Modificatori reologici

In cosmetica per rendere più agevole l’applicazione sulla pelle di un prodotto, può essere utile trasformare un liquido (acqua o olio) in una sostanza gelatinosa; le sostanze che possiedono queste proprietà vengono definite modificatori reologici.

La reologia (dal greco ρɛω, reo=scorro) è una branca della fisica che studia le proprietà di scorrimento dei fluidi e in ambito cosmetico studia il comportamento di una formulazione (ad esempio una crema o un gel) al momento dell’applicazione, quando cioè esce dal suo contenitore e quando viene stesa sulla pelle.

Il comportamento reologico delle formulazioni semisolide quali sospensioni, emulsioni, pomate, paste, gel, influenza direttamente caratteristiche quali versatilità, spalmabilità, spandibilità, che condizionano l’utilizzo del prodotto e quindi le performance finali.

I modificatori reologici sono così detti proprio perché conferiscono al cosmetico la consistenza e la scorrevolezza voluta (viscosizzanti), e sono costituenti fondamentali dei gel (gelificanti); appartengono a classi molecolari diverse tra loro, ma in ogni caso si tratta di polimeri che, una volta dispersi nel solvente, tendono ad intrappolarlo (strutturarlo) in una rete tridimensionale che ne aumenta la consistenza e la densità. Più modificatore reologico si aggiunge alla soluzione, più questa diventerà  viscosa.

La viscosità è un parametro fondamentale per i prodotti cosmetici; essa misura la difficoltà di un fluido allo scorrimento: quanto maggiore è la resistenza al flusso, tanto più alta è la viscosità e tanto più lento è lo scorrimento del liquido, ed è influenzata in modo determinante da temperatura e natura chimica del fluido.

Soltanto alcuni liquidi definiti Newtoniani (ad es. acqua, alcool, glicerina) mostrano una viscosità costante indipendentemente dalla forza di taglio applicata.

La maggior parte dei liquidi invece (detti non Newtoniani) a temperatura costante variano la propria viscosità con il variare della forza di taglio applicata. A questo gruppo appartengono emulsioni, dispersioni colloidali e sospensioni, ovvero tutte quelle formulazioni che interessano il campo cosmetico.

Fra questi si distinguono i  fluidi dilatanti (la viscosità aumenta con l’agitazione; il fluido torna ad essere meno viscoso in condizioni di riposo) dai fluidi pseudoplastici.

Nei fluidi pseudoplastici la viscosità cambia a seconda del modo in cui il fluido si muove e dal modo in cui si agisce su di esso per provocare il movimento. In posizione di riposo mostrano una notevole resistenza interna al flusso, ovvero un’elevata viscosità; applicando una forza di taglio anche modesta (ad esempio esercitando una pressione lieve sul contenitore) si rompono i legami che tengono unite le molecole costituenti il fluido che si allineano nella direzione del movimento e scivolano le une sulle altre; questo determina una diminuzione della viscosità che permette la fuoriuscita del liquido dal contenitore. Per la maggior parte dei liquidi questa condizione è reversibile, ossia il liquido riacquista la sua viscosità originale per cessazione della forza applicata.

La forza di taglio necessaria prima che il fluido scorra è detta Yield Stress (limite di scorrimento), e viene espressa da una unità di misura detta Yield Value (o soglia di scorrimento); più basso è lo Yield Value, più il fluido è scorrevole.

 

Tra i fluidi pseudoplastici esistono diversi comportamenti: in alcuni casi essi divengono meno viscosi quanto più intensa è la sollecitazione meccanica. In altri casi i materiali diventano meno viscosi quanto più lunga è la durata della sollecitazione meccanica:  la viscosità apparente non dipende dunque unicamente dalla forza ma anche dalla durata della sollecitazione applicata e quindi dalla particolare storia reologica del fluido in esame;  essi non hanno un comportamento perfettamente reversibile nel tempo ma riprendono lentamente le caratteristiche iniziali una volta cessata la sollecitazione. Questo fenomeno, dove la viscosità è funzione del tempo, è detto tissotropia (letteralmente cambiamento a seguito di contatto) e caratterizza alcuni fluidi pseudoplastici che, sottoposti a sollecitazione di taglio, variano la loro viscosità passando dallo stato di gel (semisolido) a quello di sol (liquido).

