Federico Svarc

UN CASO DE UTILIZACIÓN DE
NANOESTRUCTURAS EN LA
INDUSTRIA COSMÉTICA
Dr. FedericoSvarc
Fabriquímica S.R.L. Buenos Aires. Argentina.
Noviembre 2013
NANOTECNOLOGIA APLICADA A LA
COSMETICA
Introducción:
- LIPOSOMAS
- MICROEMULSIONES
- EMULSIONES MULTIPLES
- NANOSFERAS
Noviembre 2013
LIPOSOMAS
Son microvesículas esféricas
constituidas por una o mas bicapas de moléculas
fosfolipídicas dispuestas en forma concéntrica, que dejan
atrapada entre las mismas la fase acuosa.
La capacidad de vehiculización de moléculas
hidrofílicas en su fase acuosa, así como de moléculas
hidrofóbicas en su fase lipídica, les confiere la posibilidad
de ser utilizadas como sistemas transportadores.
El tamaño del liposoma oscila aproximadamente
entre 200 A a 5 µm de diámetro.
Noviembre 2013
Noviembre 2013
LIPOSOMAS
cafeina
Extractos
vegetales
d-Panthenol
membrana bicapa
de lecitina
Noviembre 2013
Proteinas
hidrolisadas
Mucleo
hidrofílico
MICRO y NANO EMULSIONES
Las emulsiones se clasifican en función del tamaño de las
partículas dispersas en la fase continua:Macroemulsiones
> 1 µm
BLANCAS
- Nanoemulsiones 0,1 – 1 µm
BLANCO AZULADO
- Microemulsiones 0.05 – 0.1 µm OPALESCENTE
< 0.05 µm TRANSPARENTE
Nanoemulsiones: son sistemas dispersos pseudoternarios
transparentes, estables termodinámicamente.
•Están constituidas por dos líquidos inmiscibles
(aceite-agua), cantidades apropiadas de emulsionante, y/o
co-emulsionante
•La fase dispersa tiene tamaños de 10-200 nm.
Noviembre 2013
DIFERENCIAS ENTRE MACRO Y
MICROEMULSIONES
Propiedad
Emulsión
Opaco
Aspecto
0.15 - 100 um
Diámetro fase interna
Formación
Agitación y/o calor
Estabilidad termodinámcia
Inestable
Presencia de coemulsionantes
No
Concentración de emulsionante Baja
Noviembre 2013
Nanoemulsión
Translúcido
10 - 100 nm
Espontánea
Estable
Relación específica
con el emulsionante
Alta
Propiedades generales (1)
Facilidad de preparación, por simple mezclado. Las
microemulsiones poseen una baja Energía Libre de
formación, pueden formarse sin energía mecánica y sin
energía térmica. Por lo tanto una estabilidad
termodinámica excelente.
Transparencia, el diámetro de la gotita es menor a la longitud
de onda de la luz. El sistema aparece transparente por que
la luz lo atraviesa sin ser dispersada.
■
Noviembre 2013
Propiedades generales (2)
■
Estabilidad, El tamaño muy pequeño de las gotas
causa una gran reducción en la fuerza de gravedad y
la difusión Browniana mantiene a las gotas
uniformemente distribuidas a través de todo el
sistema. No se requiere espesante. El tamaño
pequeño de las gotas previene cualquier floculación
o coalescencia ya que las gotitas no son deformables
■
Vehiculización de activos: Debido a su pequeño
tamaño, las gotas de nano emulsión pueden penetrar
a través de la superficie de la piel y esto asegura la
uniforme deposición y penetración de activos.
Noviembre 2013
EMULSIONES MULTIPLES
-Una emulsión múltiple se define como una emulsión de
emulsión .
-Es aquella en la cual subsisten las emulsiones aceite en
agua (o/w) y agua en aceite (w/o) en forma simultánea.
-Es aquella en la cual las gotas que constituyen la fase
dispersa son a su vez, emulsiones.
-Las emulsiones múltiples son verdaderos reservorios de
productos incompatibles entre si.
