Ausgabe 25 — April 2001
   

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Ausgabe 25        
Kategorie Titel Autor
Gastbeitrag Galenische Prinzipien moderner Hautpflegeprodukte Rolf Daniels

Inhalt
1. Einleitung
2. Nanodisperse Systeme
2.1 Liposomen
2.2 Nanoemulsionen
2.3 Lipid-Nanopartikel
3. Tensidfreie Formulierungen
3.1 Polymerstabilisierte Emulsionen
3. 2 Feststoffstabilisierte Emulsionen
4. Fazit
5. Literatur

1. Einleitung

Hautpflegeprodukte müssen heute hohe Anforderungen bezüglich Wirksamkeit, Hautverträglichkeit und Ästhetik erfüllen. Es ist allgemein anerkannt, dass die Leistungsfähigkeit eines Kosmetikums an die Gesamtformulierung geknüpft ist. Deshalb braucht man neben geeigneten Wirkstoffen auch eine optimale Galenik, um auf dem Markt erfolgreich zu sein. Die Ziele bei der Entwicklung einer topischen Formulierung lassen sich in zwei Hauptbereiche unterteilen: Beeinflussung oder Unterstützung der Barrierefunktion der Haut und Funktion als Abgabesystem für Wirkstoffe. Darüber hinaus gewinnt die Möglichkeit, eine patentierte Galenik als Marketinginstrument zu nutzen, beständig an Bedeutung. Die vorliegende Arbeit stellt einige galenisch interessante Formulierungskonzepte vor, die in aktuellen Hautpflegeprodukten zum Einsatz kommen.

2. Nanodisperse Systeme

Nanodisperse Systeme (Abbildung 1), wie Liposomen (1a), Nanoemulsionen (1b) und Lipidnanopartikel (1c), haben als mögliche Vehikel für die kontrollierte Freisetzung von kosmetischen Wirkstoffen und zur Optimierung der Verfügbarkeit von Wirkstoffen in bestimmten Hautschichten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Darüber hinaus zeigen diese Systeme, wie alle Grundlagen, auch mehr oder weniger ausgeprägte Vehikeleffekte, einen positiven Beitrag zu den erwünschten Wirkungen leisten können.
Den genannten Systemen ist gemein, dass ihre Herstellung besondere Herstelltechniken erfordert, wie z.B. die Hochdruckhomogenisation, da zur Erzeugung feinst disperser Systeme im Allgemeinen ein hoher Energieeintrag erforderlich ist. Ferner sind häufig Phospholipide als Hilfsstoffe notwendig.

2.1 Liposomen

Liposome sind kleine, kugelförmige Vesikel aus amphiphilen Lipiden, die einen hydrophilen Kern umschließen. Als Lipide kommen hauptsächlich Phospholipide zum Einsatz, die Doppelschichten ausbilden, wie man sie auch von Biomembranen kennt (Abbildung 2). Als Hauptkomponente tritt meist Phosphatidylcholin (Lecithin) auf. Je nach Herstellverfahren und chemischer Zusammensetzung erhält man Liposome mit einer oder mehreren konzentrischen Doppelschichten. Häufig werden Liposome bezüglich ihrer Lamellarität und Größe unterschieden. Man differenziert kleine unilamellare (SUV: small unilamellar vesicles), große unilamellare (LUV: large unilamellar vesicles) sowie große oligolamellare, multilamellare (MLV: multilamellar vesicles) oder multivesikuläre (MVV: multivesicular vesicles) Liposome (Abbildung 3). SUVs weisen einen Durchmesser von 20 bis etwa 100 nm auf. Die Größe von LUVs, MLVs und MVVs kann von einigen hundert Nanometer bis zu mehreren Mikrometern reichen. Die Membrandicke einer aus Phospholipiden bestehenden Doppelschicht beträgt etwa 5 bis 6 nm.


