Ausgabe 23 — November 2000
   

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Ausgabe 23        
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Gastbeitrag Die piezoelektrische Stick-Slip-Methode Wolf Eisfeld
Die Wahrnehmung eines kosmetischen Produktes basiert auf einem komplexen Zusammenspiel der unterschiedlichsten bewussten und unbewussten Sinneseindrücke. Von besonderer Bedeutung sind für die Beurteilung der Produktleistung diejenigen mechanischen Parameter, die vom Verbraucher auf taktilem Wege, also durch Befühlen oder Betasten, wahrgenommen werden. Dazu zählen im Falle der menschlichen Haut Eigenschaften wie Weichheit, Glätte, Rauheit, Klebrigkeit, Elastizität und Flexibilität.

Abbildung 1: Grundlegendes Konzept der piezoelektrischen Stick-Slip-Methode: Die Bewegung der Hand oder eines Fingers bei der Bewertung eines hautkosmetischen Produktes wird durch einen Piezo-Sensor imitiert.

Diese Parameter sind zwar ausgesprochen wichtig für das individuelle Wohlbefinden, unterliegen jedoch einer stark subjektiven Beurteilung, die erhebliche Interpretationsspannen aufweisen kann. Andererseits beschreiben Labormethoden zwar sehr genau einzelne objektiv messbare Aspekte, sind aber ihrerseits wieder streng definierten Randbedingungen unterworfen, und die Ergebnisse lassen sich meist nur teilweise mit der subjektiven Wahrnehmung korrelieren. Aufgrund der aktuellen Gesetzeslage ist es aber geradezu von höchster Bedeutung für ein erfolgreiches kosmetisches Produkt, dass seine ausgelobten Wirkungen vom Verbraucher deutlich erlebt werden können.

Abbildung 2: Stick-Slip-Messanordnung — Der an einer Feder montierte Sensor wird über die Hautoberfläche geführt und ist zur Stabilisierung auf eine Messingplatte aufgeklebt. Der Sensor wird von unten an den Unterarm herangeführt, bis eine definierte Eindrucktiefe erreicht ist. Innerhalb einiger Sekunden wird dann eine 20 mm lange Spur auf der Unterarm-Innenseite durch den Sensor abgefahren. Das vom piezoelektrischen Sensor gelieferte Spannungssignal wird über einen Analog-Digital-Wandler in einen Computer eingelesen und anhand leistungsfähiger Software analysiert. Dabei wird in der Regel für jedes Produkt und jeden Probanden über fünf Messspuren gemittelt. Die Messprozedur ist dabei derart präzis, dass bei aufeinanderfolgenden Datenspuren selbst kleinste Details deckungsgleich reproduziert werden. Wie bei Untersuchungen an der menschlichen Haut gewöhnlich, ist allerdings die Variabilität zwischen den verschiedenen Probanden erheblich, abhängig vom individuellen Hautzustand. Daher wurde bei den vorliegenden Experimenten über 10 Probanden gemittelt.


Die piezoelektrische Stick-Slip-Methode (vom griechischen Wort piézein = drücken) ist ein neues Verfahren für die Beurteilung kosmetischer Wirkungen. Mit ihrer Hilfe kann ein ganzes Spektrum verbraucherrelevanter Hauteigenschaften auf objektive Weise erfasst werden. Dabei wird die streichende Bewegung, die wir bei der Beurteilung unseres Hautzustandes - besonders nach Anwendung eines kosmetischen Produktes - normalerweise mit dem Finger oder der Hand ausführen, durch einen Sensor imitiert. Der Sensor basiert auf dem physikalischen Phänomen der Piezoelektrizität, bei dem geeignete Materialien bereits bei minimalsten Verformungen ein meßbares Spannungssignal erzeugen (Abbildungen 1, 2 und 3). Bei der Auswertung wird aus den Signalen der sogenannte "Effektivwert" berechnet, der ein direktes Maßfür die Höhe des Spannungspegels ist (hohe bzw. geringe Signalamplituden bedeuten entsprechend hohe bzw. geringe Effektivwerte).


Abbildung 3: Auswertung des Stick-Slip-Verfahrens — Verbesserung der Hautglätte durch ein aktuelles Hautpflegeprodukt, abgeleitet von einer 7prozentigen Reduktion von Ueff.

