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Ausgabe 2 (2002)


Autorenbeitrag
Rolf Daniels*
Neuartige Gelsysteme

*Institut für Pharmazeutische Technologie, Technische Universität Braunschweig, Mendelssohnstr.1, D-38106 Braunschweig

Vortrag anlässlich des GD-Symposiums "Wirkungen von Dermokosmetika" in Düsseldorf am 17. Oktober 2001

Einleitung

Gele spielen neben den Lotionen und Cremes eine wichtige Rolle als Grundlage von kosmetischen und dermatologischen Externa. Physikalisch-chemisch gesehen sind es disperse Systeme, bestehend aus mindestens zwei Komponenten: einer Feststoffkomponente, die ein kohärentes dreidimensionales Gerüst bildet (Matrix, Textur, Netzwerk) und einer Flüssigkeit, die als kohärentes Medium in der Matrix immobilisiert vorliegt. Die IUPAC definiert Gele als "kolloide Systeme mit einer endlichen, meist ziemlich kleinen, Fließgrenze".

Ihre dermokosmetische Anwendung verdanken sie speziellen Produktmerkmalen, wie z.B. ihrem rheologischen Verhalten. Ferner werden wässrig-alkoholische Gele wegen ihrer Transparenz und dem nicht-fettigen Charakter geschätzt. Lipophile Gele setzt man ebenfalls wegen ihres ästhetischen Erscheinungsbildes sowie ihrer konsistenzgebenden Eigenschaft ein.
Lipohile und hydrophile Gele lassen sich prinzipiell in drei Klassen unterteilen (Abb. 1):

Abbildung 1: Grundstrukturen von Gelen



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Kovalent verknüpfte Polymernetzwerke mit komplett ungeordneter Struktur
Über Nebenvalenzen verknüpfte Polymernetzwerke mit überwiegend ungeordneter Struktur und teilweise geordneten Bereichen
Geordnete Gelmesophasen

Dermokosmetische Produkte nutzen nahezu ausschließlich die beiden letztgenannten Formen.
Betrachtet man Produkttypen für Hautpflegemittel, so sind bei den Gelen insbesondere zu nennen:

klare bis opake Hydrogele
cremig aussehende Hydrodispersionsgele
wasserfreie Oleogele

Oleogele
Oleogele bestehen aus einer lipophilen flüssigen Phase. Als Matrixbildner werden in der Literatur neben höhermolekularen Homologen der Lipidphase auch organo-modifizierte Bentonite (Bentone®) und Hochdisperses Siliciumdioxid beschrieben. Letzeres ergibt allerdings kosmetisch nicht aktzeptable Oleogele. Gele mit Bentone® weisen dagegen gute Anwendungseigenschaften auf, sind allerdings aufgrund der Eigenfarbe und Teilchengröße des Gelbildners bräunlich opak.

Eine innovative Alternative hierzu bieten Oleogele, die Ethylene/Propylene/Styrene Copolymer (and) Butylene/Ethylene/Styrene Copolymer (INCI) als Gelbildner verwenden (Versagel®) (Abb. 2). Zusammen mit flüssigen Lipiden wie Mineral Oil Hydrogenated Polyisobutene, Isopropyl Palmitate oder Isohexadecane bilden sie hochtransparente klare Gele aus. In ihrer Zusammensetzung und ihrem Erscheinungsbild sind sie den Gelkerzen sehr eng verwandt, die als moderne Variante der klassischen Stearinkerze in jüngerer Zeit Einzug in die Wohnungen gefunden haben (Abb. 3).

Abbildung 2: Strukturformel Ethylen/Propylen/Styrol Copolymer (R1 = H) bzw.
Butylen/Ethylen/Styrol Copolymer (R1 = CH3)


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Abbildung 3: Versagele® ähneln in ihrem Erscheinungsbild Gelkerzen



Versagele® zeichnen sich rheologisch dadurch aus, dass sie im Gegensatz zu "normalen" Gelen Scherverdickung zeigen. Die dynamische Viskosität dieser Oleogele nimmt mit steigender Schubspannung , d.h. zunehmender mechanischer Beanspruchung, zu. Offensichtlich verhalten sich diese Systeme wie hochkonzentrierte Dispersionen des gut solvatisierten Gelbildners. Mit zunehmender Temperatur hingegen ist eine Abnahme der Viskosität zu beobachten, wobei wie am Beispiel des Oleogels auf der Basis des Isopropylpalmitats zu sehen ist, eine deutliche Reduktion der Viskosität im Bereich der Hauttemperatur zu beobachten ist (Abb. 4). Hierdurch wird das Auftagen entsprechender Formulierungen auf die Haut und eine gleichmäßige Verteilung begünstigt.

