Emulsioni multiple A/O/A

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1 ARTICOLI Emulsioni multiple /A Una fase dispersa in una fase dispersa* Parole chiave Stabilità Compatibilità Miryam DePascalis, Hossein Sedghi-Zadeh Università di Ferrara 'C è un solo momento in cui un emulsione è stabile: quando è completamente separata' W Gibbs INTRODUZIONE Si definiscono emulsioni multiple quelle nelle quali una fase dispersa contiene a sua volta una fase dispersa. Così un emulsione /A è un sistema in cui le goccioline di acqua sono disperse nelle goccioline di olio che a loro volta sono dispersei in fase acquosa più esterna. Incidenza dell adsorbimento sull emulsione Irving Langmuir (Nobel per la chimica 1932, per le scoperte e indagini nell ambito della chimica delle superfici) ha detto che all interfacies le molecole adsorbite formano una pellicola monomolecolare condensata sui globuli dispersi dove la testa idrofila dell emulsionante si dispone verso la fase acqua, mentre la coda apolare lipofila si orienta verso la fase olio. Pertanto il valore dello strato monomolecolare è direttamente proporzionale al tipo dell emulsionante impiegato e dalla lunghezza di legame della catena lipofila. Considerando un globulo di fase dispersa, con diametro ottimale di 2μ ricoperto da uno strato monomolecolare di emulsionante la cui frazione idrocarburica ha lunghezza h, la quantità E q di emulsionante adsorbita parziale per emulsionare 100 g di fase dispersa è legata nella relazione: E q = 100 ρe/ρd * 3h/ 1-0,05 (HLB) Dove: ρe = densità dell emulsionante, ρd = densità della fase dispersa h = lunghezza della catena idrocarburica dell emulsionante espressa in µ; HLB = valore numerico dell equilibrio idrofilo lipofilo secondo Griffin posseduto dall emulsionante e richiesto dalla fase dispersa per l emulsione ottima (1) La concentrazione delle molecole di tensioattivo alla superficie limite tra le fasi è dominata dalla regola di eccesso di superficie di W Gibbs e dal rapporto tra concentrazione e tensione superficiale dell emulsionante. La precedente quantità di E q non è sufficiente a determinare l emulsione ma occorre un eccesso di tensioattivo Γ, espresso dall equazione fondamentale che governa il fenomeno di adsorbimento, ossia l isoterma di Gibbs: Γ = - c/rt*dγ/dc Γ = eccesso di tensioattivo all interfacies (variazione di concentrazione); γ = tensione interfacciale; c = concentrazione dell emulsionante nella fase continua Il segno 'meno' significa che si manifesta l adsorbimento positivo con l abbassamento della tensione superficiale e viceversa. Per i comuni emulsionanti Γ = 0.4, espresso in percentuale minima in peso di emulsionante che deve essere presente nella fase continua di equilibrio (1,2). MATERIALI E METODI Il lavoro è stato svolto presso il Centro Ricerche di Sinerga (Pero, MI), in tre fasi consecutive: 1 studio e analisi strutturale e chimico fisica delle materie prime da utilizzare sia per la formulazione delle emulsioni che per le emulsioni. Sono stati passati al vaglio i differenti additivi reologici da poter utilizzare e la eventuale frazione lipofila, la sua semplicità o eventuale complessità. *Tesi di master di II livello in Scienza e Tecnologia Cosmetiche, Università di Ferrara *Centro Ricerche Sinerga Cosmetic Technology (4) 17-21

