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Materie Prime
■ Luana Perioli e Valeria Ambrogi
Dipartimento di Chimica e Tecnologia del Farmaco - Università degli Studi di Perugia
Filtri solari: impiego di argille
anioniche lamellari per miglorare
l’efficacia e la stabilità
La messa a punto di agenti protettivi della pelle è, tuttora, un tema di ricerca per l’industria cosmetica
e del mondo scientifico
I
benefici del sole erano ben conosciuti
nell’antichità ma solo dal XX secolo
il culto del sole si è diffuso nel nostro
sistema di vita sino a essere considerato
un indice di civilizzazione tanto che
l’abbronzatura è diventata sinonimo di salute,
giovinezza e forma fisica. In seguito a questa
massiccia esposizione al sole si sono evidenziate
molte patologie, soprattutto cutanee, tanto che
negli anni ‘90 l’OMS ha lanciato una campagna
d’informazione in merito (1, 2). A tale allarme
hanno fatto eco tutte le principali organizzazioni
internazionali coinvolte nella ricerca e prevenzione
oncologica e nella protezione dai danni
derivanti dalle radiazioni non ionizzanti. Dopo
decenni di cultura del sole, questa inversione
di tendenza ha disorientato l’opinione pubblica
non preparata a considerare il sole come un po-
tenziale nemico, agente accelerante l’invecchiamento
e anche induttore di danni ben più gravi
che non sono imputabili solo alle radiazioni più
energetiche dello spettro solare, i raggi UV-B,
ma anche a quelle a maggior lunghezza d’onda,
come gli UV-A, considerate originariamente di
scarsa rilevanza ai fini della valutazione del rischio.
La messa a punto di agenti protettivi della
pelle ha rappresentato, quindi, in questi anni
uno dei temi di ricerca di maggior interesse per
l’industria cosmetica e ha in seguito coinvolto
il mondo scientifico e le autorità legislative e
dell’informazione in relazione al considerevole
impatto sanitario del problema.
Classificazione dei filtri solari
Vi sono due categorie di composti utili per la
protezione solare: organici e inorganici. I primi,
classificati in antranilati, benzofenoni, derivati
della canfora, cinnamati, salicilati, derivati del
dibenzoilmetano e del PABA, vengono spesso
impiegati in combinazione in quanto nessuno è
in grado di assicurare un’elevata protezione se
usato singolarmente. Le sostanze inorganiche
(schermi fisici) vengono, sempre più frequentemente,
usati sia per la loro capacità di bloccare
gli UV-A sia per la maggior sicurezza rispetto ai
filtri organici; i più utilizzati sono biossido di titanio
e ossido di zinco.
Fotodegradazione e fotostabilità
Quando i raggi solari colpiscono la pelle interagiscono
anche con i filtri solari applicati proprio
per proteggerla. La forte energia di attivazione
chimica prodotta dalla radiazione sul filtro induce
reazioni che possono portare a riduzione
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Figura 1
o perdita del proprio potere filtrante e protettivo;
dalla conseguente fotodegradazione si ottengono
frammenti molecolari, potenzialmente pericolosi,
che possono indurre sensibilizzazione allergica o
processi irritativi sulla cute stessa. La fotostabilità
del filtro solare pertanto rappresenta, oltre
che un fattore di durata della protezione solare,
anche un fattore di sicurezza. La fotodegradazione
può essere impedita:
f utilizzando contemporaneamente più fattori
protettivi (protezione sinergica);
f utilizzando filtri fotostabili a determinate lunghezza
d’onda;
f proteggendo gli stessi filtri tramite sistemi di
complessazione, incapsulazione o inclusione come
per esempio ciclodestrine o liposomi (3).
Sulla base di ciò è nata l’idea di impiegare anche
matrici inorganiche lamellari, che sono in grado
di intercalare delle molecole organiche, e progettare
formulazioni in cui queste possano svolgere
azione protettiva nei confronti della molecola
ospitata. Sono state quindi utilizzate delle idrotalciti
sintetiche, appartenenti alla famiglia delle
argille anioniche, a base di ossidi di alluminio,
magnesio e zinco. Considerando che le argille:
f sono costituenti di prodotti cosmetici;
f sono impiegate proprio in formulazioni a uso
topico per proteggere la pelle;
f gli ossidi di magnesio, di alluminio e soprattutto
di zinco hanno proprietà schermanti.