Il comportamento dei sistemi tixotropici dipende dalla loro microstruttura. Essi sono generalmente sospensioni colloidali (quindi dispersioni finissime di particelle solide in un solvente) caratterizzati da particelle non uniformi e asimmetriche che mediante numerosi punti di contatto costituiscono all’interno del mezzo una struttura reticolata tridimensionale di moderata  stabilità ma piuttosto rigida  in stato di quiete (consistenza simile a quella di un gel). In presenza di sforzi di taglio, la struttura si allenta fino a disgregarsi deformando il sistema e rendendolo fluido, scorrevole e meno viscoso (stato di sol). La velocità di questa trasformazione gel-sol può variare molto a seconda della natura del sistema tixotropico e della sua temperatura.

 

Fluidi pseudoplastici

 

 

tempo indipendenti

processo reversibile: cessata l’azione delle forze di taglio riprendono la struttura di partenza

 

Fluidi tixotripici

(trasformazione gel-sol)

tempo dipendenti

non hanno un comportamento perfettamente reversibile nel tempo per cui non riprendono le caratteristiche iniziali attraverso una sequenza inversa

 

Pseudoplasticità e tissotropia sono necessarie quando si vogliono preparazioni cosmetiche (emulsioni, soluzioni, lozioni, gel, paste) che fuoriescano agevolmente dal tubo o dal flacone e che possano essere applicate con facilità  ma che mantengano al contempo una buona consistenza e stabilità all’interno del contenitore.

 

 

Proprietà dei modificatori reologici

ispessenti: aumentano la viscosità

gelificanti: fanno passare una miscela dalla fase liquida a quella di gel

stabilizzanti: mantengono a lungo il sistema disperso

 

 

Principali usi in cosmetica

gelificare sistemi acquosi e oleosi
viscosizzare soluzioni di tensioliti

viscosizzare e stabilizzare le emulsioni (modificando la fase acquosa o la fase oleosa al suo interno)

 

La  scelta del modificatore reologico deve essere condotta tenendo presente diversi fattori quali:

  • caratteristiche chimico fisiche del cosmetico e del modificatore reologico;
  • fase prevalente della formulazione (acquosa oppure oleosa) in relazione alla quale si sceglierà un ingrediente lipofilo oppure idrofilo;
  • presenza di sostanze eventualmente poco compatibili con il modificatore reologico;
  • tipo di preparazione da formulare (gel o emulsione).

 

Nel caso in cui si voglia preparare un gel la polimerizzazione può avvenire tramite variazione di pH, scambio ionico o semplice idratazione;  insieme ad una determinata viscosità in un gel è di fondamentale importanza anche la limpidezza; questa deve essere assolutamente presente, per cui diventa essenziale scegliere un modificatore reologico di alta qualità e performance.

 

Classificazione dei principali modificatori reologici

Gli additivi reologici si dividono in naturali, sintetici e inorganici, si differenziano per la texture che conferiscono al prodotto finito, per la sensibilità al pH del mezzo in cui sono inseriti e per la maggior o minore compatibilità con gli elettroliti.

 

origine e struttura molecolare

naturali: estratti da piante o da microrganismi (gomma xantana, guar, arabica…; alginati; carragenine; agar-agar)

naturali modificati: sintetizzati da materiale organico (derivati della cellulosa, derivati della gomma guar e derivati dell’amido)

sintetici: polimeri acrilici e derivati, polietilene, derivati degli acidi grassi

inorganici: silicati di Mg e Al, silice micronizzata

 

applicazione

per sistemi idrofili (gel, sospensioni, emulsioni O/A)