2 ISO 9001:2008 Luca Bardi, Gianluca Magro 2 scelta del tipo di tecnica formulativa per permettere anche attraverso le analisi con strumentazioni specifiche di poter convenire la reale riuscita delle emulsioni /A. 3 analisi delle emulsioni al Turbiscan per la stabilità nel tempo delle emulsioni stesse. Principi fondamentali per la messa a punto delle emulsioni plurifasiche /A sono:? impiegare un emulsionante a basso valore di HLB (circa 4-5), per la preparazione di un emulsione concentrata stabile;? utilizzare un secondo emulsionante, ad alto valore HLB (circa 12-14), per trascinare, l emulsione primaria, all interno di una emulsione secondaria avente la fase acquosa esterna. Operativamente si procede secondo: Fase 1 preparazione dell emulsione A1 O interna; Fase 2 realizzazione del sistema multifasico attraverso la realizzazione di un emulsione receiver, nella quale 'internalizzare' A1/O, per ottenere A1 2. Tanto più fluido sarà il sistema, tanto più agevole sarà l incorporazione di questo nell emulsione secondaria. Per stabilire che l emulsione fosse realmente riuscita sono state effettuate tutta una serie di prove per poter definire reale l emulsione /A quali: Prova con i coloranti Sono stati analizzati due coloranti Green IC 788 (Lipofilo) e Clorofillina (Idrofilo) La sistematica è stata effettuata preparando due becker nei quali sono stati messi anaparti di acqua ed Ethylhexyl isononanoate (Dermol 89) ed è stato osservato in maniera chiara il coefficiente di ripartizione dei due coloranti. Green IC 788 si scioglie colorando l Ethylhexyl isononanoate, al contrario la Clorofillina si scioglie in acqua colorando la fase idrofila. Sull emulsione finita è stato aggiunto il colorante lipofilo Green IC 788, che non si disperde e rimane sottoforma di microgranuli, mentre il colorante idrofilo Clorofillina si scioglie completamente colorando la crema. Prova di gelificazione Un'altra prova molto facile e veloce da realizzare è quella di aggiungere all emulsione finita 0.8 g di Hydroxyethylcellulose (Natrosol) ogni 100 g di emulsione. Si assisterà ad una gelificazione solo ed esclusivamente se la fase esterna è quella acquosa. Reazione di Maillard Per reazione di Maillard si intende una serie complessa di fenomeni che avviene a seguito dell interazione con la cottura di zuccheri e proteine. Le reazioni sono piuttosto complesse ed eterogenee, ma attraverso la formazione di un intermedio (composto di Amadori) si ottengono diverse sostanze quali le melanoidine dall odore e dal colore caratteristico. Per comprovare ancora una volta che la fase esterna fosse acquosa è stato utilizzato come zucchero del Glucosio e come proteina la Carnosina da aggiungere all'emulsione finita. Tenendo presente che il PM del Glucosio è 180 mentre quello della Carnosina è 256. M glucosio/180 = M carnosina/256 A questo punto stabilito che per ogni 100 g di emulsione devono essere aggiunti 1 g di Glucosio e 0.70 g di Carnosina si procede all allestimento della prova in bianco per fissare bene sia dal punto di vista visivo che olfattivo come la prova deve riuscire. Si prendono due vetrini da orologio e si stendono due strati sottili di emulsione così costituiti:? 50 g di emulsione g di Glucosio g di Carnosina? 50 g di emulsione + 1 g di Glucosio g di Carnosina Glucosio e Carnosina sono stati ben dispersi in maniera omogenea nell emulsione. I vetrini da orologio sono stati posti in stufa a 50 C ed osservati giornalmente. Essendo le emulsioni /A dei sistemi particolarmente complessi l'evaporazione dell acqua è piuttosto lenta in quanto intrappolata nei sistemi dipolari e saldamente trattenuta: la colorazione bruna si è evidenziata solo al terzo giorno comprovando comunque che la fase esterna è sempre quella acquosa. Gradiente Osmotico La presenza di un gradiente