Nanotechnologia idealnym rozwiązaniem w kosmetologii

© .shock - Fotolia

Nanotechnologia według definicji to ogólna nazwa zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych, czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek (https://pl.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologia, dostęp: 12.12.2016). Rozmiary nanometryczne nie są jednoznacznie zdefiniowane. Jako najszerzej przyjętą definicję uznaje się zalecenie Komisji Europejskiej, w której nanomateriałami określa się materiały, które przynajmniej w jednym wymiarze mają rozmiar 1–100 nm lub też w rozkładzie wielkości cząstek przynajmniej 50% cząstek jest w skali nanometrycznej, co stosuje się np. do kompozytów (EUR-Lex - 32011H0696 - EN - EUR-Lex, eur-lex.europa.eu, dostęp: 12.12.2016). Nanotechnologia to działanie na poziomie molekularnym, prowadzące do wytworzenia nowego kosmetyku, leku, materiału czy urządzenia. To interdyscyplinarna dziedzina dostarczająca nowych rozwiązań, których celem jest poprawa jakości wielu aspektów życia człowieka.

Zastosowanie nanotechnologii

Liczba nanoproduktów wzrasta razem z dynamicznym rozwojem nanonauki, a także potencjalnych zastosowań nanotechnologii. Problematyka w zakresie nanotechnologii dotyczy nanomateriałów, nanostruktur i nanocząsteczek oraz ich zastosowań i bezpieczeństwa powiązanego z ich produkcją, użytkowaniem i obiegiem w środowisku naturalnym. Wskazuje się na możliwe zmiany w produkcji przemysłowej oraz ekonomii wywołane przez nanotechnologie w najbliższych dekadach.

Nie ma obecnie takiej dziedziny, w której nie wykorzystuje się nanomateriałów, od materiałów stosowanych w budownictwie po terapię genową. Nanobiotechnologia stosowana jest do kierowania genami roślin i zwierząt. W medycynie zastosowanie nanotechnologii jest wszechstronne. Nanomedycyna zajmuje się diagnozowaniem, monitorowaniem i leczeniem chorób przy użyciu nanotechnik. Bardzo obiecującą techniką wydaje się wprowadzenie do leczenia tzw. kropek kwantowych. Kropki kwantowe (ang. quantum dots – QD) to struktury o właściwościach pośrednich pomiędzy półprzewodnikami i cząstkami kwantowymi. Są to półprzewodnikowe nanokryształy o wielkości od 2–10 nm. Dzięki niewielkiej liczbie atomów i średnicy kilku nanometrów mają wyjątkowe właściwości absorpcji i emisji promieniowania. Kropki kwantowe po iniekcji wnikają do komórek nowotworowych, które można zaobserwować w mikroskopie dzięki promieniom ultrafioletowym [2]. Nanocząsteczki mogą występować w różnych kształtach, takich jak kule (fulereny węglowe), rurki (tworzą je najczęściej pojedyncze atomy lub cząsteczki, które układają się w jedno- lub kilkuwarstwowe rurki), formy typu dendrymeru (cząsteczki ditlenku tytanu).

Tworzenie nanostruktur

Do wytworzenia nanostruktur wykorzystuje się syntezę mechaniczną, chemiczną lub biologiczną. Syntezę można przeprowadzić tzw. podejściem bottom-up, czyli wykorzystując samoorganizację atomów i cząstek. Drugi sposób to sposób top-down, czyli miniaturyzacja większych struktur. Procesy bottom-up to synteza nanostruktur poprzez syntezę chemiczną w fazie gazowej, ciekłej bądź stałej lub ściśle kontrolowane osadzanie. Procesy top-down obejmują natomiast większość metod technologicznych przetwarzających ciało stałe. Zaliczyć tu należy mielenie, gdzie materiał jest rozdrobniony pomiędzy dwoma stalowymi bądź wolframowymi żarnami w warunkach beztlenowych. Litografia to jedna z metod, kiedy na podłoże pokryte substancją ochronną (rezystem) nanosi się kształt, jaki ma przyjąć nanostruktura, za pomocą światła UV, promieni X, elektronów lub jonów. Proces ten stosuje się w przemyśle półprzewodnikowym do wytwarzania układów scalonych oraz elementów optoelektronicznych. Kolejna technika to tzw. obróbka, technika wykorzystująca zogniskowaną wiązkę jonów (ang. Focused Ion beam – FIB). Przy otrzymywaniu nanostruktur często nieodzowne jest zastosowanie symulacji komputerowej, dzięki czemu można przewidzieć zachowanie cząstek o ograniczonych wymiarach.

