Осмолярность косметических композиций.
Необходимость учета при разработке составов и применении.
А. Н. Децина (Некоммерческое партнерство «Научное косметологическое общество») scicosmetsoc@online.nsk.su
Ближайшей задачей косметологии, как науки, является превращение «косметологических воздействий на ощупь» в осознанные, поддающиеся визуальному или аппаратному контролю, целенаправленные воздействия на кожу с целью улучшению ее состояния и, в частности, для торможения процессов старения и нормализации состояния кожи. Решение этой задачи позволит, на наш взгляд, разработчикам и производителям косметических средств более осознанно подходить к конструированию составов препаратов, предотвращать некоторые ошибки и делать более эффективной работу практикующих косметологов, а потребителям – осуществлять осознанный подбор индивидуальных косметических средств.
В представляемой работе рассматривается необходимость учета в косметологии такого фактора, как осмолярность кремовых композиций или осмоляльность для жидких косметических средств.
Величина осмолярности характеризует концентрацию осмотически активных частиц в системе в пересчете на 1 кг кремовой основы (в растворе эта величина обозначается, как осмоляльность - в пересчете на 1 л раствора) [1]. Осмотически активными частицами являются молекулы или ионы любых веществ, содержащихся в растворах. Эти частицы за счет хаотичного перемещения в жидкости обладают способностью воздействовать (оказывать давление посредством «бомбардировки») на стенки сосуда, в который помещен данный раствор, а также на любые мембраны.
Для демонстрации этого явления в школьном курсе физики обычно проводят следующий эксперимент. В стеклянном сосуде, разделенном на две равные части тонкой эластичной перегородкой, в каждую из которых налито одинаковое количество воды, перегородка располагается строго вертикально, испытывая одинаковое давление, создаваемое водой с двух сторон от перегородки. Затем, в одну из частей добавляют некоторое количество поваренной соли, при этом, эластичная перегородка выгибается в сторону, противоположную от полученного солевого раствора. Этот эксперимент однозначно свидетельствует о наличии дополнительного давления на мембрану ионов натрия и хлора, называемого осмотическим воздействием.
Аналогичное осмотическое воздействие испытывают мембраны микроорганизмов и клеток тканевых культур со стороны окружающей среды. .Воздействия такого рода могут существенным образом влиять на морфологию (внешний вид) и функционирование клеточных систем Именно поэтому величина осмоляльности питательных сред строго контролируется в клеточной биотехнологии. В питательных средах она, в основном, определяется содержанием неорганических солей. Так, например, при растворении 9 г NaCl в одном литре воды создается осмоляльность, равная 308 mOsm/l, а регламентируемая осмоляльность питательной среды составляет величину, близкую к величине осмоляльности плазмы крови – 300±20 mOsm/l. Экспериментально показано, что при существенном снижении этой величины клетки меняют свою морфологию, увеличиваясь в объеме, вплоть до разрушения (разрыва) клеточных мембран. И наоборот, при ее значительном превышении клетки принимают шарообразную форму (минимальный объем).и при длительном контакте с гиперосмотической средой погибают. Так, в работе [2] на перевиваемой клеточной тест-системе ЛЭЧ (фибробластоподобные клетки легких эмбриона человека) показано, что драматическим значением осмоляльности питательной среды при длительности культивировани в течение 96 часов является величина около ~520 mOsm/l.
Интересно отметить, что именно это значение осмоляльности, драматическое для клеток ЛЭЧ, оказалось одинаковым, как в случае добавок к питательной среде неорганических солей, так и в тех случаях, когда осмоляльность увеличивалась за счет добавок глюкозы и, даже, этилового спирта (см. рис. 1)
Рисунок 1.
Зависимость относительных ростовых характеристик клеток ЛЭЧ от величины осмоляльности, создаваемой добавлением неорганических солей (квадратик), глюкозы (·) и спирта (х) в питательной среде
| Осмоляльность- mOsm/l мОсм/л |
где - соотношение индексов пролиферации (ростовые характеристики) клеточной системы ЛЭЧ в опытных образцах питательных сред с добавками испытуемых веществ (ИПо) по отношению к контрольной среде (ИПк).