-Tienen la propiedad de “encapsular” sustancias cuando
se utilizan ingredientes de fácil descomposición, o
sustancias que pueden oxidarse fácilmente (p.e.
esencias, vitamina C, etc.).
Noviembre 2013
EMULSIONES MULTIPLES
AGUA
PELÍCULAS DE
EMULSiONANTE
Emulsión Múltiple
ACEITE
O/W/O
ACEITE
PELÍCULAS DE
EMULSiONANTE
AGUA
W/O/W
Noviembre 2013
Emusión común
EMULSIONES MULTIPLES
Noviembre 2013
NANOSFERAS Se trata de microesferas de un
tamaño medio de 100 nanometros, son polímeros
con un interior de matriz porosa. En dicha matriz el
activo se halla adsorbido y es liberado en forma
gradual.
Presentan una gran superficie interfasial.
Se crea un gradiente de concentración entre el interior
y el exterior de la nanosfera, que produce un flujo del
activo hacia el exterior, provocando una liberación
sostenida del activo con lo que se mejora su
biodisponibilidad.
Noviembre 2013
Noviembre 2013
Porqué encapsular?
Encapsulando moléculas activas en liposomas ó adsorbiéndolas en
micropartículas esféricas se modifica su forma de liberación(fig 1).
Noviembre 2013
Objetivo del estudio:
Comparar “in vivo” el comportamiento de tres activos
anticelulíticos:
• TEA Hydroiodide
• Compuesto A(1)
• Compuesto B(2)
(1) TEA Hydroiodide + Caffeine + Algae Extract + Hedera Helix
Extract + Ruscus Acualeatus Root Extract
(2) Idem adsorbido en microesferas porosas de diámetro 100 nm
Noviembre 2013
Introducción:
•Celulitis: Patología provocada por alteraciones progresivas del
sistema microcirculatorio.
•Caracterizada por la dilatación de los capilares, provoca edemas
y formación de micro y macro-nódulos adiposos en muslos y
glúteos.
•Estas alteraciones producen una variación de la temperatura de
la superficie cutánea, la que puede detectarse por termografía de
contacto de cristales líquidos.
• La bibliografía menciona que la Cafeína, los compuestos de Yodo
orgánicos y algunos extractos vegetales son efectivos en su
tratamiento
Noviembre 2013
Materiales y métodos:
Se prepararon tres cremas y un placebo
Cuadro I -Cremas
Composición % (p/p)
T1
Cetearyl alcohol and
Ceteareth-20
8,0
Octyldodecanol
Propylene glycol
Aqua
TEA Hydroiodide
T3
T4 (placebo)
8,0
8,0
8,0
5,0
5,0
5,0
5,0
3,0
3,0
3,0
3,0
c.s.p 100
T2
c.s.p 100
c.s.p. 100
c.s.p. 100
-
-
1,0
-
Compuesto A
10,0
-
-
-
Compuesto B
-
5,0
-
-
Noviembre 2013
Protocolo Experimental:
• Ensayos de aplicación bajo supervisión médica (Jefe del
Servicio de Cirugía Plástica del Hospital Ramos Mejía).
• Panel de 12 mujeres voluntarias, entre 25 y 45 años de edad.
• Con celulitis en estadios I, II y III.
• Tiempo de ensayo: 2 meses.
• Area de aplicación y control: muslos.
• Una aplicación diaria, en domicilio, en ambas piernas.
• Doble ciego para las pacientes (cremas identificadas
únicamente como T1,T2, T3 y T4)
• Controles a los 0, 30 y 60 días.
• Forma de control: fotos digitales obtenidas a los tiempos de
control utilizando una placa termográfica Cellu-VisionR.
• Se procesaron las imágenes con el programa Mathlab 2007.