Abbildung 4: Viskosität eines Oleogels aus Isopropylpalmitat und Ethylene/Propylene/Styrene Copolymer (and) Butylene/Ethylene/Styrene Copolymer (INCI) (Versagel® MP) in Abhängigkeit von der Temperatur.



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Verglichen mit den Eigenschaften der reinen Lipidphasen, weisen die entsprechenden Oleogele eine höhere Substantivität auf. Dies äußert sich im Kurzzeitversuch in einer längerandauernden Reduktion des transepidermalen Wasserverlustes (TEWL) (Abb. 5).

Abbildung 5: TEWL Reduktion durch Isopropylmyristat im Vergleich zu einem Oleogel aus Isopropylpalmitat und Ethylene/Propylene/Styrene Copolymer (and) Butylene/Ethylene/Styrene Copolymer (INCI) (Versagel® MP).


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Außerdem haben diese Oleogele gute Stabilisierungseigenschaften für Suspensionen und können auch bei höheren Lagertemperaturen die Sedimentation von Feststoffen, wie Zinkoxid, wirksam verhindern. Versagele® werden allerdings selten in reiner Form als Grundlage eingesetzt sondern dienen fast ausschließlich als Additiv der Lipidphase. Hierbei erschließt sich ihnen allerdings ein außerordentlich breites Einsatzspektrum (Tab. 1).

Tabelle 1: Mögliche Einsatzgebiete von Oleogelen, die Ethylene/Propylene/Styrene Copolymer (and) Butylene/Ethylene/Styrene Copolymer (INCI) als Gelbildner verwenden (Versagele®)

After Sun-Pflegegele Gellotionen und Cremes
Säuglingspflegeprodukte Lippenbalsame
Babyöl-Gele Lip Gloss
Körperlotionen Duschpflegegele
Gesichtspflegeprodukte Bräungungsgele

Tensidgele

Tensidgele sind den lyotropen Flüssigkristallen zuzurechnen. Sind entstehen durch Aggregation von hydratisierten bzw. solvatisierten Tensidmolekülen. In Abhängigkeit von der Tensikonzentration und deren Struktur können unterschiedliche Assoziatformen entstehen (Abb. 6). Kubische und hexagonale Flüssigkristalle zeigen deutlich viskoelastisches Verhalten, also sowohl die rheologischen Eigenschaften eines Festkörpers wie auch die einer Flüssigkeit. Wie typisch für die meisten Gele, zeigen sie eine ausgeprägte Fließgrenze. Kubische Tensigele reagieren beim Einwirken mechanischer Kräfte außerordentlich elastisch. Da die Eigenfrequenz der Schwingung nach einem mechanischen Stoß im hörbaren Bereich liegt, werden sie auch als Brummgele bezeichnet. Lamellare Flüssigkristalle sind aufgrund ihres eindimensionalen Ordnungszustandes meist besser fließfähig als kubische oder hexagonale Phasen, zeigen aber auch, wenngleich weniger deutlich, viskoelastisches Verhalten.

Abbildung 6: Grundstrukturen von Tensidgelen



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Der Einsatz von Tensidgelen in Dermatika erscheint aufgrund ihres Wechselwirkungspotentials mit dem interzellulären Lipidfilm der Haut von Interesse. Vergleicht man den kolloid-chemischen Aufbau von Lamellar-Phasen und den Stratum corneum-Lipiden, so lässt sich eine strukturelle Verwandtschaft erkennen. Für die Wechselwirkung mit der Haut und den damit häufig verbundenen penetrationsfördernden Eigenschaften scheint aber vielmehr der hohe Tensidgehalt verantwortlich zu sein. Dies kann die Struktur der Hautlipide derart beeiflussen, dass die Permeabilität der Haut erhöht wird. Auch eine verbesserte Pflegewirkung wird mit den lyotropen, flüssigkristallinen Strukturen in Verbindung gebracht. Im Gegenzug ist allerdings auch ein mit dem hohen Tensidgehalt verbundenes Irritationspotential zu beachten. Ein sorgfältiges Abwägen von Nutzen und Risiko ist hier erforderlich.