Die Auswertung des Stick-Slip-Verfahrens läßt sich anhand der folgenden Beispiele illustrieren: Nach Auftragen einer geeigneten Creme, welche die Hautstruktur verbessert und die Oberflächenrauheit reduziert, findet man im Stick-Slip-Experiment einen deutlich reduzierten Effektivwert. Wird die Haut dagegen mit einem klebrigen polymeren Emulgator behandelt, so zeigen sich ausgeprägte Spannungsspitzen dort, wo sich der Sensor nach dem Klebenbleiben von der Hautoberfläche wieder losreißt, und damit auch ein deutlich erhöhter Effektivwert. Als Referenz wird stets unbehandelte Haut vermessen, die lediglich mit einer Alkohol-Wasser-Mischung abgetupft wird, um überschüssiges Sebum und Hautschuppen zu entfernen und somit eine Standardisierung herbeizuführen.


Bei der Hautuntersuchung wird die notwendige Verformung des Sensors bei der Bewegung über die Haut dadurch erzielt, dass er an Hindernissen wie Falten oder Erhebungen hängenbleibt, sich losreisst, eine kurze Distanz weitergleitet, erneut hängenbleibt, und so weiter. Es resultiert eine ruck-gleitende Stotterbewegung, die als "Stick-Slip-Effekt" bezeichnet wird.

Stick-Slip-Bewegungen sind normalerweise eng mit akustischen Signalen verbunden. Gibt man die Spannungssignale des Sensors auf einen Lautsprecher, so werden sie als mehr oder weniger angenehmes Kratzgeräusch hörbar, abhängig vom jeweiligen Hautzustand. Daraus ergeben sich ganz neue Möglichkeiten für Claimsupport und Werbung.

Dank ihrer Praxisnähe vermag die piezoelektrische Stick-Slip-Methode eine Brücke zwischen objektiven Labormethoden und subjektiver Wahrnehmung zu schlagen. Darüber hinaus ist die Methode auf in-vivo-Messungen an Probanden zugeschnitten, ohne einen Umweg über Hautmodelle beschreiten zu müssen.

Charakterisierung kosmetischer Ölkomponenten (Emollients)

Bei den bisher durchgeführten Stick-Slip-Experimenten wurde besonders großer Wert auf die Charakterisierung der Effekte von kosmetischen Ölkomponenten gelegt. Die Methode ist sehr gut geeignet, den zeitlichen Verlauf der Wirkung der Ölkomponenten zu verfolgen. So wurden jeweils 20 µl reines Öl auf dem Unterarm der Probanden verteilt und innerhalb von 30 min Messwerte in bestimmten Zeitabständen aufgenommen. Abbildung 4 zeigt die gemessenen Effektivwerte 10 min nach der Behandlung für fünf verschiedene Ölkomponenten aus ganz unterschiedlichen Substanzklassen:

  • Mandelöl
  • Cetiol J 600 (Oleylerucate)
  • Eutanol G16 (Hexyldecanol)
  • Myritol 331 (Cocoglycerides)
  • Cetiol OE (Dicaprylyl Ether)
Cetiol J 600, Cetiol OE, Eutanol G16, Eumulgin B2, Lanette O und Myritol 331 sind Handelswaren der Firma Cognis Deutschland GmbH.


Abbildung 4: Stick-Slip-Daten von Emollients, gemessen 10 min nach Produktauftrag und dargestellt als relative Änderung des Effektivwertes im Vergleich zur Referenz Standardisierung herbeizuführen.


Es wird deutlich, dass die verschiedenen Emollients sehr gut voneinander unterschieden werden können, mit maximalen Änderungen zwischen +15 Prozent und -7 Prozent gegenüber der Referenz (unbehandelte Haut). Ein besonders niedriger und damit vorteilhafter Wert wird für Dicaprylyl Ether (Cetiol OE) gefunden. Das komplette Zeitverhalten über 30 min hinweg ergibt dieselbe Abstufung zwischen den vermessenen Ölen, wobei die Effektivwerte kontinuierlich und für alle Produkte näherungsweise parallel abnehmen. Dieses Verhalten kann wie folgt interpretiert werden: Unmittelbar nach der Behandlung haben sich die Emollients noch nicht durch Spreitung auf der Hautoberfläche verteilt bzw. sind noch nicht in die oberste Hautschicht eingezogen. Dies führt zu einer guten Haftung zwischen Sensor und Hautoberfläche und damit zu einem erhöhten Signalpegel (hoher Effektivwert). Der Effektivwert nimmt dann im Verlauf der Zeit aufgrund von Spreitung und Absorption ab und zeigt damit eine zunehmende Hautglätte an, die beispielsweise nach 30 min für besonders günstige Komponenten wie Dicaprylyl Ether (Cetiol OE) um etwa 12 Prozent verbessert ist.