Abbildung 1: Nanodisperse Systeme im strukturellen Vergleich
1a Liposom: Lipiddoppelmembran umschließt hydrophilen Kern
1b Nanoemulsion: Lipidmonoschicht umschließt flüssige Lipidphase
1c Lipidnanopartikel: Lipidmonoschicht umschließt feste Lipidphase



Abbildung 2: Strukturformel und schematische Darstellung eines Phospholipids (Lecithin)

Große Liposome entstehen spontan, wenn man Phospholipide oberhalb ihrer Phasenübergangstemperatur in Wasser dispergiert. Für die Herstellung von SUVs wird meist von MLVs ausgegangen, die dann durch geeignete Verfahrenstechniken, wie z.B. Hochdruckhomogenisation, in die kleinen Vesikel überführt werden (1). Niosome und Sphingosome sind Vesikel mit ähnlichem strukturellen Aufbau, deren Membran jedoch aus nichtionischen Tensiden, z.B. vom Typ der Alkylpolyglycerylether, bzw. aus Sphingolipiden besteht (Abbildung 4). Werden Liposome als Transportsystem benutzt, so können sie hydrophile Substanzen in ihrem inneren Hohlraum und amphiphile sowie lipophile Wirkstoffe in die Lipiddoppelmembran aufnehmen. Letzteres trifft z.B. für den Einbau von öllöslichen UV-Filtern zu. In Kosmetika kommen sowohl beladene wie auch leere Liposome zum Einsatz. Als wesentlichste Wirkung der Leerliposome tritt meist eine vermehrte Hydratation der Haut ein (2).

Liposome begünstigen häufig die Einlagerung eingebrachter Wirkstoffe in die Epidermis und Dermis, wobei gleichzeitig eine verminderte Permeation auftritt. Demnach gelingt mit liposomalen Zubereitungen offensichtlich eine für Kosmetika gewünschte Fixierung von Wirkstoffen in den obersten Hautschichten. Gleichzeitig ist auch ein Auswaschen aus der Haut erschwert, sodass beispielsweise Sonnenschutzpräparate mit Liposomen wasserfest sind (3). Die genannten positiven Effekte hängen jedoch von der Zusammensetzung, Größe und Menge der Liposome ab, und allgemeine Schlüsse sind aufgrund der hohen Variabilität nicht zulässig(3). Ferner wird - vor allem bei Leerliposomen - in jüngster Zeit auch vermehrt diskutiert, ob die positiven Wirkungen zwingend an die vesikulären Strukturen gebunden sind oder ob die Anwesenheit der entsprechenden Lipide (Phospho-, Sphingolipide) bereits für die kosmetische Wirkung ausreicht.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Aufbaus von Liposomen unterschiedlicher Größe und Lamellarität
SUV: Small unilamellar vesicles, LUV: Large unilamellar vesicles,
MLV: Multilamellar vesicles, MVV: Multivesicular vesicles




Die Verträglichkeit von topisch applizierten Phospholipiden ist sehr gut. Weder nach den Richtlinien der EG noch der amerikanischen Food and Drug Administration gibt es Restriktionen bezüglich des Einsatzes in Lebensmittel und Kosmetika; Lecithine haben den GRAS-Status (generally accepted as safe). Allerdings ist bekannt, dass sehr hohe Dosen an Phospholipiden, die über längere Zeit topisch angewandt werden zu Irritationen an der trockenen und normalen Haut führen können (4). Ebenso ist beschrieben, dass nach längerer Anwendung durch einen Feedback-Mechanismus der dermale Lipidstoffwechsel beeinflusst werden kann.

2.2 Nanoemulsionen

Unter Nanoemulsionen versteht man O/W-Emulsionen, deren Tropfen einen Durchmesser von 50 bis 1000 nm aufweisen. Üblicherweise liegt die mittlere Tropfengröße im Bereich zwischen 100 und 500 nm. Synonym wird auch der Begriff Submikron-Emulsionen (SME) oder Mini-Emulsion verwandt. Emulsionen, die dieser Definition entsprechen, werden im pharmazeutischen Bereich seit langem zur parenteralen Ernährung eingesetzt. Im allgemeinen weisen solche Emulsionen einen Ölgehalt von 10 bis 20 Prozent auf und sind mit 0,5 bis 2 Prozent Ei- oder Sojalecithin stabilisiert. Eine typische Rezeptur ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Herstellung von Nanoemulsionen erfolgt durch Hochdruckhomogenisation. Die hierbei gebildeten Partikel weisen einen flüssigen, lipophilen Kern auf, der nach außen zur Wasserphase mit einer Monoschicht des Phospholipids abgegrenzt wird (Abbildung 1). Die Struktur solcher lecithinstabilisierten Öltropfen ist mit der der Chylomikronen vergleichbar. In ihrem strukturellen Aufbau unterscheiden sich Nanoemulsionen demnach deutlich von den Liposomen, bei denen eine Phospholipiddoppelmembran einen hydrophilen Innenraum von einer wässrigen Außenphase abgrenzt. Werden Nanoemulsionen mit einem Überschuss an Phospholipiden hergestellt, so können gleichzeitig Liposome entstehen (1).