Außerdem ist daran zu denken, dass sich der Wassergehalt von Dermatika nach der Applikation verändert. Innerhalb weniger Minuten reduziert sich der Wassergehalt dramatisch, sodass Tensidgele entsprechend ihrem Phasenverhalten einer ausgeprägten Veränderung unterliegen (Abb. 7). Trägt man demnach eine kubische Phase auf die Haut auf, so wandelt sich diese zunächst in eine hexagonale, dann in eine lamellare Phase um und endet schließlich bei geringem Wassergehalt als invers-mizellares System. Dazwischen werden jeweils mehrphasige Übergangszustände durchlaufen. Diese Metamorphose des Vehikels ist seit längerem bekannt, ihr Einfluss auf die Wechselwirkung der Zubereitung mit der Haut sind bislang jedoch nur wenig untersucht.

Abbildung 7: Metamorphose des Vehikels nach Applikation


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Hydrodipsersionsgele

Hydrodisperionsgele sind disperse Systeme mit einer hydrophilen, kontinuierlichen Phase und einer lipophilen dispersen Phase. Im allgemeinen liegen emulsionsartige Systeme vor mit einem Gehalt an flüssiger Lipidphase im Bereich zwischen 2 und 20 %.
Im Gegensatz zu den üblichen Emulsionen erfolgt die notwendige Stabilisierung bei diesen Produkten jedoch nicht mit "klassischen" Emulgatoren sondern mit Hilfe geeigneter Makromoleküle (Abb. 8). Um dies hervorzuheben werden sie teilweise, insbesondere im Bereich der Sonnenkosmetik, als sog. emulgatorfreie Zubereitungen bezeichnet. Werden Polymere zugesetzt, so resultiert ihr stabilisierender Effekt häufig durch ihren Verdickungseffekt und dadurch, dass sie der Außenphase eine Fließgrenze verleihen. Zusätzlich ist allerdings bei geeigneten Makromolekülen auch eine Grenzflächenstabilisierung möglich. In der Praxis sind oftmals beide Mechanismen für die Lagerstabilität verantwortlich.

Abbildung 8: Strukturen wichtiger Stabilisatoren für Hydrodisperionsgele


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Formulierungen, bei denen Grenzflächeneffekte kaum eine Rolle bei der Stabilisierung spielen erhält man, wenn ausschließlich Polyacrylsäure zur Stabilisierung eingesetzt wird. In der Literatur findet sich für sich solche Systeme die Bezeichnung "Quasi-Emulsionen". Handelsprodukte, bei denen ein vergleichsweise geringer Lipidanteil in einem Hydrogel dispergiert vorliegt, werden häufig unter der Bezeichnung "Balsam" vermarktet. Die physikalische Stabilität und Lagerfähigkeit dieser Hydrodispersionsgele wird durch eine sehr feine Verteilung der Lipide und die Fließgrenze der Außenphase erreicht, wodurch ein Aufrahmen und die Koaleszenz wirksam verhindert werden. Hierdurch ist, wie bei Kosmetika angestrebt, eine Lagerung bei 40 °C über mehr als 6 Monate und bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von mindestens 30 Monaten ohne wesentliche Qualitätseinbuße möglich.
In Tabelle 2 sind beispielhaft die Komponenten einer entsprechenden Rezeptur aufgeführt.Bei der Herstellung werden die Bestandteile Lipidphase aufgeschmolzen, und das Acrylat darin dispergiert. Bei ca. 60 °C werden Lipid- und Wasserphase vereint und anschließend intensiv homogenisiert. Nach dem Abkühlen auf 30 °C wird Parfüm zugesetzt und nochmals homogenisiert.

Tabelle 2:
Qualitative Zusammensetzung eines lipidhaltigen Sonnenschutzgels ("Quasiemulsion")

Phase Bestandteil (INCI - Name) Funktion
Lipidphase Octyl Methoxy-
cinnamate
UV B-Filter
  Butyl Methoxy-
dibenzoylmethane
UV A-Filter
  Carbomer Gelbildner
  Phenyl
Trimethicone
Lipidkomponente,
Silikonöl
Wasserphase Aqua Lösungsmittel
  NaOH oder
Triethanolamin
Puffersubstanz,
Base
  Propylenglycol Feuchthaltemittel,
Konservierungsmittel
  Fragrance Duftstoff

Will man Zubereitungen mit höherem Lipidgehalt lagerstabil formulieren, so reicht bei kosmetisch akzeptablen Produkten ein Verdickungseffekt alleine nicht mehr aus. Eine effektive Stabilisierung wird dann durch Verwendung grenzflächenaktiver Polymere erreicht. Diese hochmolekularen Hilfsstoffe bilden analog den klassischen Emulgatoren einen stabilen Grenzflächenfilm aus und schützen so die Tropfen der dispergierten Lipidphase vor Koaleszenz. Die Erhöhung der Viskosität der Außenphase spielt für die Stabilität dieser Emulsionen eine untergeordnete Rolle.