Noviembre 2013
Diseño Experimental:
Diseño Anova de bloques incompletos
(Two way Anova ballanced factors)
Voluntaria
BC CM MD ND ML
SM
GM CP AR CS JV
AZ
Pierna
Izquierda
T1
T1
T1
T2
T1
T1
T3
T2
T1
T3
T2
T2
Pierna
Derecha
T3
T3
T2
T3
T4
T2
T4
T4
T4
T4
T4
T3
Noviembre 2013
Resultados Experimetales:
Cuando la condición de la piernas es mala (nódulos celulíticos) la placa
toma color marrón/rosado. Cuando se observan mejorías en
microcirculación (temperatura más alta), vira al azul-celeste.
Por cada punto se generaron las respectivas coordenadas (R,G,B), y
genero un coeficiente (χ) definido como:
puntos (pixeles) correspondientes a baja temperatura/ puntos totales
Condición Inical
Pierna Derecha
30 días de Tratamiento
Pierna Derecha
60 días de Tratamiento
Pierna Derecha
Resultados Experimentales:
Valores que toma el coeficiente de temperatura: 0 < χ < 1
La determinación de la “frontera” entre las zonas calientes y frías
no arrojó resultados estadísticamente significativos.
Tratamiento de CP con T2
Condición Inicial
Pierna Izquierda
Tratamiento 30 días
Pierna Izquierda
Tratamiento 60 días
Pierna Izquierda
Resultados a los 30 días:
Se obtuvo, después de 30 días de tratamiento un p = 0,055
existe una diferencia significativa (Figura 2) entre los distintos
tratamientos. T1 y T2 mejoraron el estado de la pierna.
Figura 2
Noviembre 2013
Resultados a los 60 días:
Despues de 2 meses de tratamiento, tanto T1 como T2 y T3 se
mostraron efectivos (p=0,25) y claramente diferenciados del
placebo (T4). Se observó un efecto sinérgico combinando activos
lipolíticos y venotónicos (Figura 4).
Figura 4
Noviembre 2013
Estudios in vitro:
Objetivo: evaluar el comportamiento de liberación de
los activos anticelulíticos:
•
•
TEA Hydroiodide (TEAH)
Caffeine (CAF)
comparando su patrón de liberación cuando se encuentran
disueltos y cuando están incorporados en microesferas
porosas de tamaño medio 100 nm, dispersas en una
solución hidroglicólica.
Se quiso comprobar que una liberación más lenta de los
activos contenidos en las
microesferas permitiendo
alcanzar una ventana de tiempo más amplia para el
suministro de estos componentes, tal como fuera
observado anteriormente in vivo.
Noviembre 2013
Materiales y métodos:
• Caracterización de las microesferas:
Las microesferas se caracterizaron por ESEM
Figura 2. Microesferas Cargadas s/membrana
Figura 1. Microesferas Vacías
Materiales y métodos:
• Preparación de las membranas:
(Gooris y Bouwstra []):
• Modelo de piel:
Membrana
de
policarbonato
Millipore VMTP04700, de 50 nm de
tamaño de poro.
Solución equimolar de Colesterol,
ácidos grasos de C18/C22 y
Ceramidas
III,
IIIB
y
VI
conteniendo 3,0 mg/ml en una
mezcla de hexano /etanol (2:1
v/v).
• Se depositó utilizando un
aerógrafo, en forma de spray
arrastrando el líquido con un ligero
flujo de aire.
• La masa promedio de la capa lipídica depositada fue de 1,5 mg/cm2.
Materiales y métodos:
• Caracterización de las membranas: La membrana preparada debe
reproducir la estructura de empaquetamiento ortorrómbico de los
lípidos en la capa córnea. Se produce un acoplamiento de corto alcance
entre las cadenas, generándose un doblete característico en el FTIR.
Materiales y métodos:
• Estudio de permeación in vitro: celda de difusión de Franz:
t = (32 ± 0,5) °C
área de transferencia de 4,9 cm2
La concentración acumulada de droga se siguió en función del tiempo,
midiendo su absorbancia en un espectrofotómetro Shimadzu UV-2401 PC.
TEAH y CAF absorben entre 200 y 350 nm.
Resultados y Discusión:
En las figuras se muestran los perfiles de liberación de activos con
concentraciones TEAH 1,4x10-2 M y CAF 4,6x10-3 M respectivamente
en el compartimiento donor.