  • eteri della cellulosa
  • gomme (gomma xantana)
  • alginati
  • carragenine
  • polimeri acrilici e derivati (Carbomer)
per sistemi lipofili (lipogel, oleoliti, emulsioni A/O)

  • silice micronizzata
  • olio di ricino idrogenato
  • stearati di alluminio e zinco

 

 Modificatori reologici naturali

polimeri di natura polisaccaridica ottenuti per estrazione dalle piante o per fermentazione da parte di microrganismi. Si tratta di idrocolloidi capaci di viscosizzare sistemi acquosi in quanto capaci di “idratarsi”quindi di trattenere molecole di acqua nella loro struttura¸ reggono molto bene i sali ma presentano degli svantaggi relativi alla sensorialità del cosmetico.

gomma xanthana

 

si ottiene dal processo di fermentazione del glucosio da parte del microrganismo Xanthomonas campestris; è un polisaccaride ad alto peso molecolare, costituito da blocchi ripetuti di 2 unità di glucosio, 2 di mannosio ed 1 di acido glucuronico, utilizzata principalmente come agente gelificante, stabilizzante delle emulsioni, e come addensante di sistemi su base acquosa come gel doccia e shampoo. La Gomma Xantana è uno dei modificatori reologici naturali più utilizzato; offre il vantaggio di mantenere invariate le sue performance anche in presenza di sali e con il variare del pH della formulazione; crea gel trasparenti e viscosi e possiede una texture piacevole, non appiccicosa.

gomma guar

ottenuta dalla macerazione dei semi di Cyanopsis tetragolobus, costituita da unità di galattosio e mannosio; completamente solubile in acqua, produce gel piuttosto acquosi e fluidi, per cui è principalmente utilizzata come stabilizzante di emulsioni e dispersioni.

alginati

polimeri estratti dalla parete cellulare di alghe brune del genere Ascophillum e Laminaria  ricche di acido alginico che viene poi convertito in un sale (alginato) di sodio, di calcio, di potassio o magnesio; il più usato è l’alginato di sodio, che per gelificare deve essere attivato con cationi bivalenti (doppia carica positiva); molto stabile a pH maggiore di 4,  non va usato in alte percentuali o il gel (o crema) tende a sfarinare.

 

 

carragenine

 

ottenute dalla lavorazione del tallo di diverse alghe rosse come il Carragheen (da cui prendono il nome), sono polisaccaridi formati prevalentemente da residui di galattosio con presenza di gruppi solfato;  i diversi tipi di carragenine differiscono per il numero di gruppi solfato,  aspetto che influenza le caratteristiche reologiche di queste sostanze; le più utilizzate  per le proprietà gelificanti e viscosizzanti sono le tipologie kappa e iota (spesso miscelate tra loro); sono compatibili con sostanze ioniche e non ioniche e stabili in ampi range di pH; sono tuttavia molto suscettibili all’attacco di microrganismi per cui richiedono una buona copertura antimicrobica.

 

Modificatori reologici naturali modificati

 

eteri della cellulosa

 

elaborati a partire da cellulosa ottenuta dal cotone e dalla polpa del legno; a seconda del tipo di eterificazione si distinguono:

  • idrossietilcellulosa (etossilazione)
  • metilcellulosa (metilazione)
  • idrossipropilcellulosa (propossilazione)
  • carbossimetilcellulosa sodica (carbossilazione)
  • idrossipropilmetil cellulosa (metilazione e propossilazione

il potere reologico degli eteri della cellulosa dipende dal grado di polimerizzazione, dal numero di ossidrili eterificati e della distribuzione delle sostituzioni lungo la catena che può essere uniforme o irregolare; tutto questo determina la maggiore o minore solvatabilità e capacità gelificante. Ogni derivato della cellulosa potrà quindi possedere viscosità elevata (forte gelificazione), media (stabilizzazione e viscosizzazione di emulsioni e sospensioni) e bassa (azione filmogena e protettiva). A esclusione della carbossimetilcellulosa, che è anionica, gli altri eteri cellulosici sono non ionici e quindi impiegabili in tutti i sistemi (anionici, cationici, non ionici). Per lo più solvatano a caldo e generano gel fluidi o semiconsistenti, limpidi e stabili; sono inoltre molto efficaci per dare consistenza e stabilità alle emulsioni.

olio di ricino idrogenato

(Hydrogenated Castor Oil)

olio estratto dai semi di ricino sottoposto a idrogenazione; impartisce viscosità e comportamento pseudoplastico ai sistemi lipidici (lipogel ed emulsioni A/O).