osmotico può determinare un movimento di acqua da una fase verso l altra, fino alla formazione di un sistema bifasico. Ideale è mantenere la pressione osmotica nella fase continua esterna leggermente più bassa di quella che caratterizza i droplet d acqua in fase interna (3). Secondo questa teoria sono state misurati con il phmetro la migrazione degli elettroliti e il valore degli stessi. La preparazione in due fasi ha permesso di valutare che nella costituzione della fase non è misurabile il ph, mentre per l' si può eseguire la misurazione degli elettroliti. Stessa cosa è stata fatta quando le due emulsioni sono state miscelate per costituire l /A. In tutte le misurazioni è stato evidenziato un valore leggermente inferiore di elettroliti ad appannaggio di una maggiore stabilità delle emulsioni nel tempo. ph Per la determinazione del gradiente osmotico, la cui importanza è fondamentale, sia per stabilire che l emulsione /A sia realmente avvenuta, sia per la sua stabilità nel tempo, si utilizza il phmetro. Dal ph infatti dipende non solo la stabilità delle emulsioni, ma anche la reattività nei confronti di pelle e mucose (4). Con questo strumento e con la stessa metodica è possibile misurare la variazione degli elettroliti. Le analisi sono state svolte sia sull emulsione, dove non è mai stata evidenziata conducibilità elettrica, sia sull emulsione con relativa annotazione del ph e dei mv, che sull emulsione finale /A, dove sono state rilevate le variazioni del ph e degli mv. Sulla superficie dell elettrodo di vetro, posto a contatto con il sistema da analizzare, si verifica uno scambio ionico; tale scambio genera una differenza di potenziale che è funzione del ph del sistema. Gli emulsionanti utilizzati per la formulazione di emulsioni sono stati: Cetyl PEG/PPG-10/ 1 Dimethicone (Abil EM 90) (non ionico); PEG-30 Dipolyhydroxystearate (Arlacel P135) (anionico/non ionico); Polyglyceryl-2 Dipolyhydroxystearate (Dehymuls PGPH) (non ionico) Vol 12(4)

3 Gli emulsionanti utilizzati per la formulazioni nelle sono stati: Potassium Cetyl Phosphate (Amphisol K) (anionico); Sodium Cetearyl Sulfate (Lanette E) (anionico); Glyceryl Stearate, Cetearyl Alcohol, Stearic Acid, Sodium Lauroyl Glutamate (Protelan ENS) (non ionico); Polyglyceryl-6 Distearate (Plurol Stearique) (non ionico); Sucrose Stearate, Sucrose Distearate (Sucro Ester 7) (non ionico); Lauryl Glucoside, Polyglyceryl-2 Dipolyhydroxystearate, Glycerin (Eumulgin VL 75) (non ionico); Potassium Palmitoyl Hydrolyzed Wheat Protein, Glyceryl Stearate, Cetearyl Alcohol (Phytocream) (emulsionante non ionico a cristalli liquidi); Polyglyceryl-3 Methylglucose Distearate (Tego Care 450) (non ionico); Cocamidopropyl Betaine (Amphotensid B4) (tensioattivo anfotero) (4,5). RISULTATI Per tutte le emulsioni sotto citate sono stati effettuati in maniera selettiva tutti i test citati in Materiali e Metodi per comprendere che l emulsione potesse essere denominata /A, valutando anche la stabilità con Turbiscan (6). Tutti gli emulsionanti hanno dato buoni risultati indipendentemente dalla concentrazione utilizzata. In realtà la reale fattibilità delle emulsioni /A è stata determinata dalla scelta dell emulsionante e pertanto sono state evidenziate differenze in base al tipo scelto e alla concentrazione utilizzata. Esiti negativi si sono ottenuti con Potassium Cetyl Phosphate, Sodium Cetearyl Sulfate, Glyceryl Stearate, Cetearyl Alcohol, Stearic Acid, Sodium Lauroyl Glutamate, Polyglyceryl-6 Distearate, Sucrose Stearate, Sucrose Distearate. Gli emulsionanti