In der Gruppe der Polyacrylate steht mit Polyacrylat-Polyalkylacrylat-Crosspolymer (Carbomer 1342, Pemulen®) eine entsprechende Substanz zur Verfügung, die im Bereich der Dermokosmetika häufig zum Einsatz kommt.

Pemulene® sind Copolymere der Acrylsäure und der C10-30-Alkylacrylate, die zusätzlich quervernetzt sind. Der hydrophile Acrylsäure-Anteil überwiegt. Es ergeben sich Riesenmöleküle mit einer relativen Molmasse im Bereich von 4 x 10 exp. 9. Die Substanz quillt nach Neutralisation mit einer geeigneten Base auf das 1000fache ihres ursprünglichen Volumens, geht jedoch nicht in Lösung.

In wässrigem, salzarmen Milieu bilden Pemulene® dicke, schützende Gelschichten um jeden Lipidtropfen, die über die ihre Alkylketten fest in der Phasengrenzfläche verankert sind. Hierdurch können mit durchschnittlich 0,1 bis 0,3 % des makromolekularen Emulgators Präparate mit 20 % Lipidanteil lagerstabil formuliert werden. Kommt eine solche Emulsion mit dem elektrolythaltigen Milieu der Hautoberfläche in Kontakt, so wird die Zubereitung instabil, da die schützende Gelschicht kollabiert. Als Folge scheidet sich auf der Haut ein dünner Ölfilm ab.

Während der Herstellung sind in Gegenwart des hochmolekularen Emulgators allzu hohe Scherkräfte, z.B. durch Einsatz eines Hochleistungshomogenisators, zu vermeiden. Dies könnte zu einem mechanischen Abbau der Polyermoleküle führen, der eine verminderte Stabilität zur Folge hätte. Häufig weisen daher solche Zubereitungen einen Tropfengröße im Bereich von 20 bis 50 µm auf. Auf die physikalische Stabilität hat dies allerdings keinen negativen Einfluss. Wird aus kosmetischen Gründen die Herstellung feindisperser Systeme mit Tropfen im Bereich von 1 bis 5 µm gewünscht, so wird der Zusatz geringer Mengen eines amphiphilen Co-Emulgators, z.B. Sorbitanmonooleat, empfohlen.

Die Erhöhung der Viskosität der Außenphase spielt für die Stabilität dieser Emulsionen eine untergeordnete Rolle.

Im Gegensatz zu den Hydrodisperionsgelen mit Carbomer 1342 sind solche mit Hypromellose (INCI: Hydroxypropyl Methylcellulose) als Emulgator wenig elektrolytempfindlich, sodass diese Formulierungen selbst mit isotoner Kochsalzlösung als wässriger Außenphase lagerstabil sind. Beim Auftragen auf die Haut kommt es durch die mechanische Einwirkung zu einem partiellen Brechen der Emulsion mit Abscheidung eines Ölfilms, der zu einer verringerten Benetzbarkeit der Haut führt. Der Rest der Emulsion verbleibt teilweise als geschmeidiger Film auf der Haut, in dem Öltropfen eingebettet in eine Matrix des Polymers zurückbleiben.

Die Herstellung dieser Emulsionen kann mit Hilfe von Rotor-Stator-Homogenisatoren (z.B. Ultra Turrax®) erfolgen, wobei eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 2 bis 5 µm resultiert. Werden feinteiligere Emulsionen gewünscht, wie z.B. die sog. Nanoemulsionen mit einer durchschnittlichen Tropfengröße im Bereich zwischen 100 und 500 nm, so lassen sich Hypromellose-stabilisierte Emulsionen auch hochdruckhomogenisieren (Abb. 9). Die dabei resultierenden Emulsionen sind dünnflüssig und lassen sich problemlos versprühen.