 

derivati della gomma guar

Hydroxypropyl Guar: polimero non ionico idrofilo ottenuto per reazione della gomma guar con ossido di propilene. Più solubile in acqua rispetto alla gomma guar tal quale, fornisce dispersioni più limpide e stabili al calore ed è più resistente agli elettroliti; viene usato per creare gel, come stabilizzante di emulsioni e per gelificare sistemi di tensioliti (detergenti).

Dall’idrossipropil guar si ricava l’ammonio quaternario Guar hydroxypropiltrimonium chloride, molto utilizzato in cosmetica nella produzione di prodotti per capelli su cui esercita un effetto condizionante.

 

Modificatori reologici sintetici

 

polimeri acrilici

i polimeri acrilici comprendono un gruppo di sostanze derivate dall’acido acrilico, metacrilico e analoghi; appartengono a questa categoria gli acrilati (sodio poliacrilato), i gliceril acrilati (gliceril poliacrilato, gliceril polimetacrilato), i poliacrilamidi, e soprattutto i carbomer.

  • Carbomer: famiglia di resine acriliche ad elevato peso molecolare e struttuta ramificata; l’elevata quantità di carbossili rende queste resine idrofile; disperse in acqua rigonfiano parzialmente e le dispersioni acquistano una certa viscosità; in seguito a neutralizzazione parziale o totale dei carbossili con basi inorganiche si ottiene un brusco aumento della viscosità e un aumento della limpidezza; la resa è molto elevata, la viscosità poco sensibile alla temperatura; sono però sensibili agli elettroliti, inefficaci a basso pH (polimerizzano in un intervallo compreso tra 5-9 con massima stabilità a 6) e depolimerizzano in presenza di sali ; creano ottimi gel molto densi e molto evanescenti al tocco.

polimeri acrilici modificati idrofobicamente

sono polimeri idrofili che vengono modificati per inserimento di una piccola percentuale di monomero lipofilo; il più utilizzato è Acrylates/C10-30 alckyl acrylate crosspolymer. Si utilizzano come i carbomer ma sono maggiormente resistenti agli elettroliti. In virtù del loro carattere anfifilico, in presenza di olio, sono in grado di formare emulsioni stabili. La porzione idrofobica viene adsorbita alla superficie delle gocce di olio, mentre la parte idrofila rigonfia in fase acquosa.

polimeri e copolimeri a principale funzione filmogena

agenti che conferiscono al cosmetico proprietà di consistenza e contemporaneamente di scorrevolezza: polivinilpirrolidone (PVP), alcoli polivinilici, copolimeri PVP/PVA (polivinilacetato).

 

derivati di acidi grassi

in particolare sali dell’acido stearico con cationi bi- e trivalenti di alluminio, magnesio e zinco (alluminio mono-, di- tristearato, magnesio stearato, zinco stearato); sono in grado di gelificare le fasi lipidiche per cui sono utilizzati per stabilizzare e viscosizzare emulsioni A/O.

 

 Modificatori reologici inorganici (derivati di argille e silice)

silice micronizzata

(o pirogenica)

la silice viene utilizzata in ambito cosmetico per creare lipogel, ma anche per la capacità di conferire a creme ed emulsioni una texture setosa e un effetto opacizzante molto ricercato in cosmesi. 

magnesio-alluminio silicato

argilla della famiglia delle smectiti in grado di rigonfiarsi in acqua, utilizzata  come viscosizzante e  stabilizzante di emulsioni e miscele in sospensione.

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