anionici, come Potassium Cetyl Phosphate e Sodium Cetearyl Sulfate, non possono essere utilizzati in quanto la natura ionica e la reazione basica comportano evidentemente interferenze di ordine chimico e fisico ed impongono notevoli limiti all uso di questi emulsionanti. Abbiamo ottenuto un discreto risultato impiegando Glyceryl Stearate, Cetearyl Alcohol, Stearic Acid, Sodium Lauroyl Glutamate al 5%. Miscele particolari come la precedente ed altre dove HLB non è molto forte, o meglio ne è difficile il suo calcolo, fanno in modo che emulsionanti che sono molto forti portino ad una inversione di fase facendo tornare ad essere la stessa un'emulsione. Con lo stesso 5% di Glyceryl Stearate, Cetearyl Alcohol, Stearic Acid, Sodium Lauroyl Glutamate ed un 2% di Cetyl PEG/PPG-10/ 1 Dimethicone abbiamo avuto un buon risultato comprovando la teoria esposta precedentemente. Emulsione 1 Sicuramente con il Polyglyceryl-6 Distearate abbiamo avuto modo di lavorare ad ampio spettro, proprio perché avevamo supposto che il fattore limitante la stabilità nel tempo fosse l emulsionante e lo abbiamo utilizzato sia a diverse concentrazioni, che con le tre variabili a disposizione come emulsionante. Validi risultati si sono ottenuti con un importante non ionico quale: Lauryl Glucoside, Polyglyceryl-2 Dipolyhydroxystearate, Glycerin il quale sia al 3% con Polyglyceryl-2 Dipolyhydroxystearate (Allegato 1, Emulsione 1), sia al 4% con Cetyl PEG/PPG-10/ 1 Dimethicone ha dato due emulsioni stabili nel tempo. Allegato 3 Fasi Ingredienti % Nome INCI Nome commerciale 1 Polyglyceryl-2 dipolyhydroxystearate Dehymuls PGPH 4 2 Cetearyl isononanoate Cetiol SN 9 3 Phenoxyethanol, Methylparaben, Fenossiparaben 0,8 Ethylparaben, Propylparaben, Butylparaben 4 Quaternium 18 hectorite Bentone 38 0,5 5 Magnesium sulfate MgSO4 0,25 6 Aqua Acqua 35,45 7 Lauryl glucoside, polyglyceryl-2 Eumulgin VL75 3 dipolyhydroxystearate, glycerin 8 Xanthan gum Keltrol CG 0,15 9 Imidazolidinyl urea Gram 1 0,3 10 Aqua Acqua 46,55 Metodo di preparazione Emulsione A Dosare 2 sciogliere 4; aggiungere 1 e 3 e portare a 70 C B Dosare 6 e sciogliere 5 e scaldare fino a 70 C A Dosare 10, portare a 70 C e disperdervi 8 B Dosare 7 e riscaldare fino a 70 C Unire B a filo ad A sotto turbo sa 40 C inserire 9 (sciolto in acqua) Fluido Bianco PH 6.75; /A 6.6 (temp ambiente, spindle 2) 9000 Pressione osmotica 119.4; /A Vol 12(4) 19

4 ISO 9001:2008 Luca Bardi, Gianluca Magro Risultati ottimali si sono ottenuti sia con PEG-30 Dipolyhydroxystearate / Polyglyceryl-3 Methylglucose Distearate (Allegato 2, Emulsione 2) e Cetyl PEG/PPG-10/ 1 Dimethicone / Polyglyceryl-3 Methylglucose Distearate, sia utilizzando concentrazioni del 2 e del 5% di Polyglyceryl-3 Methylglucose Distearate. Sorbitan Stearate, Sucrose Cocoate al 2.5% con PEG-30 Dipolyhydroxystearate 1% ha dato un emulsione stabile, mentre non era stabile al 3% con Polyglyceryl-2 Dipolyhydroxystearate; anche se in linea generale tra i due emulsionanti quello che ha dato evidenza di maggiore versatilità è stato Allegato 2 Emulsione 2 Fasi Ingredienti Nome INCI Nome commerciale % 1 PEG-30 dipolyhydroxystearate Arlacel P Dimethicone SF Olea europaea oil unsaponifiables Pantrofina olive 10 4 Phenoxyethanol, Methylparaben, Fenossiparaben 0.8 Ethylparaben, Propylparaben, Butylparaben 5 Quaternium-18 hectorite Bentone Magnesium sulfate MgSO Aqua Acqua Polyglyceryl-3 methylglucose Tego care distearate 9 Xanthan gum Keltrol CG Imidazolidinyl urea Gram Aqua Acqua 44.4 Metodo di Preparazione Emulsione A Dosare 3 