1 Allgemeine Einführung

Es lassen sich mehrere Gruppen kosmetischer Formulierungen unterscheiden: Lotionen, Handcremes (kosmetische Emulsionen), Nanoemulsionen, Mehrfachemulsionen, Liposomen, Shampoos und Haarspülungen, Sonnenschutzmittel und Farbkosmetika. Die Formulierung dieser komplexen Mehrphasensysteme erfordert ein Verständnis der Grenzflächenphänomene und Kolloidkräfte, die für ihre Herstellung, Stabilisierung und Anwendung verantwortlich sind. Die verwendeten Inhaltsstoffe müssen sicher sein und dürfen keine Schäden an den Organen verursachen, mit denen sie in Berührung kommen. Die grundlegenden Prinzipien der Grenzflächen- und Kolloidwissenschaft, die für die Herstellung der kosmetischen Formulierungen verantwortlich sind, müssen berücksichtigt werden.

Kosmetische Mittel und Körperpflegeprodukte sollen in der Regel einen funktionellen Nutzen bieten und das psychische Wohlbefinden der Verbraucher steigern, indem sie ästhetisch ansprechend wirken. So werden viele kosmetische Formulierungen verwendet, um Haare, Haut usw. zu reinigen, einen angenehmen Geruch zu verleihen, die Haut geschmeidig zu machen und mit Feuchtigkeit zu versorgen, vor Sonnenbrand zu schützen usw. In vielen Fällen sind kosmetische Formulierungen so konzipiert, dass sie eine schützende, okklusive Oberflächenschicht bilden, die entweder das Eindringen unerwünschter Fremdstoffe verhindert oder den Wasserverlust der Haut mindert [1, 2, 3]. Um für den Verbraucher attraktiv zu sein, müssen kosmetische Formulierungen strenge ästhetische Anforderungen erfüllen, z. B. in Bezug auf Textur, Konsistenz, angenehme Farbe und Duft, einfache Anwendung usw. Dies führt in den meisten Fällen zu komplexen Systemen, die aus mehreren Komponenten wie Öl, Wasser, Tensiden, Farbstoffen, Duftstoffen, Konservierungsmitteln, Vitaminen usw. bestehen. In den letzten Jahren wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um neuartige kosmetische Formulierungen einzuführen, die dem Kunden große Vorteile bieten, wie z. B. Sonnenschutzmittel, Liposomen und andere Inhaltsstoffe, die die Haut gesund erhalten und vor Austrocknung, Reizung usw. schützen. All diese Systeme erfordern die Anwendung verschiedener Grenzflächenphänomene wie Ladungstrennung und Bildung elektrischer Doppelschichten, die Adsorption und Konformation von Tensiden und Polymeren an den verschiedenen beteiligten Grenzflächen sowie die wichtigsten Faktoren für die physikalische Stabilität/Instabilität dieser Systeme beeinflussen. Darüber hinaus müssen verschiedene Techniken entwickelt werden, um ihre Qualität und Anwendungsmöglichkeit zu bewerten sowie eine Vorhersage der langfristigen physikalischen Stabilität der resultierenden Formulierung zu erlauben.

Da kosmetische Mittel mit verschiedenen Organen und Geweben des menschlichen Körpers in Berührung kommen, ist die medizinische Unbedenklichkeit der Inhaltsstoffe, die in diesen Formulierungen verwendet werden, ein wichtiges Kriterium. Viele der kosmetischen Präparate verbleiben nach dem Auftragen für unbestimmte Zeit auf der Haut, weshalb die verwendeten Inhaltsstoffe keine Allergien, Sensibilisierungen oder Reizungen hervorrufen dürfen. Die verwendeten Inhaltsstoffe müssen frei von Verunreinigungen sein, die toxische Wirkungen haben.

Eines der Hauptinteressensgebiete für kosmetische Formulierungen ist ihre Wechselwirkung mit der Haut [3]. Ein Querschnitt durch die Haut ist in Abb. 1.1 dargestellt [4].

Abb. 1.1: Querschnitt durch die Haut [4].