Abbildung 4:Strukturformeln möglicher Bausteine von Sphingosomen und Niosomen

Tabelle 1: Beispiel für eine Nanoemulsion
Bestandteil Funktion Menge [% m/m]
Nachtkerzenöl Lipid 25,0
Vitamin E Radikalfänger 5,0
Lecithin Emulgator 4,0
Wasser Dispersionsmittel ad 100,0

Nanoemulsionen eignen sich mehr noch als Liposome für den Transport lipophiler Komponenten. Ähnlich den Liposomen unterstützen sie die Penetration von kosmetischen Wirkstoffen und erhöhen somit ihre Konzentration in der Haut (2,5). Darüber hinaus gewinnen Nanoemulsionen auch wegen ihrer kosmetischen Eigenwirkung zunehmend an Bedeutung. Durch Einschleusen geeigneter Lipide lässt sich mit Nanoemulsionen der transepidermale Wasserverlust (TEWL) günstig beeinflussen, d.h. die Barrierefunktion der Haut wird gestärkt.

Ergänzend ist bei den Nanoemulsionen als besondere Produkteigenschaft ihre Aufrahmstabilität zu erwähnen. Dies ermöglicht die Formulierung dünnflüssiger und damit sprühbarer Produkte, die während der Lagerung keine Phasentrennung zeigen.

Alternativ zu den phospholipidhaltigen Nanoemulsionen lassen sich auch - wie untenstehend beschrieben - tensidfreie O/W-Emulsionen mit einer Tropfengröße von unter 1 µm herstellen (6).

2.3 Lipid-Nanopartikel (7)

Lipid-Nanopartikel ähneln in ihrer Struktur den Nanoemulsionen. Ihr Größe reicht typischerweise von 50 bis 1000 nm. Sie unterscheiden sich jedoch dadurch, dass das Lipid sich im festen Aggregatzustand befindet (Abbildung 1). Ihre Matrix besteht aus festen Lipiden oder Lipidmischungen. Zur Verhinderung der Aggregation werden Tenside oder Polymere zugesetzt, wobei bevorzugt, wie bei den Nanoemulsionen, Phospholipide zum Einsatz kommen. Sollen Lipid-Nanopartikel als Wirkstoffträger dienen, so liegt die aktive Komponente entweder molekulardispers oder feinstdispers verteilt in der Lipidmatrix vor.

Die Herstellung der Lipid-Nanopartikel erfolgt mit Hilfe der Hochdruckhomogenisation, wobei sowohl eine Heiß- wie auch eine Kalthomogenisation beschrieben sind (Abbildung 5). Ein Scaling-up für die Herstellung im Produktionsmaßstab erscheint unproblematisch, da die Hochdruckhomogenisation bereits in unterschiedlichsten Bereichen zur großtechnischen Herstellung von Emulsionen und Dispersionen genutzt wird.

Zu den wichtigsten Eigenschaften, die Lipid-Nanopartikel für den kosmetischen Einsatz interessant erscheinen lassen, gehören:

 Verbesserung der Stabilität chemisch labiler Wirkstoffe
Kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen
Pigmenteffekt
Gesteigerte Hydratation und Schutz durch Filmbildung

Im Gegensatz zu Liposomen und Nanoemulsionen müssen für den Einsatz von Lipid-Nanopartikeln nicht unbedingt gänzlich neue Rezepturen entwickelt werden. Aufgrund ihrer guten Stabilität und Kompatibilität mit anderen Rezepturbestandteilen ist ein Zusatz zu bestehenden Formulierungen häufig problemlos möglich.

Abbildung 5: Ablauf der Herstellung von Lipid-Nanopartikeln durch Heiß- und Kalthomogenisation (nach (7))

Lipid-Nanopartikel sind weltweit unter dem Namen Lipopearls® und Nanopearls® patentiert, sodass sich deren Exklusivität beim Einsatz in neuen Produkten garantieren lässt.