Resultados y Discusión:
•La
capa
lipídica
reduce
notablemente la permeabilidad de
la membrana para TEAH y CAF.
•Porcentajes
de
liberación
alrededor de 9 % y 5 % a los 250
minutos, respectivamente.
• Se observa que la liberación es
más lenta a partir de los activos
en dermoesferas.
•La
Figura
8
muestra
el
comportamiento a las 24 horas. Se
alcanza una liberación del 40 %
para TEAH.
Segunda Etapa:
• Las microesferas cargadas con el complejo
anticelulítico fueron ensayadas en la emulsión utilizada
para los estudios “in vivo”.
• La liberación y permeación fué evaluada en distintas
membranas para estudios in vitro, incluyendo la piel de
oreja de cerdo íntegra, para determinar cuan realistas
eran comparadas con la piel humana. Su comprensión
puede ayudar a desarrollar ensayos más confiables.
• También se quiso entender la influencia de la emulsión
en la liberación de los activos.
Noviembre 2013
Membranas utilizadas:
• Se utilizaron tres membranas diferentes A, B y C en la celda
de Franz.
A: membrana de Policarbonato, Millipore VMTP04700, tamaño de
poro 50 nm, porosidad 10%.
B: Membrane A tratada por deposición de una capa de lípidos semejante
a la composición de la del estrato córneo (ceramidas, ácidos grasos
de cadena larga y colesterol).
C: Piel íntegra de la oreja de un cerdo. La grasa subcutánea fué removida,
y conservadas a −20 °C las muestras hasta su uso. Antes del uso se
equilibrar a temperatura ambiente y posicionaron en la celda con el
estrato córneo orientado al compartimiento donor.
Noviembre 2013
Emulsión utilizada :
•Semejante a los ensayos “in vivo”, con Reducel Dermosferas : 5,6 %.
• La concentration de CAF en la emulsion fué 4,6 x 10-3 M, y la de TEAH
1,4 x 10-2M, similar a la de los experimentos de difusión anteriores en
solución.
Tratamiento de los datos:
1. La concentration acumulada de cada activo liberado tuvo en cuenta la
remoción de las muestras previas y el carácter aditivo de las
absorbancias. Las curvas de CAF and TEAH fueron graficadas función
del tiempo.
2. La liberación y permeación de HHE y RARE se realizó primero en forma
independiente, para evitar superposiciones, con microesferas
cargandas con cada extracto por separado.
3. Se ensayaron ambas barreras B y C.
Noviembre 2013
Noviembre 2013
Resultados para los extractos:
A las 8, 24 y 72 horas la solución receptora fué muestreada
y analizada por TLC.
Para la detección de las manchas, se utilizó una lámpara UV y
también utilizó reactivo anisaldehido/ácido sulfúrico. Se utilizó
como patrón un extracto en acetato de etilo de cada planta .
b.1. - Membrana B:
Después de 8 hours de experimento, las cantidades de HHE y
RARE en el compartimiento receptor fueron escasamente
detectables. Después de dos días, comenzamos a detectar
manchas en ambos casos.
Después de tres días, ambos compuestos aparecieron en
cantidades bajas, estimadas entre el 5 and 10 % de la carga
inicial.
Noviembre 2013
b.2- Membrana C:
La permeación observada para las microesferas de HHE y
RARE es mucho mayor, alcanzando un estimado de 20%
después de 2 días, y alcanzando 40 % para HHE 50 %
para RARE despúes de 3 días.
Conclusiones:
Nuestros resultados muestran que una membrana de
policarbonato comercial es más realista simulando la piel
humana que el modelo generalmente aceptado de la piel
de oreja de cerdo, ó de la misma membrana artificial
recubierta de una capa de lípidos de composición similar
a la del estrato córneo.
Noviembre 2013
Conclusiones II:
•Estos resultados confirman que el estrato córneo
constituye una barrera muy eficiente a la penetration de
drogas, particular- mente sustancias iónic como TEAH.
