Ausgabe 44 — November 2008
   

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Ausgabe 44        
         
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Gastbeitrag

   Öko-freundliche kosmetische Transportsysteme auf Basis natürlicher Biopolymere   Juan-Antonio Asensio, Philippe Grisoni (2), Yolanda Gómez (1), Sílvia Martínez (1), Salvatore Gargano (1,2), Andreas Rathjens (2)

Einleitung

Seit den einfachen Mikrokapseln aus Gelatine und Gummiarabikum in den 1950er Jahren sind Hunderte von Polymeren für die Mikroverkapselung von Wirkstoffen entwickelt worden, um diese zu stabilisieren, eine dosierte und fortwährende Freisetzung von Wirkstoffen zu erzielen oder ästhetische Effekte zu erreichen (1-2). Während die Nachfrage nach Transportvehikeln mit einer speziellen Leistungsfähigkeit für unterschiedliche Anwendungen kontinuierlich steigt, wird die Richtung für die Entwicklung natürlicher und öko-freundlicher Polymere für die Verkapselung, vom Konsumenten und dessen öko-ethischen Prinzipien vorgegeben.

Unsere Labore verfügen über eine umfassende Erfahrung in der Anwendung von Biopolymeren als Wirkstoffen zur Verkapselung (3-4), z.B. Chitosan, Lecithin, Xanthangummi und Derivaten wie modifizierte Stärke bzw. Carboxymethylcellulose (CMC), wobei unterschiedliche Technologien wie die komplexe Koacervierung, thermales und ionotropisches Gelatieren und die Interaktion zwischen Polymeren zur Anwendung kommen. In diesem Beitrag werden einige der bei Cognis üblichen Verkapselungstechnologien für Wirkstoffe in Hautpflegeprodukten mithilfe von natürlichen Biopolymeren oder Polymeren aus natürlichen Quellen erläutert und darüber hinaus Novitäten wie beispielsweise beschichtete Liposomen beschrieben.

Herstelltechniken

Primasponge® (sichtbare Kügelchen) werden durch verschiedene Ansätze, wie z.B. thermales Gelatieren von Agar, ionotropisches Gelatieren von Polysacchariden (z.B. Alginat) in CaCl2-Lösungen, komplexer Koacervierung (z.B. Koacervierung von Alginat und Chitosan) oder Waxkügelchen hergestellt.

Eine Herangehensweise dabei ist, die oben erwähnten Technologien zu kombinieren, die darauf beruhen, Polymere aus natürlichen Rohstoffen zu gewinnen. Ein typisches Beispiel (das an einer anderen Stelle detailliert beschrieben wird 3) ist, Agar, Alginat und andere Komponenten wie Pigmente, Wirkstoffe, Konservierungsmittel in Wasser aufzulösen, und zwar bei einer Temperatur, die jeweils über der Erstarrungstemperatur von Agar liegt. Sobald diese geschmolzene Masse entstanden ist, können die Millikapseln nach verschiedenen Methoden hergestellt werden.

In der einfachsten Verfahrenstechnik kann die geschmolzene Masse einer CaCl2-Lösung tröpfchenweise zugegeben werden. So reagiert Alginat mit den Ca+2-Kationen und die Tropfen härten aus. Da Agar in der Formulierung enthalten ist, sinkt die Temperatur der Tropfen, und das Gelatieren von Agar trägt dazu bei, die Kügelchen auszuhärten, wenn die Tropfen in ein Auffangbad fallen. Als dritter Mechanismus wird dem Auffangbad ein kationisches Polymer wie Chitosan zugegeben. Durch ionische Wechselwirkungen reagiert das Alginat mit den Ca+2-Kationen und Chitosan.