e sciogliere 5; aggiungere 1 e 4 e portare a 70 C e infine dosare 2 B Dosare 7 e sciogliere 6 e scaldare fino a 70 C A Dosare 11 e disperdervi 9 B Dosare 8 e riscaldare fino a 80 C Unire A a B, turbare e raffreddare a bagnomaria l'emulsione fino a 20 C a 40 C inserire 10 (sciolto in acqua) consistente bianco beige ph 6.90; /A 6.56 (temp ambiente, spindle 1) Pressione osmotica 120.9; /A sicuramente il PEG-30 Dipolyhydroxystearate, che ha dimostrato un eccellente funzionalità proprio nei processi a due fasi. Il polimerico PEG-30 Dipolyhydroxystearate, una volta costituita l emulsione primaria, forma una barriera protettiva interna per quanto riguarda le goccioline di acqua, portando all ottenimento di emulsioni particolarmente stabili. Potassium Palmitoyl Hydrolyzed Wheat Protein, Glyceryl Stearate, Cetearyl Alcohol (Phytocream) ha evidenziato buoni risultati con PEG-30 Dipolyhydroxystearate (Allegato 3, Emulsione 3), emulsionante anionico/non ionico. Positiva infine la prova ottenuta utilizzando un tensioattivo vero e proprio come Cocamidopropyl Betaine con l emulsionante Cetyl PEG/PPG-10/ 1 Dimethicone che ha dato un emulsione molto fluida dalla piacevolissima texture. DISCUSSIONE E CONCLUSIONI Le emulsioni /A sono delle strutture che non hanno bisogno di un alto apporto di energia meccanica o di temperatura: sono stati infatti ottenuti ottimi risultati impiegando tensioattivi che potevano essere preparati a freddo. Nel caso venga utilizzato un tensioattivo ionico, si dovrà prendere in considerazione la salinità della fase acquosa, che schermando la carica ionica del tensioattivo lo rende meno idrofilo. Dall isoterma di W Gibbs si ricava che incrementando il volume della fase dispersa, diminuisce in proporzione il volume di fase continua, ma aumenta la quantità di tensioattivo adsorbito sui globuli, per cui indipendentemente dal fatto che possano essere presenti quantità di fasi immiscibili in rapporti diversi, la predetta quantità può essere assunta come necessaria e sufficiente per formare una superficie monomolecolare intorno ai globuli dispersi ed un eccesso di emulsionante, in equilibrio col film, nella fase continua (7). Motivazione per la quale il lieve eccesso di tensioattivo che andava a costituire la fase esterna delle nostre triplici emulsioni ne ha aumentato la stabilità nel tempo non incidendo sulla viscosità né tantomeno sulla texture. In un sistema acqua/olio/tensioattivo non ionico, l incremento di temperatura produce una diminuzione della solubilità in acqua del tensioattivo, dovuta all indebolimento delle forze di interazione tra le molecole d acqua e la porzione idrofila della molecola tensioattiva (8). In altre parole, l aumento di temperatura equivale ad una diminuzione del numero di HLB nei tensioattivi non ionici (come la quasi totalità degli emulsionanti da noi adoperati) e come conseguenza ad un inversione di fase in miscele trifasische come le /A. L ausilio di tensioattivi in grado di creare strutture a cristalli liquidi, fluidi altamente anisotropici che si collocano ai Vol 12(4)