Mit Hilfe solcher Daten lassen sich nun weitere Ölkomponenten in ein Klassifikations-Schema einordnen. Die kaskadenartige Abstufung der Stick-Slip-Werte, die auch für weitere Emollients bestätigt werden konnte, legt die Nähe zum Konzept der Spreitkaskade, wie es von Ansmann und Mitarbeitern entwickelt wurde, nahe. Dabei werden Emollients über sensorische Tests anhand ihres Hautgefühls klassifiziert. Die Frage, ob Spreitkaskade und Stick-Slip-Messungen miteinander korreliert werden können, bedarf allerdings weiterer Untersuchungen. Es bieten sich in jedem Falle Formulierungskonzepte an, bei denen Öle mit niedrigen, mittleren und hohen Stick-Slip-Werten kombiniert werden, um ein besonders vorteilhaftes und anhaltendes Gefühl der Hautglätte zu erzielen. Von großer Wichtigkeit ist die Frage, welche Bedeutung die gemessenen Stick-Slip-Parameter, z.B. der Effektivwert, haben und ob sie mit physikochemischen Materialkonstanten wie Viskosität, Spreitwert oder Molekulargewicht korreliert werden können. Ohne auf Einzelheiten einzugehen, kann festgestellt werden, dass zwar gewisse Abhängigkeiten bestehen (so sinken die Spreitwerte mit steigendem Effektivwert, und niedrige/hohe Viskositäten bedingen niedrige/hohe Effektivwerte); diese sind aber nicht eindeutig und erlauben bestenfalls eine grobe Klasseneinteilung. Diese Befunde begünstigen sicherlich den Einsatz des piezoelektrischen Stick-Slip-Verfahrens, denn ein verhältnismäßig aufwendiges In-Vivo-Experiment wäre sinnlos, wenn die einfache Messung einer Materialkonstanten zur Produktcharakterisierung ausreichen würde. Der eigentliche Wert der Methode aber offenbart sich, wenn wir auf die eingangs aufgestellte Forderung zurückkommen, dass eine Testmethode insbesondere dann relevant ist, wenn sie vom Verbraucher wahrnehmbare Produkteigenschaften abbildet.

Nach Abschluss einer jeden Messreihe wurden die Versuchspersonen um eine subjektive Bewertung des jeweils aufgetragenen Emollients gebeten. Dabei wurde im wesentlichen eine taktile Beurteilung vorgenommen, indem mit der rechten Hand über die behandelte Fläche des linken Unterarms gestrichen wurde und die wahrgenommenen Eindrücke im folgenden in freien Worten ausgedrückt wurden. Es zeigte sich, dass diese Bewertungen in zwei Hauptaspekte "Hautgefühl" und "Produktrückstand auf der Hautoberfläche" klassifiziert werden konnten. So wurden beispielsweise für Dicaprylyl Ether (Cetiol OE) ein angenehmes Hautgefühl und sehr gute Absorptionseigenschaften gefunden, während Oleylerucate (Cetiol J 600) deutliche Rückstände hinterließ, die zum Teil als klebrig und ölig beurteilt wurden. Auf Basis dieser subjektiven Bewertungen wurden die untersuchten Emollients in eine Reihenfolge gebracht, und zwar in einer Kombination der Kriterien "abnehmende Rückstände" und "verbessertes Hautgefühl". Als - möglicherweise auf den ersten Blick überraschendes - Ergebnis zeigte sich, dass die resultierende Reihenfolge mit derjenigen aus den Stick-Slip-Messungen in ausgesprochen hoher Übereinstimmung ist. Erwartungsgemäß ist aufgrund der "weicheren" subjektiven Daten die Abstufung bei der individuellen Befragung nicht ganz so scharf wie bei den objektiven Messergebnissen. Es kann jedoch festgestellt werden, dass die Stick-Slip-Methode quantitative und objektive Werte liefert, die ganz offensichtlich mit der subjektiven Verbraucherwahrnehmung in engstem Zusammenhang stehen. Die Objektivierung eines so komplizierten Begriffs wie "Hautgefühl" erhält so eine ganz neue Perspektive. Die vorgestellten Korrelationen dürften also in Zukunft von hohem Wert bei der Beurteilung kosmetischer Rohstoffe, Formulierungen und Endprodukte sein, insbesondere bei Anwendungen im Bereich Skin Care.