Tropfen können auf unterschiedliche Arten gebildet werden, beispielsweise mit einer einfachen Spritze oder mit aufwändigeren, vibrierenden Düsen. Mit vibrierenden Düsen können homogene Tropfen erzeugt werden, auf eine automatisiertere Weise kann eine Steigerung der Menge an Kügelchen in einer gewünschten Größe und der Qualität der Kügelchen erzielt werden. Abbildung 1 (rechts) zeigt typische Agar-Algina-/ Chitosan-Kügelchen von 3 mm.

Abbildung 1

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Obere Reihe:
Oben links: Primasphere® basierend auf Carboxymethylcellulose/ Chitosan (SEM-Bild). Oben rechts: Sichtbare Agar-Alginat-Chitosan-basierte Kügelchen (Primasponge®).
Untere Reihe:
Unten links: Gelatine/ CMC-basierte Mikrokapseln. Unten rechts: Typische Lecithin-basierte Liposomen wie Lipocutin® -Typen).

Mikrokapseln und Nanokapseln (Primasphere® und Primasys®)

Primasphere® (Mikrokapseln) und Primasys® (Nanokapseln) können durch eine komplexe Koacervierung erzeugt werden. Bei einer komplexen Koacervierung ist eine Interaktion zwischen einem anionischen Polymer (Alginat, Carboxymethylcellulose, Polyacrylate, etc.) mit einem kationischen Polymer (Chitosan, modifizierte Stärke, Polyquaternium, etc.) beteiligt. Ein typisches Beispiel hierfür sind Retinol-Mikrokapseln (1-10 µm) auf der Basis einer Koacervierung von Carboxymethylcellulose (CMC) und Chitosan entstehen (4). Die Zubereitung dieser Kapseln beginnt mit der Emulgierung des Retinols (in Sojaöl aufgelöst) in einer CMC-Lösung. Der pH-Wert sinkt auf unter 4 und eine Chitosanlösung wird tropfenweise zugegeben. So kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den beiden Polymeren, die um das Retinol ausfällen und die Kapselschale bilden. Abbildung 1 (links) zeigt eine typische Chitosan-CMC-Mikrokapsel (1-10 µm) mit Vitamin E (Vitamin E Primasphere® ).

Die Kapselgröße ist abhängig von der Emulsionsgröße, in einem Bereich der Mikrokapseln, die von einer einfachen Emulsion erhalten werden bis zu Nanokapseln, die entstehen, wenn das Öl nanoemulsifiziert wird (Primasys® Nanokapseln).

Die typische Gelatine-Koacervierung wird durchgeführt, indem beispielsweise CMC als anionisches Polymer benutzt wird. Das Verfahren beginnt mit der Emulgierung eines Öls und eines Dufts in einer CMC-Gelatine-Lösung. Die Tropfengröße wird durch Anpassung der Rührgeschwindigkeit eingestellt. Die Koacervierung wird induziert, indem der pH-Wert zwischen 4 - 4,5 eingestellt wird und, falls die Schale evtl. mit Glutaraldehyd gehärtet wird, können die Kapseln getrocknet werden.

Nanokapseln und Liposome (Primasys®)

Einer unserer Ansätze der Nanokapsel-Herstellung beruht auf der Verwendung von Liposomen, die mit kationischen Polymeren beschichtet werden. Eine sehr einfache Methode der Liposomenherstellung ist es, Lecithin in z.B. Propylenglykol aufzulösen. Dann wird diese Lösung in einer gepufferten Wasserlösung dispergiert und somit eine multilamellare Liposomendispersion mit einer Größe von in der Regel ca. 200 nm erhalten. Der anionische Charakter der Liposomen wurde durch Zetapotenzial-Messungen bestätigt. Bei kationischen Polymeren (Chitosan, modifizierter Stärke, einigen Polyquaterniumpolymeren, etc.) induziert die Wechselwirkung mit der Liposomenoberfläche ein positives Zetapotenzial. Diese beschichteten, kationischen Liposomen sind Nanokapseln von einer Größe von ca. 200 nm. In Abbildung 1 (unten rechts) sind Lecithin-basierte Liposomen dargestellt (Transmissionselektronenmikroskopiebild).