È sembrato razionale includere in esse dei filtri
solari, per ottenere un prodotto di inclusione che
potesse sia stabilizzare il filtro sia aumentare la
protezione dai raggi UV.
Argille anioniche: idrotalciti
Le idrotalciti, o argille anioniche, sono miscele di
idrossidi lamellari, naturali o sintetici, contenenti
anioni scambiabili e sono molto meno note e
diffuse in natura rispetto alle argille cationiche. Il
crescente interesse verso questi solidi lamellari è
giustificato dal vasto campo delle loro applicazioni.
L’ idrotalcite (HTlc), infatti, è un materiale molto
versatile che trova applicazione in molti settori
come catalizzatore, adsorbente, nelle preparazioni
cosmetiche, in preparazioni odontoiatriche e in
Kosmetica • aprile 2008
Figura 2
particolar modo in campo farmaceutico. È largamente
impiegata come antipeptinico, stabilizzante
di formulazioni farmaceutiche, lubrificante, nella
preparazione di formulazioni a rilascio modificato
sia di principi attivi a uso umano che di fitofarmaci
e nell’allestimento di formulazioni a uso
topico per proteggere la pelle danneggiata (4, 5).
Le lamelle di HTlc sono costituite da un piano di
metalli bivalenti e trivalenti, in genere nel rapporto
M(II)/M(III) pari a 2, coordinati ottaedricamente
a sei gruppi ossidrili. La presenza del catione trivalente
introduce una carica positiva, che deve
essere controbilanciata da anioni nella regione interstrato,
dove è presente anche l’acqua di cristallizzazione.
Tali anioni sono liberi di muoversi, di
rompere i loro legami e cedere il loro posto ad altri
anioni via scambio ionico e la distanza interstrato
dell’idrotalcite dipende dall’anione intercalato e
dalla eventuale presenza di acqua. Per realizzare
i prodotti di inclusione è necessario disporre di
un’idrotalcite che contenga tra le sue lamelle ioni
facilmente scambiabili, come per esempio Cl- o
NO 3 -, ma la preparazione di HTlc con anioni diversi
da CO 3 = è particolarmente critica ed è per
questo che è necessario ricorrere a tecniche di
scambio ionico per ottenere HTlc prive di carbonato.
Occorre quindi preparare dapprima HTlc in
loro forma carbonato (6) che non è molto idonea a
intercalare, via scambio ionico, altri anioni perché
il CO 3 = ha una capacità di scambio trascurabile
in quanto presenta le dimensioni più opportune
per essere alloggiato nelle regioni interstrato della
HTlc e risulta particolarmente difficile da sostituire.
In base a studi eseguiti sulla capacità di scambio
anionico e sulle costanti di selettività di alcuni
ioni monovalenti e bivalenti nei confronti di HTlc
è stato dimostrato che cloruri e nitrati sono più
scambiabili di carbonati sia in virtù delle minori
dimensioni che della minore forza di legame agli
strati di HTlc.
Intercalazione di filtri solari
in idrotalciti
Ponendo a contatto queste idrotalcite con soluzioni
saline (sale sodico) dei filtri solari è possibile
permettere lo scambio secondo la reazione:
HTlc-Cl/NO 3 + filtro-Na (HTlc-filtro + NaCl o
NaNO 3 .
Lo ione cloruro/nitrato abbandona gli spazi interlamellari
scambiandosi con altre molecole,
in forma anionica, permettendo quindi la loro
intercalazione. Quando l’anione intercalato
possiede dimensioni maggiori del Cl - l’intercalazione
è testimoniata, all’analisi dei raggi X, da un
allargamento dello spazio interlamellare (fig.1).
I filtri solari, ritenuti interessanti questo studio,
sono stati l’acido para-amminobenzoico (PABA)
(7), l’acido fenilbenzimidazolsolfonico, o EUSO-
LEX 232, (EUS) (8) il benzofenone-4 (4BHF) (9)
e l’acido ferulico (FER) (10). Come tutti i filtri
solari, anche questi presentano fotoinstabilità e
in particolare il PABA è stato un “banco di prova”
per testare la bontà della strategia proposta.