Die oberste Schicht der Haut, die die menschliche Barriere für den Wasserverlust darstellt, ist das Stratum corneum, das den Körper vor chemischen und biologischen Angriffen schützt [5]. Diese Schicht ist sehr dünn, etwa 30 μm, und besteht zu etwa 10 Gew.-% aus Lipiden, die in Doppelschichtstrukturen (flüssigkristallin) organisiert sind und bei hohem Wassergehalt weich und transparent sind. Eine schematische Darstellung der Schichtstruktur des Stratum corneum, wie sie von Elias et al. [6] vorgeschlagen wurde, ist in Abb. 1.2 zu sehen. In diesem Bild wurden Ceramide als strukturbildende Elemente betrachtet, aber spätere Arbeiten von Friberg und Osborne [7] zeigten, dass die Fettsäuren die wesentlichen Verbindungen für die Schichtstruktur sind und dass sich ein beträchtlicher Teil der Lipide in dem Raum zwischen den Methylgruppen befindet. Wenn eine kosmetische Formulierung auf die Haut aufgetragen wird, interagiert sie mit dem Stratum corneum, und es ist wichtig, die „flüssige“ Beschaffenheit der Doppelschichten aufrechtzuerhalten und ein Auskristallisieren der Lipide zu verhindern. Dies geschieht, wenn der Wassergehalt unter ein bestimmtes Niveau sinkt. Diese Kristallisation hat drastische Auswirkungen auf das Aussehen und die Geschmeidigkeit der Haut („trockenes“ Hautgefühl).

Abb. 1.2: Schematische Darstellung der Struktur des Stratum corneum.

Um die oben genannten Kriterien zu erfüllen, werden „komplexe“ Mehrphasensysteme formuliert [8, 9]: (1) Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W); (2) Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O); (3) Fest-flüssig-Dispersionen (Suspensionen); (4) Emulsions-Suspensions-Gemische (Suspoemulsionen); (5) Nanoemulsionen; (6) Nanosuspensionen; (7) Mehrfachemulsionen. Wie bereits erwähnt, erfordern alle diese dispersen Systeme ein grundlegendes Verständnis der beteiligten Grenzflächenphänomene, wie z. B. der Adsorption und Konformation der verschiedenen Tenside und Polymere, die für ihre Herstellung verwendet werden. Dies bestimmt die physikalische Stabilität/Instabilität dieser Systeme, ihre Anwendung und Haltbarkeit.

Alle oben genannten dispersen Systeme enthalten „Selbstorganisations-Strukturen“ wie (1) Mizellen (kugelförmig, stäbchenförmig, lamellar); (2) flüssigkristalline Phasen (hexagonal, kubisch oder lamellar); (3) Liposomen (multilamellare Doppelschichten) oder Vesikel (einfache Doppelschichten). Sie enthalten auch „Verdickungsmittel“ (Polymere oder partikuläre Dispersionen), um ihre Rheologie zu steuern. Bei all diesen Systemen der Selbstorganisation gibt es eine Grenzfläche, deren Eigenschaften die entstehenden Strukturen und deren Eigenschaften bestimmen.

Die oben genannten komplexen Mehrphasensysteme erfordern ein grundlegendes Verständnis der kolloidalen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Komponenten. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen ermöglicht es dem Formulierungschemiker, die optimale Zusammensetzung für eine bestimmte Anwendung zu finden. Einer der wichtigsten Aspekte ist die Berücksichtigung der Eigenschaften der Grenzfläche, insbesondere der Wechselwirkungen zwischen den Tensiden und/oder Polymeren, die für die Formulierung des Produkts verwendet werden, und der fraglichen Grenzfläche. In den meisten Fällen führen solche Mischungen zu Synergieeffekten im Grenzflächenbereich, was für die einfache Herstellung des dispersen Systems von wesentlicher Bedeutung ist. Die damit verbundenen grundlegenden Prinzipien helfen auch bei der Vorhersage der langfristigen physikalischen Stabilität der Formulierungen.

Im Folgenden wird zunächst eine Zusammenfassung einiger der am häufigsten in Kosmetika verwendeten Formulierungen gegeben:

1. Lotionen (feuchtigkeitsspendende Emulsionen)

Es gibt Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W) oder Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O) (Feuchtigkeits-Cremes, weichmachende Cremes, Tagescremes, Nachtcremes, Gesichtspflege-Cremes usw.). Feuchtigkeitsspendende Lotionen mit hohem Wassergehalt und Körpermilch werden ebenfalls verwendet. Deren Grundstoffe können die in Tab. 1.1 aufgeführten Bestandteile enthalten.

Lotionen werden so formuliert (siehe Kapitel 6 über die Formulierung kosmetischer Emulsionen), dass sie ein scherverdünnendes System ergeben. Die Emulsion hat eine hohe Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten (0,1 s−1) im Bereich von einigen hundert Pa s, aber die Viskosität nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit sehr schnell ab und erreicht Werte von wenigen Pa s bei Schergeschwindigkeiten von mehr als 1 s−1. Diese Lotionen sind meist eher viskos als elastisch, was die Anwendung erleichtert.

2. Handcremes

Diese werden als O/W- oder W/O-Emulsionen mit speziellen Tensidsystemen und/oder Verdickungsmitteln formuliert, um ein Viskositätsprofil ähnlich dem von Lotionen zu erhalten, jedoch mit um Größenordnungen höheren Viskositäten. Die...