Die piezoelektrische Stick-Slip-Methode ist natürlich nicht nur zum Test von kosmetischen Rohstoffen geeignet, sondern kann vielmehr zur Untersuchung der Produktwirkung von Formulierungen aller Art herangezogen werden. So wurde beispielsweise Dicaprylyl Ether (Cetiol OE) oder Oleylerucate (Cetiol J600) in eine sehr einfachen Emulsionsgrundlage eingearbeitet (18% jeweiliges Emollient; 2% Ceteareth-20 (Eumulgin B2); 4% Cetearylalkohol (Lanette O); 76% Wasser). Wie Abbildung 5 zeigt, weisen beide Formulierungen einen sehr niedrigen und damit günstigen Effektivwert auf; bedingt durch das Einziehen der Emulsion in die obere Hautschicht ist der Effekt nach 15 min sogar noch ausgeprägter als nach 5 min (Verbesserung um bis zu 15%). Verglichen mit den Werten für die reinen Rohstoffe (Abbildung 4) sind die in der Formulierung gefundenen Effektivwerte für beide Ölkomponenten deutlich niedriger, der Hautglättungseffekt also signifikant höher.


Abbildung 5: Stick-Slip-Daten von Basisformulierungen mit Zusatz von Emollients (18%), gemessen 5 bzw. 15 min nach Produktauftrag und dargestellt als relative Änderung des Effektivwerts im Vergleich zur Referenz.



Ausblick

Anhand der vorgestellten Beispiele konnte deutlich gemacht werden, dass mit Hilfe der Stick-Slip-Methode objektive Daten über subjektiv wahrgenommene taktile Eigenschaften menschlicher Haut gewonnen werden können, wobei die Übereinstimmung mit den subjektiven Befunden außerordentlich hoch ist. Das Konzept, die zwei physikalischen Prinzipien der Piezoelektrizität und der Stick-Slip-Bewegung zu kombinieren und durch einen entsprechenden Sensor die Bewegung eines menschlichen Fingers über die Haut nachzuahmen, hat sich demnach als tragfähig erwiesen. Eine kosmetische Behandlung, die auf die spezifische Modifizierung der Haut-Oberflächeneigenschaften hinzielt, kann damit ebenso spezifisch nachgewiesen werden. Hieraus ergeben sich nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zum Testen hautkosmetischer Rohstoffe und Formulierungen. Es konnte gezeigt werden, dass die Stick-Slip-Spannungssignale durch ein breites Spektrum von Hauteigenschaften beeinflusst werden, u.a. Glätte, Rauheit, Weichheit, Elastizität, Flexibilität, Klebrigkeit, Wachsigkeit und Absorptionsvermögen. Ohne Zweifel ist der Effektivwert nicht spezifisch genug, um zwischen diesen oft schwer unterscheidbaren Eigenschaften zu differenzieren. Für zukünftige Untersuchungen müssen also trennscharfe Parameter aus den Messsignalen extrahiert werden, die den unterschiedlichen Hautcharakteristika verlässlich zugeordnet werden können. Sehr gute Möglichkeiten, die bisher erst ansatzweise genutzt werden konnten, bestehen hier zum Beispiel in einer Frequenzanalyse der Signale über eine Fouriertransformation. So zeigt eine klebrige Hautoberfläche mit ausgeprägten Stick-Slip-Signalen ein viel komplexeres Frequenzspektrum als etwa unbehandelte Haut.


Literatur

Eisfeld, W.; Busch, P.; Das Stick-Slip-Verfahren - eine neue Methode zur sensorischen Bewertung taktiler Hauteigenschaften, Conference Proceedings 46. Kongress der SEPAWA, Bad Dürkheim, 116-123 (1999)
Eisfeld, W.; Vienenkötter, T.; Kara, Y.; Busch, P.; Evaluation of Tactile Skin Properties by Piezoelectric Sensors; SÖFW-Journal, 125, 9 (1999) 2-12

Autor

Dr. rer. nat. Wolf Eisfeld



Dr. Wolf Eisfeld studierte Physik in Freiburg und Göttingen und promovierte am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie [über laserspektroskopische Untersuchungen an bakteriellen Proteinen]. Seit 1996 arbeitet er als Laborleiter [in der Abteilung "Biophysik/Sensorik/Chemie Haar"] innerhalb der chemischen Forschung der Henkel KGaA. Sein Aufgabengebiet umfasst die Entwicklung von Messmethoden für kosmetische Wirknachweise [an Haar und Haut sowie für Wasch- und Reinigungsmittel]. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf Wahrnehmungs- und sensorischen Phänomenen im Spannungsfeld zwischen objektiven Labormethoden und subjektiver Verbrauchererfahrung.

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