Sebbene il PABA fosse conosciuto come filtro
solare fin dal 1920, solo i suoi derivati, con minori
problemi, sono stati più utilizzati. I dermatologi,
anche se lentamente, si resero conto che il PABA
era un sensibilizzante abbastanza comune e che
tendeva a cross-sensibilizzare nei confronti di
altre molecole (paba-mimetici) come sulfamidici,
tiazidi o agenti ipoglicemizzanti e che poteva
portare a risposte autoimmuni; per questi motivi
c’ è stata una graduale esclusione del PABA dalle
preparazioni solari e, dal 1980, molti prodotti
solari sono stati pubblicizzati come “paba-free”
(7). In particolare, il PABA può subire fotodegradazione
e generare, sotto l’effetto radiante,
reazioni cutanee avverse come orticaria da contatto
e altre dermatiti allergiche e fotoallergiche
(7). È stato, inoltre, studiato il suo meccanismo
di fotodegradazione ed è stato dimostrato che
può decomporsi generando nitrosammine potenzialmente
cancerogene. Anche EUS e 4-BHF
possono dare problemi di reazioni fotoallergiche.
In particolare, recenti studi hanno confermato la
fototossicità di tutti i filtri solari appartenenti al
gruppo dei benzofenoni e hanno individuato nella
formazione del radicale benzoilico la struttura
chiave per la fotosensibilizzazione per la sensibilizzazione
crociata nei confronti di antinfiammatori
non steroidei di uso comune quali ketoprofen
suprofen e acido tiaprofenico (8, 9). Considerata
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Materie Prime
Figura 3 Figura 4
pertanto la generale instabilità dei filtri chimici,
l’immobilizzazione di un filtro chimico dentro un
«contenitore» (idrotalcite) costituito da idrossidi
di zinco, magnesio e alluminio poteva sembrare
una buona strategia sia per aumentare la protezione
che la stabilità del prodotto solare. I filtri
scelti inoltre hanno affinità chimica per l’argilla
lamellare poiché possiedono una funzione carbossilica
che, in forma ionica, può controbilanciare
la carica positiva portata dall’alluminio nei
piani dell’idrotalcite andando a sostituirsi ai controioni
naturalmente presenti in essa. Grazie ad
analisi quali titolazione dei metalli, raggi X, termogravimetria,
DSC, raggi IR e micrografie SEM,
è possibile conoscere con esattezza i rapporti
host-guest che si stabiliscono, la morfologia e
l’esatta composizione chimica del nuovo prodotto
di intercalazione formatosi. Nella Tabella
1 sono riportati tutti i dati relativi alle idrotalciti
di partenza e ai nanocompositi ottenuti. In tutti i
casi il processo di intercalazione non altera né la
morfologia né la grandezza dei cristalli che sono
delle lamine piatte, di forma quasi esagonale e di
dimensioni comprese tra 1 e 16 micron, dimensioni
che consentono di incorporare i prodotti
in formulazioni da spalmare sulla pelle senza
rischio di abrasione.
Scelta della formulazione
Gli intercalati ottenuti sono stati incorporati in
una crema che, per essere idonea, doveva presentare
i seguenti requisiti:
f assenza di ioni disciolti: la presenza favorirebbe
reazioni di scambio ionico con deintercalazione
dei filtri;
f consistenza, spalmabilità, gradevolezza e
water resistance.
Considerato tutto ciò i prodotti di intercalazione
sono stati incorporati in una crema al
silicone, con contenuto in filtro nella percentuale
ammessa (2-5%), e le formulazioni sono
state sottoposte a studi di rilascio in vitro ed
esperimenti di fotochimica, parallelamente a
formulazioni contenenti lo stesso filtro solare
non intercalato.
Studi di rilascio in vitro
Con questi studi è stato possibile valutare il rilascio
del filtro solare dalle formulazioni in 3
differenti fluidi quali acqua, tampone fosfato
a pH 5.5 (pH pelle) e soluzione di NaCl (acqua
di mare). In tutti i casi, i risultati ottenuti sono
stati molto simili e il comportamento delle
formulazioni contenenti il prodotto di intercalazione
è sempre stato diverso da quelle
con il filtro non intercalato.
Infatti, il rilascio del filtro dalle prime è quasi
trascurabile o comunque molto basso, anche
considerando il tempo prolungato dell’esperimento,
mentre dalle seconde inizia subito
dopo il contatto con il fluido e talvolta è totale.
Come esempio si riportano in figura 2
i profili di rilascio relativi alle formulazioni
con PABA. Nel caso del filtro non intercalato
infatti la percentuale di rilascio è maggiore
del 30% dopo 15 minuti e sale al 50% dopo 2
ore mentre per gli intercalati la percentuale
di PABA rilasciato resta minore del 10% fino
alla sesta ora e non supera il 12%, neanche
dopo 8 ore (fig.2).