Diskussion

Primasponge® (Agar-Chitosan-Alginat-basierte Millikapseln, mit dem bloßen Auge sichtbar) können mit einer Vielzahl verschiedener Wirkstoffe beladen sein, die oft lipophil oder fest sind. Diese können Öle, Vitamine, Duftstoffe, Peeling-Partikel oder Pflanzenextrakte sein. Primasponge®-Kapseln werden als Vehikel für diese Wirkstoffe in einer Vielzahl von Marktprodukten eingesetzt. Beispiele hierfür sind Duschgels, Cremes, Gesichtspeelings und flüssige Geschirrreiniger. Die Primasponge®- Kapseln ermöglichen es, Wirkstoffe mit einer bestimmten Inkompatibilität gegenüber anderen Komponenten zu verarbeiten, die auch Bestandteile der Formulierung sind. Weiterhin können Primasponge®-Kapseln, die ein Öl enthalten, in einem transparenten Gel eingearbeitet werden, ohne dass das Öl in das Gel emulgiert werden muß. Letztlich steht dabei auch der ästhetische Effekt im Vordergrund, der gelingt, wenn die farbigen Kügelchen sich in dem kosmetischen Produkt auflösen.

Die Freisetzung der Wirkstoffe wird ausgelöst, wenn die Kapseln während der Anwendung beispielsweise einer Creme auf der Haut verrieben werden. Für Hautpflegeanwendungen ist es wichtig, dass die Kugeln ohne Rückstände verschwinden, sobald sie auf die Haut gelangen und verrieben werden. Dieses ist dadurch zu erreichen, dass das Verhältnis zwischen den drei wichtigsten Komponenten Agar, Chitosan und Alginat gut ausbalanciert wird. Das Verhältnis kann unterschiedlich sein je nach Menge und Art der anderen Komponenten (Wirkstoffe, Öle, etc.) und in Abhängigkeit von der Härtung (im Wesentlichen der Ca+2-Konzentration).

Primasphere® : Chitosan/ CMC-basierte Mikrokapseln

Primasphere® auf der Basis von Chitosan/ CMC (Mikrokapseln) kann mit lipophilen Wirkstoffen gefüllt sein. Ein gutes Beispiel hierfür sind Retinol-Mikrokapseln. Retinol ist ein Wirkstoff mit Anti-Aging-Charakter, der auch vor durch UV-Licht hervorgerufene Hautschädigungen schützt. Retinol (all-trans-Retinol) ist ein sehr empfindliches Vitamin, das schnell oxidiert oder durch Isomerisierung der Transdoppelbindungen thermisch abgebaut wird. Retinolester (z.B. Palmitat) sind stabiler als die reinen all-trans-Isomere, haben aber den Nachteil, dass sie weniger aktiv sind (4).

Eine Verkapselung von Retinol (Retinol Primasphere® ) verstärkte die thermische Stabilität in kosmetischen Cremes bis um das 10-fache (siehe Darstellung in Abbildung 2). Die Abgabe wird durch Hautenzyme induziert, die die Umhüllung abbauen und das Retinol allmählich freigesetzen, so dass eine fortwährende und lang anhaltende Abgabe erreicht wird (4).

Abbildung 2

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Stabilität einer O/W-Emulsion. Freies Retinol (2 rechte Säulen) versus einer O/W-Emulsion mit Retinol-Mikrokapseln (3 linke Säulen) bei 45° C nach 1 Jahr. Retinolkonzentration wurde mit HPLC-Analyse mit UV/ VIS-Detektor gemessen und wird als Prozentanteil von Retinol im Vergleich zur ersten Konzentration dargestellt. Nach 1 Jahr bei 45° C sind 60 % der ursprünglichen all-trans-Retinols erhalten (4).