5 limiti della fase solida e la fase liquida isotropica, favoriscono di gran lunga l ottenimento di emulsioni trifasiche. Queste presentano una speciale struttura nella quale le molecole sono impaccate insieme in uno stato condensato e tendono a organizzarsi in parallelo per l azione di specifiche interazioni molecolari. Questa tendenza ad allinearsi viene ridotta dall agitazione termica. Il mantenimento di questa struttura dipende dal bilancio fra i due effetti, un equilibrio molto delicato che può cambiare anche con minime variazioni di temperatura. Il raffreddamento del sistema aumenta le forze che producono l allineamento consentendo alle molecole di formare lo stato solido cristallino (8). I cristalli liquidi presentano le caratteristiche ottiche della forma cristallina quali: birifrangenza e anisotropia alla luce, e meccaniche proprie della forma liquida, quali fluidità e tensione superficiale. Quanto detto è comprovato dal fatto che non si sono ottenute forme stabili con tensioattivi che sono in grado proprio di inibire la cristallizzazione. Le emulsioni /A non sono assolutamente compatibili e lavorabili con tensioattivi di natura anionica: per questi non è stato trovato nessun compromesso. Con la ricerca sistematica eseguita, su questo particolare tipo di emulsioni, abbiamo sicuramente evidenziato che per la loro buona riuscita e stabilità non ha assolutamente inciso la frazione grassa utilizzata, la polarità degli oli non ha inciso sulla stabilità dell emulsione finale. Nello studio svolto abbiamo ipotizzato che in qualche modo l additivo reologico e la sua concentrazione potesse influenzare la stabilità dell emulsione raggiunta: questo falso mito è stato sfatato in quanto anche in questo caso sia l utilizzo del Carbomer che della Xanthan Gum, impiegate a differenti concentrazioni ha dato dei buoni risultati (9). Allegato 3 Emulsione 3 Fasi Ingredienti Nome INCI Nome commerciale % 1 PEG-30 dipolyhydroxystearate Arlacel P Dicaprylyl ether Cetiol OE 11 3 Phenoxyethanol, Methylparaben, Fenossiparaben 0,8 Ethylparaben, Propylparaben, Butylparaben 4 Quaternium 18 hectorite Bentone 38 0,5 5 Magnesium sulfate MgSO4 0,25 6 Aqua Acqua 36,45 7 Potassium palmitoyl hydrolyzed wheat protein, Phytocream 6,5 glyceryl stearate, cetearyl alcohol 8 Carbomer Carbopol ultrez 10 0,3 9 Aminomethyl propanol AMP100 0,25 10 Imidazolidinyl urea Gram 1 0,3 11 Aqua Acqua 42,65 Metodo di preparazione Emulsione A Dosare 2 sciogliere 4; aggiungere 1 e 3 e portare a 70 C B Dosare 6 e sciogliere 5 e scaldare fino a 70 C A Dosare 11, portare a 70 C e disperdervi 8 B Dosare 7 e riscaldare fino a 70 C Unire B a filo ad A sotto turbo Unire infine 9 (sciolto in acqua) operando con pale sino a temperatura ambiente a 40 C inserire 10 (sciolto in acqua) Semiconsistente Bianco PH 6.33; /A 6.22 (temp ambiente, spindle 2) Pressione osmotica 124.7; /A BIBLIOGRAFIA 1 Bonadeo I (1977) Corso di prodotti cosmetici, Cosmetologia e Tecnologie Cosmetiche Ed. Libreria Cortina, Milano, p e Bernardi P (1983) Quantità di un emulsionante in una emulsione Il Prodotto Chimico Novembre Tirnaksiz Figen, Kalsin O (2005) A topical w/o/w multiple emulsions prepared with Tetronic 908 as a hydrophilic surfactant: Formulation, characterization and release study J Pharm Pharmaceutic Sci 8(2) Proserpio G (1999) Chimica e tecnica cosmetica 2000 I e II volume, Sinerga, Rozzano (MI), I vol: p ; ; ; , II vol Proserpio G, Ambreck B (2000) Le emulsioni secondo Darwin: evoluzione delle specie emulsiologiche Milano p 9-26; 35-43; 46-49; Turbiscan Lab User Guide Formulaction 7 O Lenick AJ Jr, Parkinson JK (1997) HLB tridimensionale. Uno sviluppo rivoluzionario che aiuta i formulatori nella scelta dei tensioattivi per emulsioni stabili olio, acqua e silicone Cosmet Toil Ed It Amari S, Bregaglio G (1997) Sorbitan Olivate dall olivo un emulsionante Cosmet Toil Ed It Proserpio G, Ambreck B (2000) La reologia e i detergenti secondo Darwin: evoluzione delle specie reologiche e tensioattive in cosmesi Milano, p 11-15; Vol 12(4) 21