Nanotechnologia w kosmetologii

Nanotechnologia znalazła szerokie zastosowanie w kosmetologii. Nośniki stosowane w preparatach kosmetycznych definiuje się jako struktury lub systemy, które stanowią rezerwuar substancji czynnych i umożliwiają ich kontrolowane uwalnianie w pożądanym miejscu w skórze. Struktury te mogą występować w różnej postaci. Mogą być rozproszone w gazie (nanozole), w płynie (koloidy lub nano-hydrozole), osadzone w matrycy (nanokompozyty) lub w substratach (nanomateria). Istotną rolę odgrywa również podłoże, w którym zawieszone są nanocząstki. Może to być żel, roztwór czy emulsja, są to koloidalne systemy nośnikowe. Powszechnie wiadomo, że kosmetyk jest tym skuteczniejszy, im więcej aktywnego składnika pokona barierę warstwy rogowej i dotrze do skóry właściwej. Najskuteczniejszą metodą transportu dotychczas poznaną, przebadaną i szeroko stosowaną okazują się systemy nośnikowe. Najczęściej mają one postać pęcherzyków, a substancja aktywna może być zamknięta w ich wnętrzu, dyspergowana w pęcherzyku bądź zaadsorbowana na jego powierzchni. Dąży się do uzyskania idealnego nośnika o optymalnym obciążeniu substancją aktywną, długim okresie magazynowania oraz niskiej toksyczności.

Zastosowanie nanostruktur w kosmetykach przynosi wiele korzyści. Pierwszą z nich jest ułatwienie dyfuzji cząsteczek składników aktywnych kosmetyków poprzez błony komórkowe, działanie katalityczne w stosunku do transportu przeznaskórkowego. Po drugie systemy te umożliwiają wprowadzenie substancji czynnych w głąb skóry w postaci niezmienionej, poprzez działanie ochronne przed działaniem czynników zewnętrznych. Ponadto są biozgodne, biodegradowalne i kompatybilne ze składnikami błon biologicznych oraz zapewniają kontrolowane uwalnianie substancji aktywnej. Dodatkowo zwiększają rozpuszczalność substancji trudnorozpuszczalnych i zapobiegają interakcjom pomiędzy różnymi związkami w danej formulacji. Poza tym umożliwiają przenoszenie substancji aktywnych w wyższych stężeniach, zmniejszając jednocześnie skutki uboczne z tym związane.

Systemy submikronowe – liposomy i ich pochodne

Szerokie zastosowanie w kosmetologii znalazły systemy submikronowe. Submikronowe systemy nośnikowe to struktury nie przekraczające 1000 nm. Najpopularniejsze z nich to liposomy, które zostały odkryte w 1961 roku przez angielskiego biofizyka Aleca Banghama. Liposomy to sferyczne pęcherzyki zbudowane z dwuwarstwowej osłonki lipidowej stanowiącej ścianę pęcherzyka oraz hydrofilowego rdzenia. W skład błony liposomu wchodzą fosfolipidy (głównie fosfatydylocholina, czyli lecytyna), ceramidy i cholesterol. Hydrofilowe wskaźniki obejmujące glicerol, cholinę i reszty fosforanowe cząsteczek fosfolipidów skierowane są na zewnątrz, a hydrofobowe końcówki, na które składają się reszty kwasów tłuszczowych – do wnętrza dwuwarstwy. Substancja aktywna transportowana przez liposomy może być rozpuszczona w fazie wodnej lub lipidowej. Otoczki liposomów o charakterze amfifilowym (jednoczesna niepełna rozpuszczalność danego związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach – hydrofilowym i hydrofobowym) mogą być obojętne, naładowane dodatnio lub ujemnie. Poza rozmiarami w skali nano ogromną zaletą liposomów jest ich skład, który bardzo przypomina strukturę lipidową skóry. Umożliwia to dostarczanie wyższych stężeń składników aktywnych do skóry, a składniki membrany liposomów, takie jak fosfatydylocholina, cholesterol i ceramidy wpływają na właściwości stratum corneum. W kosmetyce wykorzystywane są liposomy wielkości 100–250 nm. Pochodnymi liposomów są niosomy. Są to pęcherzyki zbudowane z amfifilowych uwodnionych monomerów surfaktantów o zdolnościach samorzutnego gromadzenia się w dwuwarstwy. Kolejna grupa pochodnych to swingosomy, które składają się z dwuwarstwy uformowanej przez cząsteczki sfingozyny. Trzecia grupa pochodnych to etanolosomy – liposomy, w których skład wchodzi także etanol. Najmniejszymi liposomami są nanosomy, które najłatwiej wnikają w głąb skóry. Są to pęcherzyki otoczone jedną lub wieloma warstwami fosfolipidów.