То обстоятельство, что совершенно разные по своей химической природе добавки одинаковым образом влияют на клетки, свидетельствует об одинаковости механизма их взаимодействия с клеточными системами. На наш взгляд, удивительным оказалось, что этиловый спирт не отличается по своему действию от неорганических солей и от глюкозы. Это позволяет предположить, что такие широко распространенные в качестве добавок к косметическим препаратам спирты и полиолы (этиленгликоль, пропиленгликоль, пропиловый и изо-пропиловый спирты и т.д.), по-видимому, также могут взаимодействовать с клеточными системами по "осмотическому механизму". А если это так, то для каждой такой добавки можно определить предельно допустимую концентрацию расчетным путем. Например, если пренебрегать процессами, связанными с образованием ассоциатов, то раствор, содержащий 1 моль/литр спирта (46 г/л), будет иметь осмоляльность, равную 1000 mOsm/l. Используя этот метод, в монографии [2] (Приложение 2), определены предельно допустимые концентрации индивидуальных веществ, включаемых в составы косметических композиций, по следующей формуле:
(II), где М.m - молекулярная масса, 80 - дополнительное к физиологическому значению осмоляльности (~300 mOsm/l) количество mOsm/л, необходимое для достижения (предельно допустимая концентрация добавки, характеризующая начальный участок отрицательного осмотического воздействия на клеточную систему), а N - коэффициент пересчета, соответствующий величине в 1000 ед. для недиссоциируемых молекул (например, для спиртов), - 2000 ед. для молекул, диссоциирующих на два иона (например, для NaCl), - 3000 ед. для молекул, диссоциирующих на три иона (например, для CaCl2) и т.д.
В табл. 1 приведены молекулярные массы и предельно допустимые концентрации некоторых спиртов и полиолов, рассчитанныt, исходя из предположения об осмотическом механизме их влияния на клеточные системы. Для глюкозы и этилового спирта они подтверждены экспериментально.
Таблица 1
Рассчитанные предельно допустимые концентрации некоторых спиртов и полиолов, используемых в качестве добавок к косметическим композициям
| Наименование | М.м. | Предельно допустимая концентрация при 380 mOsm/l, г/л |
| Этиловый спирт | 46 | 3,7 |
| Этиленгликоль | 62 | 5,0 |
| Пропиловый (изопропиловый спирт) | 60 | 4,8 |
| 1,2-Пропиленгликоль | 76 | 6,1 |
| Глюкоза | 180 | 14,4 |
Таким образом, можно рассчитывать предельно допустимые концентрации некоторых ингредиентов косметических средств.
В работе [2] установлены величины спецэффектов для ряда биологически активных добавок (микроэлементы, аминокислоты, витамины), которые могут существенно снижать рассчитанные указанным методом предельные концентрации. Показано также, что глицерин обладает способностью защищать клеточные мембраны от повреждающего осмотического воздействия.
Теперь, отвечая на вопрос о том, что произойдет с клеточной системой, если все компоненты питательной среды будут присутствовать в предельно допустимых концентрациях, по крайней мере, для неорганических солей, спирта и глюкозы можно предполагать суммирование значений осмоляльности. Результатом такого суммирования окажется увеличение осмоляльности и переход в область значений (>500 mOsm/l), характеризующихся полной деструкцией клеточной системы. Это обстоятельство должно в обязательном порядке учитываться, по крайней мере, при конструировании жидких косметических композиций (лосьоны, сыворотки и т. п.).
С некоторой долей вероятности можно полагать, что и при конструировании широко распространенных кремовых композиций на жировой или гелевой основе следует учитывать величину осмолярности, не допуская превышения суммарных значений выше 500 mOsm/kg. К сожалению, прямое измерение значений осмолярности в кремовых композициях, по сравнению с питательными средами и жидкими косметическими средствами (лосьоны, ополаскиватели и т. п.), обычно затруднено. Поэтому приходится пользоваться только расчетными значениями..