• También encontramos que una emulsión o/w dificulta
sensiblemente la difusión, comparada con la que ocurre
desde un medio acuoso.
•Los resultados para los extractos son coherentes con los
obtenidos para TEAH and CAF. Mostrando poca
permeabilidad en la membrana tratada con lípidos ,
mientras que la piel de cerdo los deja pasar a similar
velocidad.
Noviembre 2013
Evolución de la ideas:
Porqué no generar nanopartículas de sílice de tamaño
controlado in situ para transportar sustancias?
MODELO ELEGIDO:
• La perfluorodecalina (PFD) se utiliza en medicina como
transportadora de Oxígeno por vía sistémica.
• Se le han comprobado usos cosméticos benéficos, tales
como el incremento de la presión parcial de O2(g), la
disminución de las arrugas y el incremento de la humedad.
• Atribuimos la relativa falta de interés a la dificultad que se
presenta para obtener emulsiones estables que la
contengan.
Noviembre 2013
Objetivos del trabajo:
• Presentar las posibles aplicaciones de la PFD
en cosmética partiendo de su estructura
molecular y sus propiedades físico-químicas.
• Avanzar algunas estrategias que se pueden
aplicar a fin de incorporarla a formulaciones
cosméticas.
• Presentar
recientes.
Noviembre 2013
algunos resultados experimentales
Fundamentos Teóricos:
Las cadenas perfluorocarbonadas son muy distintas a las
alquílicas: el grupo –CF3 demanda más espacio que el –CH3:
el esqueleto carbonado es forzado a un arreglo helicoidal,
en vez de la configuración lineal en zig-zag habitual.
Las cadenas de los PFC´s son más rígidas, con uniones
más fuertes.
Perfluorodecalina
Noviembre 2013
Fundamentos Teóricos:
Se acorta la longitud de las uniones –C-C-, baja su
reactividad al punto de no ser inflamables.
También justifican la mayor afinidad por los gases y la
menor tensión superficial en relación a los hidrocarburos.
Su baja polarizabilidad las convierte en altamente
hidrofóbicas, resultando además sistemas no-ideales en
sus mezclas con los hidrocarburos.
Son a la vez hidrofóbicas y lipofóbicas
Noviembre 2013
Consecuencias:
•
•
•
•
•
Son difíciles de vehiculizar en formulaciones cosméticas.
Solubilizan fácilmente moléculas gaseosas, cumplen la
Ley de Henry.
Se comportan como fluidos casi ideales.
Tienen bajos puntos de ebullición y alta volatilidad en
relación a su masa molar.
No son metabolizados por el organismo humano.
Solubilidad
del O2(g)
en solventes
Noviembre 2013
Materiales y métodos:
• En los ensayos hemos utilizado PFD, ó Cis-trans
octafluorodecahidronaftaleno, caracterizado por:
• Para lograr una emulsión al 5% de PFD en agua, utilizamos
Pluronic F127 (Poloxamer 407), de estructura química:
junto con Lecitina de Soja y Polisorbato 80. Se trabajó a 70oC
y con agitación.
Noviembre 2013
Resultados obtenidos:
Emulsión de PFD obtenida
Se logró obtener una emulsión relativamente
estable, cuyo tamaño de partícula (diámetro
medio de la fase dispersa, considerando
partículas esféricas) fue estimado por
medidas de dispersión de luz entre 150 y 250
nm.
Se calculó a partir de medidas de
Transmitancia % por la técnica de dilución,
empleando un colorímetro Lamotte COD Plus.
A partir de la emulsión así obtenida se determinaron las
condiciones para obtener nanopartículas “in situ” por
la vía sol-gel y “encapsular” la PFD.
Noviembre 2013
Conclusiones:
1. La molécula de PFD es difícil de emulsionar, y
obtener una emulsión estable en el tiempo.
2. Hemos logrado emulsiones estables PFD/agua
utilizando una combinación de copolímeros de
bloque de óxidos de Etileno y Propileno de alto
HLB, Lecitina de Soja y Polisorbato 80.