Primasphere® : Gelatine/ CMC-basierte Mikrokapseln

Primasphere® , Gelatine/ CMC- basierte Mikrokapseln, die mit Duftstoffen beladen sind, können über verschiedenen Hilfsmitteln wie Glas, Papier oder Stoff getrocknet werden und ergeben somit Trockenkapseln. Beim Verreiben wird das Öl oder Parfüm freigesetzt (Duftkapseln). Diese Kapseln haben negative Zetapotenziale, die durch Beschichtung mit kationischen Polymeren kationisch werden, wie oben für kationisch beladene Liposomen beschrieben wird. Hier könnte aufgrund der negativen Oberflächenspannung dieser Substrate eine interessante Anwendung in den Bereichen Hautpflege und Textilien entstehen, um die Affinität zwischen Kapsel und Haut bzw. Textil zu verbessern.

Primasys® : Chitosan/ CMC- basierte Nanokapseln

Da Chitosan/ CMC-Nanokapseln auf der Beschichtung einer O/W-Emulsion beruhen, ist ein logischer nächster Schritt die Entwicklung von Nanokapseln auf der Grundlage einer ähnlichen Technologie. Dies wird durch die Nanoemulgierung eines ölhaltigen Wirkstoffes oder einer ölhaltigen Lösung erreicht. Triclosan ist ein Beispiel für eine Nanoverkapselung. Sobald Triclosan (rein oder in geeigneten Ölen aufgelöst) nanoemulsifiziert ist, entspricht die Vorgehensweise derjenigen, die oben für Chitosan/ CMC-Kapseln beschrieben wird. Die folgenden Kurven (Abbildung 3) zeigen die Größenverteilung von 1, 2 und 5 Prozent Triclosan-Nanokapsel-Suspensionen, die mittels Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) gemessen wurden. Die Kapselgröße reicht von ca. 50 - 240 nm, in Abhängigkeit von der Beladung mit Triclosan. Als wir versuchten, eine größere Menge Triclosan zu verkapseln, wurden die erhaltenen Nanokapseln größer, einem linearen Trend folgend.

Abbildung 3



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PCS-Analyse der Größe von CMC-Chitosan-Nanokapseln. Wenn der Prozentanteil von Triclosan steigt, werden die Nanopartikel größer.

Primasys®: kationische beschichtete Liposomen

Kationische Liposomen haben eine positive Ladung, die ihre Affinität für Haut und Haare verstärkt. Abbildung 4 (Zetapotenzial-Kurven) zeigt, wie die anionischen Liposomen kationisch werden, wenn das beschichtende kationische Polymer zugefügt wird. Wenn rohe, Lecithin-basierte Liposomen mit hydrolysiertem Milchprotein mit PEG-15 Cocopolyamin beschichtet werden, verlieren sie ihr anionisches Potenzial, werden zuerst neutralisiert und dann kationisch, wenn mehr Cocopolyamin zugegeben wird.

Abbildung 4



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Zetapotenzial-Verteilung von Lecithinliposomen, die mit unterschiedlichen Mengen an PEG-15 Cocopolyamin beschichtet sind. Die Konzentration von PEG-15 Cocopolyamin steigt von links nach rechts.

Ein weiteres Beispiel ist, dass Lecithin-basierte Liposomen mit Gingko-biloba Extrakt beladen und mit PEG-15 Cocopolyamin beschichtet werden. Hier vergrößerte sich die Partikelgröße aufgrund der Beschichtung mit dem Polymer von 300 auf 385 nm, was beweist, dass die Liposomen durch das kationische Polymer beschichtet werden.

Diese Technologie ermöglicht die Verkapselung sowohl von lipophilen als auch wasserlöslichen Wirkstoffen wie Pflanzenextrakten, Proteinen oder Triclosan.

Schlussfolgerungen

Der Einsatz umweltfreundlicher Chemikalien ist ein starker Trend in allen Segmenten des Kosmetikmarktes. Endverbraucher und Formulierer haben die Notwendigkeit erkannt, alle Anstrengungen anzustellen, um sich in kosmetischen Formulierungen auf nachwachsende Rohmaterialien zu konzentrieren.