3. Tensidfreie Formulierungen

Die meisten Hautpflegeprodukte bestehen aus zwei oder mehreren Substanzen, die nicht miteinander mischbar sind, und sind daher, entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, von Natur aus instabil. Um eine ausreichende Lagerstabilität sicherzustellen ist daher der Zusatz geeigneter Stabilisatoren notwendig. Normalerweise werden ionische oder nichtionische Tenside als Emulgatoren verwandt. Solche niedermolekularen, amphiphilen Substanzen werden jedoch immer wieder als Ursache für Unverträglichkeiten bei Hautpflegeprodukten genannt. Daher sucht die kosmetische Industrie nach tensidfreien Emulsionen als Alternative zu den konventionellen Formulierungen. Vielversprechende Ansätze, mit dem Ziel, ausreichend stabile und kosmetisch ansprechende Produkte zu erhalten, ergeben sich aus dem Einsatz von Polymer- und Feststoffemulgatoren.

3.1 Polymerstabilisierte Emulsionen

Im Gegensatz zu den klassischen Emulsionen erfolgt die notwendige Stabilisierung bei diesen Emulsionssystemen nicht mit amphiphilen, tensidartigen Emulgatoren, sondern mit Hilfe geeigneter Makromoleküle (Abbildung 6). Werden Polymere zugesetzt, so resultiert ihr stabilisierender Effekt häufig durch ihren Verdickungseffekt und dadurch, dass sie der Außenphase eine Fließgrenze verleihen. Wesentlich effektiver ist jedoch der Einsatz grenzflächenaktiver Makromoleküle, wie z.B. Carbomer 1342 oder Methylhydroxypropylcellulose (8) als primäre Emulgatoren. Diese bilden strukturierte Grenzflächenfilme, die einen effektiven Koaleszenzschutz gewährleisten. Die Erhöhung der Viskosität der Außenphase spielt dann für die Stabilität dieser Emulsionen eine untergeordnete Rolle.

Ein solches Formulierungskonzept - häufig als Hydrolipid-Dispersion oder Hydrodispersionsgel bezeichnet - wird bevorzugt im Bereich der Sonnenschutzformulierungen bei den sog. emulgatorfreien Zubereitungen eingesetzt. Dies ist im physikalisch-chemischen Sinne nicht korrekt. (Die IUPAC definiert die Eigenschaften eines Emulgators wie folgt (9): Emulgatoren sind grenzflächenaktive Substanzen. Sie halten sich bevorzugt in der Grenzfläche zwischen Öl- und Wasserphase auf und senken dadurch die Grenzflächenspannung. Emulgatoren erleichtern bereits in niedriger Konzentration die Emulsionsbildung. Darüber hinaus vermögen diese Substanzen die Stabilität von Emulsionen zu verbessern, indem sie die Geschwindigkeit der Aggregation und/oder der Koaleszenz verringern.)

Abbildung 6: Schematische Darstellung des Aufbaus verschiedener Grenzflächenfilme

A: flüssigkristalliner Tensidfilm, B: monomolekularer Tensidfilm, C: Polymerfilm entsprechend dem Tail-Loop-Train-Modell


Allerdings unterscheiden sich derartige Formulierungen deutlich in ihrem Irritationspotenzial von den mit klassischen Emulgatoren stabilisierten Emulsionen: Aufgrund ihrer hohen Molmasse können makromolekulare Emulgatoren nicht in das Stratum corneum penetrieren. Unerwünschte Wechselwirkungen, z.B. im Sinne einer Mallorca-Akne, sind deshalb nicht zu erwarten, worauf die Bezeichnung "emulgatorfrei" offensichtlich hinweisen soll.

Typische Formulierungsbeispiele für polymerstabilisierte Emulsionen sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Rezeptur A verwendet Acrylat/C10-30 Alkylacrylat Crosspolymer als Polymeremulgator. Als Co-Stabilisatoren kommen Polyacrylsäure und Methylhydroxypropylcellulose (MHPC; Hydroxypropyl Methylcellulose), als Gelbildner Carbomer zum Einsatz.

Carbomer 1342, ein Copolymer der Acrylsäure, und die C10-30-Alkylacrylate sind zusätzlich mit Allylpentaerithrol quervernetzt. Der hydrophile Acrylsäure-Anteil überwiegt den lipophilen Alkylacrylat-Anteil. Es ergeben sich Riesenmoleküle mit einer relativen Molmasse im Bereich von 4x10 exp 9. Die Substanz quillt nach Neutralisation mit einer geeigneten Base auf das 1000fache ihres ursprünglichen Volumens, geht jedoch nicht in Lösung.