3 El
tamaño de partícula obtenido retarda la
separación, que ocurre luego por un mecanismo
difusión molecular (Ostwald).
4. Puede estabilizarse adicionalmente la dispersión
obtenida utilizando ceras autoemulsionables.
5. Hemos estudiando otras estrategias para
incorporar la PFD a formulaciones estables.
Noviembre 2013
La última etapa:
En un proceso de dos etapas, sobre la matriz de
la emulsión obtenida según el procedimiento
anterior, sintetizamos “in situ” via condensación
homogénea partículas estables de sílice por
acidificación de Silicato de Sodio bajo condiciones
estrictamente controladas:
1. Formación de grupos silanol:
Na2SiO3 + 3H2O
ۛ→
≡≡≡ SiۛOH
2. Reacciones de condensación, crecimiento de las
nanopartículas
≡≡≡ SiۛOH + ≡≡≡ SiۛOH ۛ→ ≡≡≡ SiۛOۛSi ≡≡≡
Noviembre 2013
Resultados:
• Para obtener partículas pequeñas y de tamaño uniforme
encontramos indispensable retardar el proceso hidrolítico
controlando la temperatura, el pH y la fuerza iónica del
medio de reacción y manteniendo una agitación constante
durante todo el tiempo.
• Las muestras fueron depositadas en un soporte de
sílice y escaneadas con un Microscopio Electrónico Supra
40 Zeiss (FESEM).
• Las muestras, resuspendidas en Etanol absoluto fueron
depositadas sobre una grilla de Cu, recubierta con C
sublimado antes de someterlas a una Microscopía
Electrónica de Transmisión (Philips CM200 provisto de
EDAX Apollo EDX probe).
Noviembre 2013
• Resultados II:
•El área superficial y el tamaño de los mesoporos fueron
determinados by por las isotermas de adsoción-desorción
de N2(g) (Micromeritics).
•Pudimos repetir la síntesis de las nanopartículas de sílice
utilizando las condiciones óptimas halladas en una mayor
escala a partir de materias primas industriales
Imágenes SEM de nanoparticulas sintetizadas a pH
Constante con [Si] variable en presencia de microemulsión
Noviembre 2013
Imágenes de TEM de nanopartículs de silica conteniendo
PFD, y resultados del análsis EDX
Imágenes SEM de nanoparticulas
de silica sntetizadas a [Si] constante
con pH variable, sin microemulsión
Noviembre 2013
Resultados III:
1. Las condiciones óptimas de síntesis elegidas para la
encapsulation de la PFD (20% p/p) dan lugar a nanoparticulas
monodispersas con diámetro(23±3) nm , con área superficial
BET de (38,9 ± 1,1) m2/g, determineda de las isotermasde
absorción de N2(g).
2. Aún en al alto vacío empleado en la TEM se encuentra una
relación atómica aproximadamente 1:1 F:Si.
3. El mismo análisis realizado con silica pirogénica
(dermosferas de 30 nm diámetro) conteniendo 50% p/p de
PFD arroja una relación atómica1:10 F:Si.
Noviembre 2013
3.El método sintético utilizado nos permitió obtener una
población de Silica esencialmente monodispersa, cuyo
tamaño medio es mayor que el de los materiales
comerciales obtenidos por la vía pirogénica, los que son
empleados habitualmente para formular cosméticos.
Estos últimos declarana una superficie BET surface en el
rango de 100 a 400 m2/g, y diámetros de partícula entre
7 y 20 nm.
Noviembre 2013
Discusión y Conclusiones:
• En éste trabajo pudimos obtener nanopartículas
de Sílice de tamaño controlado potencialmente
capaces de transportar PFD y otros activos
lipofílicos e hidrofílicos mediante proceso de
condensación.
• Las partículas de Sílice del tipo de las que
mostramos fueron encontradas potencialmente
no tóxicas por el panel de expertos del CIR,
y aptas para ser utilizadas en cosméticos y
productos de uso personal. También son
consideradas seguras por la FDA y la CE.
Noviembre 2013
Gracias por su Atención !
svarc@fabriquimica.com
Noviembre 2013