Studi fotochimici
In questa fase delle ricerche i campioni sono stati
sottoposti a misure spettrofotometriche stazionarie
per avere informazioni sulle loro proprietà
spettrali e sulla stabilità fotochimica relativa.
Sono stati registrati gli spettri di assorbimento
e di fluorescenza del filtro solare, del prodotto
intercalato e successivamente delle formulazioni
contenenti il 10% dei campioni intercalati. Il
confronto delle cinetiche di fluorescenza, ottenute
per i vari campioni nelle stesse condizioni
sperimentali, ha permesso di valutare la fotostabilità
relativa dei preparati. È interessante
sottolineare che l’assorbimento di formulazioni
preparate con filtri intercalati è simile a quelle
con i rispettivi filtri non intercalati e in alcuni
casi è addirittura più alto. In figura, infatti, si può
notare come, nel caso del PABA, gli spettri di
assorbimento risultino fortemente influenzati
dal microintorno.
Il PABA non intercalato mostra un massimo di
assorbimento intorno a 320 nm (UV-B) e una
spalla centrata a 415 nm, nel caso di MgAl-HTlc-
PABA il massimo di assorbimento principale è
centrato a 300 nm e la spalla a 415 nm è più evidente;
per il sistema ZnAl-HTlc-PABA lo spettro
di assorbimento è notevolmente spostato verso
il rosso. Infatti, si osserva un massimo sempre
a 300 nm, il massimo principale si sposta
a 425 nm e si evidenzia una spalla a 580 nm.
Questo effetto sugli spettri di assorbimento è da
attribuire a interazioni specifiche tra PABA e la
matrice ZnAl-HTlc, che portano probabilmente
alla formazione di complessi tra l’azoto del cromoforo
e i metalli della matrice. Questo allarga-
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mento delle bande di assorbimento testimonia
un maggior range di protezione dalle radiazioni
solari rispetto al composto non intercalato dimostrando
che l’idrotalcite, oltre che a proteggere il
filtro chimico contenuto, può anche aumentarne
il grado di fotoprotezione. Sono, inoltre, state
effettuate misure di fluorescenza, in funzione del
tempo di irradiamento, per avere informazioni
sulla fotodegradazione. Il confronto dei dati ottenuti
dai diversi campioni consente di stabilire se
l’intercalazione nell’idrotalcite elimini o riduca la
fotodegradazione dei composti intercalati e quindi
potenzi o mantenga il loro effetto protettivo.
Nelle cinetiche dell’EUS e dei rispettivi campioni
intercalati riportate in figura 4, per esempio,
si nota che il segnale del filtro non intercalato
decade più velocemente rispetto a quello dei
campioni intercalati e in particolare la fluorescenza
del sistema ZnAl-HTlc-EUS decade con
una cinetica più lenta rispetto a quella di MgAl-
HTlc-EUS (infatti dopo due ore di irradiamento
solo il 15% della fluorescenza di ZnAl-HTlc-EUS è
scomparsa contro il 22% di quella di MgAl-HTlc-
EUS). Gli intercalati risultano chiaramente più
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stabili all’irradiamento del solo filtro e, in questo
caso, la matrice ZnAl-HTlc protegge in maniera
più efficace il cromoforo. Dall’analisi di tutti i
risultati ottenuti studiando il comportamento dei
filtri solari intercalati in idrotalcite nei confronti
dei filtri non intercalati sia da soli che formulati
in crema, è possibile concludere che l’impiego di
argille anioniche lamellari nella fotoprotezione è
senza dubbio una strategia vincente.
Le formulazioni messe a punto, rispetto ai classici
“prodotti solari”, offrono i seguenti vantaggi:
f aumento della protezione dai raggi UV;
f protezione del filtro chimico dalla fotodegradazione
con eliminazione dei problemi
di fototossicità del prodotto;
f mancanza di diretto contatto tra il filtro chimico
e la pelle con eliminazione dei problemi
di allergia indotti dal prodotto.
Le idrotalciti quindi si sono dimostrate degli
ottimi “contenitori” per filtri solari e la combinazione
degli effetti che esse producono consente
di preparare formulazioni cosmetiche per
la protezione solare efficaci e sicure.
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