In wässrigem, salzarmen Milieu bildet Carbomer 1342 dicke, schützende Gelschichten um jeden Lipidtropfen, die über die ihre Alkylketten fest in der Ölphase verankert sind. Hierdurch können mit durchschnittlich 0,1 bis 0,3 Prozent des makromolekularen Emulgators Produkte mit 20 Prozent Lipidanteil lagerstabil formuliert werden.

Kommt eine solche Emulsion mit dem elektrolythaltigen Milieu der Hautoberfläche in Kontakt, so wird die Zubereitung instabil, da die schützende Gelschicht kollabiert. Als Folge scheidet sich auf der Haut ein dünner Ölfilm ab. Bei Sonnenschutzpräparaten kann daher mit einer zunächst hydrophilen Zubereitung eine Wasserfestigkeit erreicht werden.

Tabelle 2: Beispiele für Polymer-stablisierte Emulsionen
 

Bestandteil
(INCI-Name)

Menge
(% m/m)
Funktion
Formulierung A
Wasserphase Aqua
73,37
Lösungsmittel
  Glycerin
2,50
Feuchthaltemittel
  Disodium EDTA
0,03
Komplexbildner,
Stabilisator
Lipidphase Octyl Methoxycinnamate
7,50
UV B-Filter
  Octyl Salicylate
5,00
UV B-Filter
  Benzophenone-3
5,00
Breitband
UV-Filter
  C12-C15 Alkyl Benzoate
4,00
Hautpflegemittel
  Sorbitan Oleate
0,30
W/O-Emulgator
  Acrylates/C10-30 Alkyl Acrylate
Crosspolymer
0,30
Polymeremulgator
  Carbomer
0,30
Gelbildner
Zusätze, hydrophil Propylenglycol
0,80
Feuchthaltemittel
  Diazolidinyl Urea
Parabene
0,80
Konservierungsmittel
  Triethanolamine
0,70
Puffersubstanz, Base
Formulierung B
Wasserphase Aqua
78,0
Lösungsmittel
  Hydroxypropyl Methylcellulose
2,0
Polymeremulgator
Lipidphase Caprylic/Capric Triglyceride
15,0
Lipidkomponente
  Triticum Vulgare
5,0
Lipidkomponente

Die Herstellung der mit Acrylates/C10-30 Alkyl Acrylate Crosspolymer stabilisierten Hydrolipid-Dispersionen kann nach zwei Schemata, der direkten und der indirekten Methode, erfolgen (Abbildung 7).

Während der Herstellung sind in Gegenwart des hochmolekularen Emulgators allzu hohe Scherkräfte, z.B. durch Einsatz eines Hochleistungshomogenisators, zu vermeiden. Dies könnte zu einem mechanischen Abbau der Polyermoleküle führen, der eine verminderte Stabilität zur Folge hätte. Häufig weisen daher solche Zubereitungen eine Tropfengröße im Bereich von 20 bis 50 µm auf. Auf die physikalische Stabilität hat dies allerdings keinen negativen Einfluß. Wird aus kosmetischen Gründen die Herstellung feindisperser Systeme mit Tropfen im Bereich von 1 bis 5 µm gewünscht, so wird der Zusatz geringer Mengen eines amphiphilen Co-Emulgators, z.B. Sorbitanmonooleat, empfohlen. Allerdings wären diese Zubereitungen dann nicht mehr als "emulgatorfrei" zu bezeichnen.

Ebenso wie Formulierung A gehört auch die Rezeptur B (Tabelle 2) dem Typ nach zu den Hydrolipid-Dispersionen. Hierbei findet ausschließlich Methylhydroxypropylcellulose (MHPC) als Polymeremulgator Verwendung.

Im Gegensatz zu den Hydrolipid-Dispersionen mit Carbomer sind diejenigen mit MHPC als Emulgator wenig elektrolytempfindlich, sodass diese Formulierungen selbst mit isotoner Kochsalzlösung als wässriger Außenphase lagerstabil sind. Beim Auftragen auf die Haut kommt es durch die mechanische Einwirkung zu einem partiellen Brechen der Emulsion mit Abscheidung eines Ölfilms, der zu einer verringerten Benetzbarkeit der Haut führt. Der Rest der Emulsion verbleibt teilweise als geschmeidiger Film auf der Haut, in dem Öltropfen eingebettet in eine Matrix des Polymers zurückbleiben.