Рассмотрим некоторые аспекты косметологической практики, которые могут быть объяснены с позиций осмотического воздействия на кожу потребителей. Достаточно часто косметологи встречаются с ситуацией, когда один и тотже препарат у некоторых пациентов вызывает интенсивное покраснение поверхности кожи, в то время как у других такого проявления действия не наблюдается. С аналогичными случаями к нам обращаются некрторые потребители и, конечно, они делают, при этом, выводы о том, что применяемые препараты им не подходят (иногда они полагают, что это результат аллергических проявлений) и отказываются от применения препарата. На практике мы неоднократно убеждались в том, что стоит только несколько разбавить препарат нейтральной кремовой основой - снизить суммарную осмолярность препарата, как «эффект покраснения» исчезает. Это обстоятельство может свидетельствовать о том, что у данных потребителей кожа обладает очень высокой проницаемостью. При этом, ингредиенты кремовой композиции, определяющие ее осмолярность, легко преодолевают трансэпидермальный барьер и, соответственно, расширяют капиллярные кровеносные сосуды, расположенные в дерме непосредственно под мембраной, отделяющей эпидермис от дермы (сосочковый слой дермы). Это обстоятельство и определяет изменение цвета поверхности кожи - «эффект покраснения». Можно полагать, что кожа потребителей, у которых данный эффект не наблюдается, обладает относительно низкой проницаемостью.
С целью выяснения реального состояния дел по учету осмолярности при конструоровании косметических композиций в работе [2] был предпринят анализ более 500 составов препаратов, полученных из анализа патентов США, Франции и России. Представленная на рис. 2 диаграмма свидетельствует о практически полном игнорировании разработчиками и производителями косметических средств этого параметра.
Рисунок 2
Частота использования различных величин осмолярности
| Частота использования
|
ОСМ, мOсм/кг
|
Приведенные выше соображения о влиянии осмолярности на клеточные системы и, возможно, на капиллярные кровеносные сосуды кожи со всей очевидностью требуют от производителей и разработчиков косметических средств, предназначенных для повседневного (бытового) использования, необходимости учета (регулирования) этого параметра.
Кроме этого, они позволяют сформулировать предположение о том, что в руках косметологов и потребителей фактически имеется эффективная методика оценки проницаемости кожи. Речь идет об упомянутом выше «эффекте покраснения» кожи под воздействием косметических средств, который связан с расширением периферических кровеносных сосудов (конечные петельки капилляров), располагающихся в сосочковом слое дермы.
В целом, следует полагать, что расширение капилляров должно способствовать притоку питательных веществ и, естественно, оттоку продуктов метаболизма (шлаков) от базальных клеток эпидермиса и поддерживанию их деления. В соответствии с теорией мягких косметологических воздействий [2] это обстоятельство благоприятным образом будет отражаться на состоянии динамического равновесия процессов формирования эпидермиса и, в частности на толщине его рогового слоя.
Понятно также, что существует бесконечное количество состояний кожи - от легко проницаемых (истонченных) до плотных трудно проницаемых вариантов состояний кожи. Поэтому нельзя ограничиваться широко распространенной градацией на «нормальную», «жирную», «сухую» и «комбинированную». Из этого также следует, что одно и тоже косметическое средство может быть высокоэффективным для легко проницаемых вариантов состояний кожи и малоэффективным для трудно проницаемых вариантов состояний кожи пациентов (потребителей косметических средств).
Все выше изложенное позволяет полагать, что одной из основных причин проявления «эффекта покраснения» кожи (расширения поверхностных капилляров) может являться суммарная величина осмолярности косметических средств. Этот параметр, легко рассчитываемый по содержанию ингредиентов в составе любого косметического средства, подробно обсуждаемый в монографии [2], фактически непосредственно связан с проницаемостью кожи. Поэтому, суммарная величина осмолярности препарата, при которой наблюдается «эффект покраснения», может служить характеристикой проницаемости кожи. Это обстоятельство открывает путь к созданию «персональных косметических средств».