In den vergangenen Jahren wurden für die Kosmetikindustrie verschiedene kosmetische Vehikelsysteme und zahlreiche Marktprodukte mit Erfolg eingeführt. Primasponge® (mit bloßem Auge sichtbare Kapseln), Primasphere® (Mikrokapseln), Primasys® (Nanokapseln), Lipocutin® und Primasys® Liposomen oder Primasys® (kationische Liposomen) sind Beispiele für solche Transportsysteme von Cognis.

Die Transportvehikel von Cognis beruhen im Wesentlichen auf Biopolymeren oder Biomolekülen wie Chitosan, Agar, Alginat oder Lecithin, oder auf Polymeren, die vollständig oder teilweise aus natürlichen Quellen stammen. Beispiele hierfür sind Carboxylmethylcellulose, ein modifiziertes Zellulosepolymer und PEG-15 Cocopolyamin, das teilweise aus Kokosnuss- und Palmkernöl gewonnen wird.

Viele Wirkstoffe können in den oben beschriebenen Transportsystemen verkapselt werden. As Beispiele sind Vitamine, Duftstoffe, Proteine, Antioxidanzien, Biozide, Antitranspirantien zu nennen.

Die Transportsysteme eignen sich zur Verstärkung verschiedener Eigenschaften, wie z.B. der ästhetischen Erscheinung von Suspensionen mit Kügelchen, Leer-Vesikeln wie Primasponge® und zur Stabilisierung sehr empfindlicher Wirkstoffe wie reinem Retinol (Retinol Primasphere®) oder anderen Vitaminen (z.B. Vitamin E Primasphere®).

Die Vielfalt an Transportsystemen ist in zahlreichen kosmetischen Produkten erfolgreich angewandt worden. Beispiele hier sind Duschgels mit einer Reihe von verkapselten Wirkstoffen, Peeling-Gels und -Cremes, Produkte zum Abnehmen, Anticellulite-Formulierungen, Anti-Aging- und Anti-Falten-Cremes sowie Pflegeprodukte. Darüber hinaus sind auch Produkte für den Haushaltsbereich wie maschinelle Geschirrspülreiniger als Beispiele zu nennen.

Hinweis 1

Primasponge®, Primasphere® , Primasys® sind registrierte Handelsmarken der Cognis-Gruppe.

Hinweis 2

Dieses Thema wurde von Juan-Antonio Asensio unter dem Titel "Eco-friendly cosmetic delivery systems based on natural biopolymers" auf dem 25. IFSCC Kongress in Barcelona (6.-9. Oktober 2008) als Poster präsentiert.

Literatur

[1] Arshady R. Microcapsule Patents and Products, London: Citus Books, 2003.
[2] Rosen MR. Delivery Systems Handbook for Personal Care and Cosmetic Products, Norwich, NY: William Andrew Inc., 2005.
[3] Viladot JL, de Moragas M (2002). Advances in Chitin Science 2002. 6; 181-184.
[4] Viladot JL, Gómez Y, Asensio JA, Hernández A, de Moragas M, Martínez S, Gargano S. IFSCC Magazine 2007. 10(3); 215-223.


Autor



Dr. Juan-Antonio Asensio nahm seine Tätigkeit für Cognis im Jahre 2002 auf. Seitdem arbeitet er im Geschäftsbereich Care Chemicals der Cognis Iberia S.A.U. auf dem Gebiet Transportvehikel für kosmetische Anwendungen. Seit 2007 ist er der technisch Verantwortliche für die Produktserie Primacare. 2003 promovierte Dr. Asensio in Chemie am Institut Químic de Sarrià (Barcelona, Spanien).

Cognis Iberia S.A.U.,
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E-mail: juanantonio.asensio@cognis.com

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(2) Laboratoires Sérobiologiques (Division de Cognis France), 3 Rue de Seichamps, F-54425 Pulnoy (France)ext

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