Die Herstellung dieser Emulsionen kann mit Hilfe von Rotor-Stator-Homogenisatoren (z.B. Ultra Turrax®) erfolgen, wobei eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 2 bis 5 µm resultiert (8). Um Nanoemulsionen mit einer durchschnittlichen Tropfengröße im Bereich zwischen 100 und 500 nm zu erzeugen, ist eine Herstellung mit Hilfe von Ultraschall oder Hochdruckhomogenisation erforderlich, da einfache Rotor-Stator-Homogenisatoren einen zu geringen Energieeintrag ermöglichen.


Abbildung 7: Ablauf der Herstellung von Hydrolipid-Dispersionen mit Acrylat/C10-30 Alkylacrylat Crosspolymer als Polymeremulgator durch die indirekte und direkte Methode
Schritt
Indirekte Methode
Direkte Methode
1
 Bestandteile der Ölphase (evtl. unter Erwärmen) homogen mischen und die lipophilen UV-Filter darin lösen Bestandteile der Ölphase (evtl. unter Erwärmen) homogen mischen und die lipophilen UV-Filter darin lösen
2
 Bestandteile der Wasserphase zu einer klaren Lösung vereinigen Bestandteile der Wasserphase (ohne Neutralsiationsmittel) zu einer klaren Lösung vereinigen
3
 Ölphase (mit Polymeremulgator 1) dispergieren Polymeremulgator 1 in Wasserphase unter intensivem Rühren dispergieren
4
 Ölphase (mit 1) und Wasserpahse (mit Neutralisationsmittel) vereinigen und unter kräftigem Rühren (15 - 30 min) zu einer homogenen Dispersion verarbeiten Wasserphase mit 1 und Ölphase vereinigen und unter kräftigem Rühren (15 - 30 min) homogen dispergieren
5
 Übrige Bestandteile (Konservierungsmittel, Parfüm) zusetzen und homogen veteilen Geeignete Base zur Neutralisation zusetzen und zu einer homogenen Dispersion verarbeiten. Danach übrige Bestandteile unter Rühren zugeben
Polymeremulgator 1 = INCI-Name: Acrylates/C10-30 Alkyl Acrylate Crosspolymer

Die Herstellung erfolgt, wenn alle Komponenten der Lipidphase im flüssigen Aggregatzustand vorliegen, als Kaltemulgierung (6): Aus der wässrigen Polymerlösung und der flüssigen Ölphase wird zunächst bei Raumtemperatur durch einfaches Mischen eine grobdisperse Rohemulsion hergestellt, die anschließend bei Drücken zwischen 20 und 90 MPa homogenisiert wird. Eine weitere Erhöhung des Homogenisierdruckes über den optimalen Bereich hinaus führt, obwohl technisch problemlos zu realisieren, meist nicht zu dem gewünschten, höheren Dispersitätsgrad, sondern geht mit einem Anstieg der Tropfengröße einher (Abbildung 8). Dieses Phänomen wird als Überhomogenisation bezeichnet und wird häufig bei Polymer-stabilisierten Emulsionen beobachtet.

Als weitere Besonderheit der MHPC-stabilisierten Emulsionen ist zu erwähnen, dass sich diese Zubereitungen ohne Qualitätsverlust im Autoklaven sterilisieren lassen (8). Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Zubereitungen einen thermoreversiblen Sol-Gel-Übergang zeigen. Hierdurch werden die Öltropfen bei Temperaturen oberhalb 60° C immobilisiert, so dass die Kollision von Öltropfen wirksam verhindert wird und Koaleszenz kaum auftritt. Dies eröffnet die Möglichkeit - eine rekontaminationssichere Verpackung vorausgesetzt -, dass nach der Sterilisation im Endbehältnis auf den Zusatz von Konservierungsmitteln gänzlich verzichtet werden kann.