Abbildung 9: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen gefriergebrochener Replika von Hydrodisperiosgelen mit Hypromellose

Herstellung mit
(A) Rotor-Stator-Homogenisator (B) Hochdruckhomogenisator




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Tabelle 3: Beispiele für ein Hypromellose-stabilisiertes Hydrodispersionsgel

Hydro-dispersionsgel

Bestandteil
(INCI-Name)
Menge
(% m/m)
Funktion
Lipidphase Caprylic/Capric
Triglyceride
15,00
Lipidkomponente
  Triticum Vulgare
5,00

Lipidkomponente
Wasserphase Aqua
78,00
Lösungsmittel
  Hydroxypropyl
Methylcellulose
2,00
Polymeremulgator

Als weitere Besonderheit der MHPC-stabilisierten Emulsionen ist zu erwähnen, dass sich diese Zubereitungen ohne Qualitätsverlust im Autoklaven sterilisieren lassen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Zubereitungen einen thermoreversiblen Sol-Gel-Übergang zeigen (Abb. 10). Hierdurch werden die Öltropfen bei Temperaturen oberhalb 60 °C immobilisiert, so dass die Kollision von Öltropfen wirksam verhindert wird und Koaleszenz kaum auftritt. Dies eröffnet die Möglichkeit - eine rekontaminationssichere Verpackung vorausgesetzt, dass nach der Sterilisation im Endbehältnis auf den Zusatz von Konservierungsmitteln gänzlich verzichtet werden kann.

Abbildung 10: Thermogelierung von Hypromellose-Gelen
(a) Raumtemperatur (b) 70 °C




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Fazit

Gele umfassen interessante und vielgestaltige Produktgruppen und sind aus dem Bereich der Dermokosmetika nicht mehr wegzudenken. Sucht man nach "echten" Innovationen, so wird man eher enttäuscht. Allerdings gibt es zahlreiche Neuentwicklungen, die auf der Basis bekannter Systeme unter Einbeziehung neuester Erkenntnisse sowohl auf dem Gebiet der physikalischen Chemie als aus dem Bereich der Hautphysiologie den Markt auch zum Nutzen der Verbraucher bereichern.

Weiterführende Literatur

Daniels, R., Emulsionen, In: Raab, W. und Kindl, U., Pflegekosmetik, G. Fischer Verlag, Stuttgart; Govi Verlag, Frankfurt 1997.
Daniels, R., Neue Anwendungsformen bei Sonnenschutzmitteln, Apotheker Journal 19 (1997) 22 - 28.
Daniels, R., Polymerstabilisierte Submikron-Emulsionen als Arzneiträgersysteme, In: Müller, R.H. und Hildebrand, G.E. (Hrsg.) Pharmazeutische Technologie: Moderne Arzneiformen, 2. Aufl., Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1998.
Friberg S.E., Yang J., Emulsion stability, In: J. Sjöblom (Ed.), Emulsions and Emulsion Stability, Marcel Dekker, New York 1996.
IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), Division of Physical Chemistry, Manual of Symbols an Terminology for Physicochemical Quantities and Units, Appendix II part I, Butterworths, London 1972, S. 611
Klech C .M., Gels and Jellies, In: J. Swarbrick (Ed.), Encyclopedia of Pharmaceutical Technology, Vol. 6, Marcel Dekker, New York 1992.
Müller-Goyman C.C., Arzneimittel mit Flüssigkristallen, In: Müller, R.H. und Hildebrand, G.E. (Hrsg.) Pharmazeutische Technologie: Moderne Arzneiformen, 2. Aufl., Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1998.
Penreco, Product Bulletin Versagel® Hydrocarbon Gels, Dickinson (TX), 2000
Rimpler, S., Pharmazeutisch-technologische Charakterisierung von O/W-Emulsionen mit Methylhydroxypropylcellulose als Polymeremulgator, Dissertation Universität Regensburg, 1996
Schulz, M., Entwicklung tensidfreier Submikron-Emulsionen mit MHPC als Polymeremulgator, Dissertation Universität Regensburg, 1996.
Wittern K.P., Hautpflegemittel, In: Umbach W. (Ed.), Kosmetik, 2. Aufl.; Thieme, Stuttgart 1995.
Wollenweber C., Oschmann R., Daniels R., Hypromellose stabilisierte Emulsionen als Träger für homöopathische Urtinkturen. Pharm. Ind. 64 (2002) 81-88.

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