Piśmiennictwo

1. B. Waszkiewicz-Robak, F. Świderski, Nanotechnologia – korzyści i zagrożenia zdrowotne, Bromat. Chem. Toksykol. XLI, 2008.
2. C.C. Muller-Goymann, Physicochemical characterization of colloidal drug delivery system such as reverse micelles, vesicles, liquid crystals and nanoparticles for topical administration, Eur. J. Pharm. Biopharm., 2004.
3. M. Sikora, Nanokosmetyki w natarciu, Plastics Review 7/2007.
4. K. Dong-Goon et al., Retinol – encapsulated low molecular water-soluble chitosan nanoparticles, Int. J. Pharm., 2006.
5. J. Pardeike, A. Hommoss, R.H. Muller, Lipid naoparticles (SLN, NLC) In cosmetics and pharmaceutical deramal products, Int. J. Pharm., 2009.
6. Gelfuso GM, Cunha-Filho MS, Gratieri T., Nanostructured lipid carriers for targeting drug delivery to the epidermal layer, Ther Deliv. 2016 Nov; 7(11):735-737.
7. Hobson DW, Roberts SM, Shvedova AA, Applied Nanotoxicology, Int J Toxicol. 2016 Jan-Feb; 35(1):5-16.
8. Endes C, Camarero-Espinosa S, Mueller S, A critical review of the current knowledge regarding the biological impact of nanocellulose, J Nanobiotechnology. 2016 Dec 1; 14(1):78
9. Ganesan P, Choi DK, Current application of phytocompound-based nanocosmeceuticals for beauty and skin therapy, Int J Nanomedicine. 2016 May 11; 11:1987-2007.
10. Kakran M, Antipina MN, Emulsion-based techniques for encapsulation in biomedicine, food and personal care, Curr Opin Pharmacol. 2014 Oct; 18:47-55.
11. Snopczyński T, Góralczyk K, Czaja K, Nanotechnology – possibilities and hazards, Rocz Panstw Zakl Hig. 2009; 60(2):101-11.
12. Y. Lin, L. Yan, Broad spectrum anti-bactericidal ointment nano, CN Patent. CN 1480045 A. March 2004.
13. K. Takeda, K.-I. Suzuki, A. Ishihara et al., Nanoparticles transferred from pregnant mice to their offspring can damage the genital and cranial nerve systems. Journal of Health Science, vol. 55, no. 1, pp. 95–102, 2009.
14. R. Dunford, A. Salinaro, L. Cai et al., Chemical oxidation and DNA damage catalysed by inorganic sunscreen ingredients, FEBS Letters, vol. 418, pp. 87–90, 1997.
15. S. Arora, J.M. Rajwade, K.M. Paknikar, Nanotoxicology and in vitro studies: the need of the hour, Toxicology and Applied Pharmacology, vol. 258, no. 2, pp. 151–165, 2012.
16. W.H. De Jong and P.J.A. Borm, Drug delivery and nanoparticles: applications and hazards, International Journal of Nanomedicine, vol. 3, no. 2, pp. 133–149, 2008.