Wie bereits oben erwähnt, lassen sich Emulsionen auch ausschließlich über den viskositätserhöhenden Effekt der zugesetzten Polymere, wie Polyacrylsäure, stabilisieren. Solche Formulierungen, bei denen Grenzflächeneffekte keine Rolle bei der Stabilisierung spielen werden als "Quasi-Emulsionen" bezeichnet. Für Handelsprodukte, bei denen ein vergleichsweise geringer Lipidanteil in einem Hydrogel dispergiert vorliegt, findet sich häufig die Bezeichnung "Balsam".

Die physikalische Stabilität und Lagerfähigkeit wird durch ein sehr feines Dispergieren der Lipide und die Fließgrenze der Außenphase erreicht, wodurch ein Aufrahmen und die Koaleszenz wirksam verhindert werden.

Abbildung 8: Einfluss des Homogenisierdruckes auf die Partikelgröße von MHPC-stabilisierten Emulsionen (nach (6))


Abbildung 9: Lage von Feststoffpartikeln in der Grenzfläche in Abhängigkeit vom Benetzungswinkel

3. 2 Feststoffstabilisierte Emulsionen

Eine weitere Formulierungsalternative für tensidfreie Emulsionssysteme findet man in den sog. Pickering-Emulsionen. Hierbei wird ein stabiler Grenzflächenfilm mit gutem Koaleszenzschutz durch eine dichte Packung von Feststoffteilchen in der Phasengrenzfläche erreicht. Voraussetzung für die Ausbildung stabiler Emulsionen ist, dass der Feststoff von Öl- und Wasserphase benetzt wird, jedoch zu den beiden Phasen eine unterschiedliche Affinität aufweist. Dies drückt sich im jeweiligen Benetzungswinkel aus (Abbildung 9).

Bei Pickering-Emulsionen müssen genügend kleine Feststoffteilchen sich in der Öl-Wasser-Grenzfläche anordnen. Normalerweise heißt dies, dass Feststoffpartikel eingesetzt werden, die mindestens um den Faktor 10 kleiner sind als die gewünschte Tropfengröße der Emulsion. Ein Zusammenhalt zwischen den einzelnen Feststoffteilchen wird durch Kapillarkräfte begünstigt. Ein so gebildetes Feststoffnetzwerk bildet eine mechanische Barriere, die die Koaleszenz von Tropfen verhindert (Abbildung 10). Der Koaleszenzschutz basiert auf der Energie, die notwendig ist, um ein Feststoffpartikel von der Grenzfläche in die dispergierte Phase hineinzudrücken. Diese Energie hängt vom Benetzungswinkel ab, welcher idealerweise nahe bei 90° C liegen sollte.

Beispiele für Feststoffemulgatoren sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die wichtigsten Faktoren, die Einfluss auf die Stabilität von Pickering-Emulsionen nehmen, sind (10):

 Kontaktwinkel
Partikelgröße
Feststoffkonzentration
Interpartikuläre Wechselwirkungen

Darüber hinaus sind die Art der Ölphase, das Phasenvolumenverhältnis und insbesondere auch die Reihenfolge der Zugabe bei der Herstellung als kritische Parameter anzusehen.

Abbildung 10: Emulsionstabilisierung durch Feststoffpartikel

Tabelle 3: Beispiel für Feststoffemulgatoren
Substanz Stabilisierter Emulsionstyp
Aluminiumoxid
W/O
Betonit
O/W
Hochdisperses Siliciumdioxid
O/W
kristalline Fette
W/O
Magnesiumoxid
W/O
Magnesiumtrisilikat
W/O
Titandioxid, gecoatet
O/W, W/O
Veegum
O/W
Zinkoxid
O/W

Bisher finden sich in der Literatur nur wenig konkrete Hinweise zur Herstellung von feststoffstabilisierten Emulsionen und nur wenige funktionierende Rezepturen sind aus der Literatur oder Patentschriften zugänglich.

Eine mögliche Basisformulierung findet sich in Tabelle 4.

Für die Herstellung werden die beiden Phasen vermischt und für ca. 2 min homogenisiert. Nach Einstellen des pH-Wertes auf ca. 6 wird für weitere 10 min homogenisiert.

Obwohl Pickering-Emulsionen sowohl von der Theorie als auch von der Applikationsseite her sehr interessant erscheinen, sind sie weder als Forschungsprojekte en vogue noch wird dieses Prinzip in kosmetischen Produkten nennenswert genutzt.

