ce duce la curgerea fluidului. Atunci când fazele eterogene (de exemplu, picături de emulsie, pigmenți, perlatori, opacifianți, bule de aer, abrazivi de silice etc.) sunt dispersate în formulări îngroșate cu carbomer, rețeaua de microgeluri le reține și le stabilizează împotriva cremei și/sau sedimentării în timp ce fluidul se află în repaus, adică sub tensiunea de cedare. Cu toate acestea, la aplicarea unei tensiuni care depășește tensiunea de curgere, fluidul curge fără probleme pentru a permite distribuirea și aplicarea produsului. Din acest motiv, carbomerii sunt utilizați la formularea a nenumărate produse, de la creme și loțiuni la geluri pentru coafarea părului și pastă de dinți, unde suspendarea și stabilizarea fazelor dispersate este critică.
Direcții de formulare
Aplicarea cu succes a carbomerilor pentru îngroșarea și stabilizarea valorii de randament necesită ca aceștia să fie utilizați corect. Deoarece carbomerii sunt polielectroliți sensibili la pH, cu un pKa de aproximativ 6,0 ± 0,5, umflarea microgelului scade dramatic sub pH 5, ceea ce duce la pierderea vâscozității și a valorii de randament. Performanța optimă se obține de obicei în intervalul de pH 6-9. Dacă la sistemele îngroșate cu carbomer se adaugă un exces de bază sau alți electroliți (de exemplu, clorură de sodiu), microgelurile se vor prăbuși din cauza efectelor polielectrolitice (de exemplu, ecranarea repulsiilor electrostatice de către excesul de forță ionică și echilibrarea presiunii osmotice între interiorul și exteriorul microgelului), ceea ce duce din nou la pierderea vâscozității și a valorii randamentului. În plus, ionii multivalenți (de exemplu, Ca2+, Mg2+ etc.) și agenții tensioactivi cationici trebuie evitați atunci când se utilizează carbomeri pentru a preveni formarea de complexe insolubile.
La prepararea formulărilor îngroșate cu carbomer, trebuie să se aibă grijă să se asigure o dispersie uniformă a carbomerului pentru a se evita texturile granuloase și formarea de „ochi de pește”, de ex, aglomerări parțial hidratate de particule de carbomer care nu reușesc să se disperseze complet.17 Dispersia carbomerilor tradiționali necesită, de obicei, ca pulberile să fie presărate încet în mediul de dispersie, cu agitare rapidă; pentru prepararea la scară comercială, pot fi utilizate și dispersoare de pulberi. Alternativ, carbomerii pot fi dispersați în nesolvenți, de exemplu, în faza uleioasă a unei emulsii, și apoi adăugați în faza apoasă care conține agentul de neutralizare. Amestecarea cu forfecare extrem de mare cu omogenizatoare sau mori coloidale poate duce la degradarea prin forfecare a microgelurilor de carbomer și ar trebui redusă la minimum sau evitată cu totul. Carbomerii moderni „ușor de dispersat” au redus complexitatea asociată cu dispersia carbomerilor. Acești carbomeri încorporează în carbomer, în timpul polimerizării prin precipitare, un agent stabilizator steric, de obicei un surfactant neionic etoxilat cu o configurație bloc sau pieptene.12 Carbomerii rezultați sunt ușor de umezit atunci când sunt adăugați în medii apoase, dar se hidratează lent, permițând o dispersie lină și uniformă a carbomerului.
1. Carbomer, Monografii oficiale, în United States Pharmacopeia 34-National Formulary 29, United Book Press Inc., Baltimore, SUA (2011), pp. 1465-1473
2. Carbomer, Monograph ID 5092, în International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC SUA (2010)
3. G Swift, Acrylic (and methacrylic) acid polymers, în Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, John Wiley & Sons Inc, publicat online (15 martie 2002) pp 79-96 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471440264.pst009/abstract (accesat la 23 august 2011)
4. W Bauer Jr, Acrylic acid and derivatives, în Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc., publicat online (20 iunie 2003) pp 342-369 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103182502012105.a01.pub2/abstract (accesat la 23 august 2011)
5. US 2798053, Carboxylic polymers, HP Brown, atribuit The B. F. Goodrich Company (2 iulie 1957)
6. US 2923692, Mucilaginous composition comprising salt of crosslinked carboxylic polymer and method of preparing the same, JF Ackerman and JF Jones, atribuit The B. F. Goodrich Co. (2 februarie 1960)
7. US 2980655, Procedeu de polimerizare, JA Glass și JF Jones, atribuit The B. F. Goodrich Co. (18 apr. 1961)
8. US 4923940, Acizi policarboxilici cu capacitate de îngroșare mai mare și claritate mai bună, CC Hsu, cedat către The B. F. Goodrich Co. (8 mai 1990)
9. TEGO Carbomer 340 FD, Buletinul de produse D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Germania, (februarie 2008)
10. Greutatea moleculară a polimerilor Carbopol și Pemulen, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH SUA (10 iul. 2008)
11. JV Gruber, Synthetic polymers in cosmetics, Capitolul 6 în Principles of Polymer Science & Technology in Cosmetics and Personal Care, ED Goddard și JV Gruber, eds, Marcel Dekker Inc., New York SUA (1999) pp 217-275
12. US 5288814, Easy to disperse polycarboxylic acid thickeners, CJ Long II, Z Amjad, WF Masler III și WH Wingo, atribuit The B. F. Goodrich Co. (22 februarie 1994)
13. RL Elder, ed, 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. Măsurarea și înțelegerea valorii de randament în formulele de îngrijire personală, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-244, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, SUA (ianuarie 2002)
16. M Cloitre, Cedarea, curgerea și alunecarea în suspensiile de microgeluri: From microstructure to macroscopic rheology, Cap. 11 în Microgel Suspensions, Fundamentals and Applications, A Fernandez-Nieves, H Wyss, J Mattsson, and DA Weitz, eds, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim, Germania (2011) pp 285-310.
17. Tehnici de dispersie pentru polimerii Carbopol, Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-103, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, SUA (ianuarie 2002)
.