Как уже отмечалось выше, из клеточной биотехнологии известно, что при воздействии на клеточные системы высокоосмоляльных питательных сред, клетки меняют морфологию и уменьшаются в объеме. Можно полагать, что аналогичные изменения наблюдаются для клеточных систем эпидермиса при воздействии высокосмолярных косметических средств (гиперосмотические воздействия). Причем, при небольшом превышении величины осмолярности над физиологическим значением этот эффект в обязательном порядке будет относиться, в основном, к клеткам зернистого и шиповидного слоев эпидермиса, в то время как воздействие гиперосмолярности на базальные клетки эпидермиса в определенной степени может гаситься постоянным принудительным обмыванием их межклеточной жидкостью, имеющей значение осмолярности, близкое к физиологическому (280 – 320 мОсм.). При этом, уменьшение размеров клеток зернистого и шиповидного слоев эпидермиса должно приводить к обязательному увеличению межклеточного пространства и, соответственно, к увеличению проницаемости эпидермиса, а значит и кожи в целом.
По аналогии, обратный эффект (снижение проницаемости кожи) должен наблюдаться при обработке кожи гипоосмотическими композициями.
Эксперименты, описанные в монографии [2], с использованием в качестве модельной системы (крысиных хвостиков и растворов различной осмоляльности, с оценкой глубины проникновенеия флюоресцентного красителя) полностью подтвердили справедливость приведенных выше соображений.
Таким образом, суммарная величина осмолярности косметического средства может отражаться на проницаемости кожи. Осознанное использование этих эффектов (снижение и увеличение объемов клеток эпидермиса под влиянием гипер- и гипоосмотических косметических средств) послужило основой для разработки нового вида косметического массажа на клеточном уровне (Патент РФ).
Реакция клеточных систем эпидермиса на осмотические воздействия, очевидно, зависит от плотности упаковки межклеточного матрикса. Чем более плотная упаковка окружающих клетку биополимеров, образующих устойчивый гель с водой и заполняющих межклеточное пространство, тем ниже проницаемость кожи и тем меньше вероятность проявления эффекта покраснения кожи, так как ингредиенты косметического средства, ответственные за расширение капилляров, не преодолевают трансэпидермальный барьер. Таким образом, можно полагать наличие определенной связи между плотностью (проницаемостью) кожи, величиной осмотических на нее воздействий и проявлением «эффекта покраснения». Какие возможности при этом открываются?
Во-первых, потребители косметических средств, обнаружив в процессе применения приобретенного косметического препарата эффект покраснения кожи, могут проверить гипотезу о том, что этот эффект связан с его высокой осмолярностью. Для этого необходимо небольшое количество средства разбавить в 1.5-2 раза осмотически нейтральным разбавителем (вода, зеленый чай – для жирной кожи и молоко, сливки – для сухой кожи) и повторить обработку. При этом, отсутствие «эффекта покраснения» будет свидетельствовать о правильности сформулированной выше гипотезы. Это означает, что разбавленный препарат может применяться конкретным потребителем в качестве персональной вечерней (или дневной) кремовой композиции, а дополнительно неразбавленный вариант препарата целесообразно использовать в качестве эффективной косметической маски. Цитологические исследования свидетельствуют о том, что длительность гиперосмотических воздействий на клеточные системы кожи с отчетливой фиксацией «эффекта покраснения» должна быть ограничена приблизительно 20-30 минутами (длительность действия эффективной маски). В противном случае можно достичь отшелушивания верхних слоев эпидермиса (пилинг под воздействием гиперосмотических систем).
Во-вторых, практикующие косметологи при нанесении на кожу пациента той или иной косметической маски должны понимать, что отсутствие «эффекта покраснения» кожи может свидетельствовать о недостаточной осмотической эффективности используемого средства для данного пациента. Имеются опредленные возможности увеличения осмолярности, а значит и эффективности препаратов.
В-третьих, для потребителей косметических средств и практикующих косметологов открывается возможность осуществления нового вида массажа на клеточном уровне (осмомассаж). Особенно важной является возможность осуществления дозированного (мягкого) осмомассажа для профилактики и удаления припухлости век.
В-четвертых, для производителей открывается возможность разработки новых поколений косметических препаратов с возможностью подбора персональных косметических составов. В качестве примера можно привести процедуру подбора персональных косметических композиций с использованием препаратов четвертого поколения, разработанных специалистами Научного косметологического общества, состоящих из концентрата биологически активных веществ и гелевой основы (ИПСО Системы, производство ООО «Живая косметика Сибири»).
Подбор персональной маски и определение состава вечерней кремовой композиции.