Feststoff-stabilisierte Emulsionen erscheinen jedoch sehr wertvoll für Formulierung von Sonnenschutzmitteln. Nutzen nämlich solche Produkte physikalische Filter, wie z.B. Titandioxid oder Zinkoxid, so können diese Substanzen gleichmäßig verteilt werden und gleichzeitig zur Emulsionsstabilisierung dienen.


4. Fazit

In den vergangen Jahren ist es erfolgreich gelungen, die Eigenschaften von Hautpflegeprodukten stetig zu verbessern. Neue Hilfsstoffe, verbesserte Herstelltechniken und ein besseres Verständnis der physikochemischen Eigenschaften haben zur Entwicklung neuer Konzepte geführt. Einige von ihnen, wie die Liposomen, sind bereits fest im Markt etabliert. Lipid-Nanopartikel werden derzeit eingeführt und Feststoff-stabilisierte Emulsionen werden zu neuen Produkten umgesetzt.

Eine Menge guter neuer Ideen - entwickelt aus der Zusammenarbeit von Spezialisten aus unterschiedlichsten Bereichen - werden jedoch notwendig sein, um auch in Zukunft auf diesem wachsenden Markt erfolgreich zu sein.

Tabelle 4: Beispiel für eine Feststoff-stabilisierte Emulsion
(aus (11))
  Bestandteil
Menge
Wasserphase Hydroxypropylcellulose
0,1 g
(50 ml) Silicia
1,13 g
  Aqua
49,5 g
Lipidphase Paraffinum Liquidum
150 ml


5. Literatur

(1) Gareiß, J., Hoff, E. und Ghyczy, M., Phospholipide - Liposomen - Nanoemulsionen, Parfümerie und Kosmetik 10 (1994) 652 - 659.

(2) Gareiß, J., Hoff, E. und Ghyczy, M., Phospholipide - Liposomen - Nanoemulsionen. II. Effekte auf der Haut, Parfümerie und Kosmetik 11 (1995) 152 - 155.

(3) Huber, P.A. und Gabard, B., Liposomen in der Dermokosmetik, Hautnah Dermatologie 3/1997, 128 - 131.

(4) Produktinformation Natipide II, Nattermann Phospholipid GmbH, April 1996.

(5) Driller, H., Verbesserte Wirkung durch Nanoemulsionen, In: Ziolkowsky, B., Kosmetikjahrbuch 1996, Verlag für chemische Industrie, Augsburg 1996.

(6) Schulz, M.B., und Daniels, R., Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) as emulsifier for submicron emulsions: influence of molecular weight and substitution type on the droplet size after high-pressure homogenization. Eur. J. Pharm. Biopharm. 49 (2000) 231-236.

(7) Müller, R.H., und Dingler, A., The next generation after the liposomes: solid lipid nano particles (SLN®, LipopearlsTM) as dermal carrier in cosmetics. Eurocosmetics 7/8 (1998) 19-26.

(8) Rimpler, S., Pharmazeutisch-technologische Charakterisierung von O/W-Emulsionen mit Methylhydroxypropylcellulose als Polymeremulgator, Dissertation Universität Regensburg, 1996

(9) IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), Division of Physical Chemistry, Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units, Appendix II part I, Butterworths London, 1972, S. 611

(10) Mennon, V.B., Wasan, D.T., A review of the factors affecting the stability of solids-stabilized emulsions. Separation Science and Technology 23 (1988) 2131 - 2142.

(11) Midmore, B., Herrington, T., Using silica flocs to stabilize o/w emulsions. Proc. 2nd World Congress in Emulsion, Vol. 1, 1-1-124.

Autor

 Prof. Dr. Rolf Daniels


Prof. Dr. Rolf Daniels hat im Fach Pharmazeutische Technologie promoviert. Vor seiner Rückkehr an die Hochschule arbeitete er 2 Jahre in der pharmazeutischen Entwicklungsabteilung von Pfizer. 1995 bekam er eine Professur für pharmazeutische Technologie am Institut für Pharmazeutische Technologie der Technischen Universität Braunschweig. Seine Hauptinteressensgebiete sind tensidfreie Emulsionssysteme, Stabilitätsuntersuchungen an halbfesten Systemen und die kontrollierte Freisetzung von Insektenrepellents. Seit 1997 ist er Leiter der Fachgruppe Dermokosmetik der Gesellschaft für Dermopharmazie (GD).

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