(Первый шаг) Путем смешивания гелевой основы (10 капель) и соответствующего концентрата косметического средства (1 капля) готовится начальная композиция, которая наносится на отдельный участок кожи (например, на одну из щек). Через 5-10 минут фиксируем цвет обработанного участка (по сравнению с необработанным участком). Если покраснения кожи не наблюдается, то готовим следующий более концентрированный состав (второй шаг), с помощью которого обрабатываем другой участок кожи. При этом для сухой и источенной кожи количество капель концентрата увеличивается незначительно (например, -2 капли на 10 капель основы), а для плотной, жирной кожи увеличение концентрации может быть более существенным (например, 4-5 на 10 капель основы). Вновь пытаемся обнаружить покраснение (обычно для обнаружения эффекта покраснения требуется хорошая освещенность). Если цвет обработанного участка не отличается от контрольного, снова увеличиваем количество концентрата (следующие шаги) до появления хотя бы слабо розового окрашивания. Предельно допустимым для потребителей следует считать соотношение гель/концентрат = 10/10 (даже если покраснение не наблюдалось). Опытный косметолог может продолжать увеличение содержания концентрата до реального появления эффекта покраснения кожи.
Появление покраснения свидетельствует о том, что мы достигли оптимального на данный момент состава персональной маски потребителя. Уменьшение количества добавляемого концентрата на 20-30% будет соответствовать составу персонального вечернего крема. Для обычного потребителя – если эффект покраснения не достигнут, следует остановиться на предельном соотношении (10/10) и использовать эту систему в течение 1-2 месяцев, а затем повторно провести процедуру подбора.
Дневные (утренние) варианты кремовых композиций могут отличаться по содержанию концентрата от персонального вечернего крема примерно в 4-5 раз. Так, если соотношение гель/концентрат для персональной вечерней маски было найдено равным 10/8, то состав персонального вечернего крема будет иметь соотношение 10/6, а дневной (утренний) крем – 10/1(или 2).
Аналогичным образом могут быть подобраны составы для век и для аномальных (жирных или сухих) участков кожи при комбинированных ее состояниях.
Участки с явными признаками купероза (близко расположенные к поверхности расширенные сосуды) могут обрабатываться составами, содержащими малые количества концентрата (соотношение гель/концентрат не более 10/1). Для лечения и профилактики купероза требуются специальные косметические средства и особая методика обработки.
В пределе, проведение процедуры подбора персональных косметических составов, при наличии сведений о величине осмолярности используемого концентрата позволит каждому потребителю определить проницаемость своей кожи по величине осмолярности, вызывающей эффект ее покраснения. Аналогичным образом практикующие косметологи могут по величинам осмолярности, вызывающей эффект покраснения кожи, определять состояние кожи у пациента и использовать эту величину для оценки правильности принятой системы ухода за кожей. Можно полагать, что при правильно выбранной системе ухода значения осмолярности, вызывающие эффект покраснения кожи, для легко проницаемых вариантов состояния кожи будут увеличиваться, а для трудно проницаемых вариантов состояния, наоборот, будут уменьшаться, стремясь к некоторой нормальной величине осмолярности (для нормальной кожи), которую нам еще предстоит установить.
Следует также подчеркнуть, что чередование утренней (низкоосмолярной) и вечерней (высокоосмолярной) композиций, которое приводит, соответственно, к увеличению и уменьшению объемов клеток эпидермиса является новым видом эффективного косметического массажа (осмомассаж), который препятствует «обвисанию» кожи и может ежедневно и многократно использоваться, вне зависимости от возраста потребителя.
Таким образом, в работе показана перспективность использования предложенного подхода, учитывающего взаимоотношения состояния (проницаемости) кожи и величинами осмолярности косметических средств, вызывающими эффект покраснения кожи, а также необходимость учета суммарной осмолярности при конструировании косметических средств, предназначенных для повседневного применения потребителями.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. X.Иост, "Физиология клетки" М.: "Мир", 1975, с 81;
2. А.Н.Децина «Теория мягких косметологических воздействий. Современная косметология», Новосибирск, ГУП Р-ПО СО РАСХН, 2001 г.