Coacervación: estrategia para formular productos capilares

La coacervación puede convertirse en una estrategia para desarrollar productos capilares. Las ventajas de los coacervados no solo estriban en mantener su estructura o incorporar nuevas moléculas del entorno, sino también en su capacidad para incrementar el poder acondicionador de las macromoléculas. Además, minimizan la probabilidad de separación o de reducción de espumabilidad por el uso de aceites o componentes grasos en la fórmula. A nivel sensorial, los coacervados favorecen la suavidad y brillo del cabello.

Autores: Dr. Sergio Alberto Bernal Chávez, Profesor-Investigador, Departamento de Ciencias Químico-Biológicas, UDLAP; Dr. Sergio Alcalá Alcalá, Profesor-Investigador, Facultad de Farmacia, UAEM; Gael Alexander López Sucilla, estudiante de licenciatura en QFB, UDLAP

Las preocupaciones de los consumidores en torno a la salud del cuero cabelludo han aumentado. Por eso ahora ponen mayor atención a problemas como el adelgazamiento y la caída del cabello, la caspa o la sensibilidad del cuero cabelludo. Este comportamiento ha impulsado la demanda de productos especializados para el cuidado del cabello.

En el mercado de cuidado personal, los champús y acondicionadores son productos de alto consumo entre la población a nivel mundial. En México, según la Cámara Nacional de la Industria de Productos Cosméticos (Canipec), el mercado de cuidado personal mostró un saldo comercial de 2,235.1 millones de dólares en 2021, un valor mayor a lo reportado en 2018.

Por otro lado, entre 2017 y 2019 los productos de cuidado capilar ocuparon el segundo lugar en el consumo promedio de productos de cuidado personal. Sólo después de los productos para el cuidado de la piel, con un gasto promedio anual de entre 34,347 y 37,823 pesos.¹

Observaciones en la formulación de champús y acondicionadores

La formulación de champús para el cabello debe cumplir con ciertos requisitos para no dañar las fibras capilares. Por ejemplo, un pH que oscile entre 5.5 y 6.0, así como una base limpiadora que no sea agresiva con la fibra capilar o la piel cabelluda.

La mayor parte del tiempo la base limpiadora se forma por dos tensoactivos aniónicos. Un tensoactivo aniónico primario en mayor proporción, y un tensoactivo aniónico secundario en menor proporción. Adicionalmente, los champús pueden contener estabilizadores de espuma, espesantes, antiirritantes, reengrasantes, acondicionadores, entre otros.

En el caso de los acondicionadores, son compuestos que mejoran la apariencia y el tacto del cabello. Tienen propiedades que facilitan el peinado, haciéndolo más flexible, suave y brillante. Además, confieren volumen, ligereza y textura.

Los ingredientes en la fórmula de un champú pueden incrementar las interacciones y propiciar la formación de estructuras más complejas. A estas se les conoce como coacervados; y tecnológica y funcionalmente, pueden tener un impacto significativo (a favor o en contra) en el cabello y en los sensoriales del producto.2

Así, la coacervación es una técnica muy empleada en la industria de los cosméticos, y podría ofrecer múltiples ventajas en los productos capilares. Se utiliza como un medio para la síntesis de nanomateriales de uso cosmético y en procesos de emulsificación de cremas y maquillajes. También en la administración de ingredientes cosméticos activos (ICAs) altamente hidrofóbicos; lo mismo que en la formulación de otros productos diferentes a los de uso capilar.

Por lo anterior, el conocimiento de los principios fisicoquímicos, la formación y la aplicación de los coacervados es de vital relevancia para el desarrollo de productos cosméticos.

Principios fisicoquímicos para la formación de coacervados

Los polielectrolitos interactúan fuertemente con estructuras micelares de carga opuesta en sistemas acuosos, lo que conduce por lo general a la separación de fases (Figura 1).

La unión de tensioactivos aniónicos a polielectrolitos catiónicos puede resultar en una separación de fases asociativa en una amplia gama de mezclas, con una fase tipo gel rica tanto en polímero como en tensioactivo. Y a esta se le conoce como coacervado.³

El fenómeno de coacervación puede generar diversas microestructuras, entre ellas: complejos tipo collar de perlas, precipitados líquidos o sólidos, geles y líquidos cristalinos.⁴

Proceso de coacervación, considera productos capilares — Figura 1.Proceso de coacervación. La mezcla de las soluciones genera un sistema bifásico caracterizado por una fase más densa rica en coacervados

La formación de un sistema coacervado propicia que la solución acuosa inicial se separe en dos fases líquidas inmiscibles. La más densa se considera la fase de coacervación, y está en equilibrio con la fase líquida de los sistemas relativamente diluidos.⁵

El diseño exitoso de un proceso de coacervación incorpora un conocimiento de las interacciones moleculares, de las propiedades fisicoquímicas de las materias primas y de las etapas de proceso que pueden influir en los sistemas de autoensamblado.⁶ Las interacciones gobiernan las propiedades físicas de los coacervados, por ejemplo, la capacidad de adhesión a una superficie o el comportamiento reológico.

Hasta ahora, el entendimiento de la coacervación se ha centrado en tres líneas generales⁴:

Enfoque termodinámico clásico
Análisis estructural del coacervado
Enfoque termodinámico molecular diseñado para elucidar las interacciones moleculares en la coacervación.

Influencia de los materiales en la formación de coacervados

La coacervación es impulsada por la carga opuesta de las especies en solución, y está controlada tanto por la concentración como por la estructura primaria de cada componente⁵. La unión cooperativa del tensoactivo con el polielectrolito ocurre por arriba de la concentración de agregación crítica del tensioactivo (CAC), que es más baja que la concentración micelar crítica (CMC) de la solución del tensioactivo puro.

Por su parte, la determinación de las CAC usualmente se mide con electrodos selectivos a tensoactivos. Estos facilitan la determinación del número de moléculas de tensoactivo unidas por el grupo cargado del polímero.⁷

Cuando coexisten en solución los tensioactivos y los polímeros con cargas opuestas, los complejos adoptan tres estados disueltos (Figura 2). Y estos se definen con base en la relación de equivalente eléctrico entre el número de tensoactivos en estado iónico (T) y el número de grupos ionizados del polímero (P).

Los tres estados o etapas, son:

Relación T/P<1, que ocurre en un estado donde el tensoactivo se encuentra por debajo de la concentración micelar crítica (CMC). El resultado es un sistema monofásico, donde el complejo aún mantiene la carga catiónica del polímero.
Relación T/P=1, donde hay una neutralización de las cargas y los complejos se vuelven insolubles y precipitan alrededor de la línea de neutralización. Esta etapa se denomina región de coacervación o región de precipitación de complejo.
Relación T/P>1, donde hay formación gradual de micelas sobre los complejos precipitados, para después disolverse de nuevo y coexistir con micelas libres.⁶

Características que influyen en la formación de coacervados

Entre las características que influyen en la formación de los coacervados se encuentran la solubilidad, el peso molecular, la densidad de carga y la hidrofobicidad. La formación de estos complejos es resultado de un balance de fuerza entre las contribuciones electrostáticas, hidrofóbicas, de Van der Waals, entre otras, sobre la estabilidad del sistema.³

coacervación en productos capilares — Figura 2.Representación esquemática de los tres estados disueltos del complejo tensioactivo (T)/polímero (P). Las etapas 1 y 3 son soluciones monofásicas claras. La etapa 2 está turbia por el complejo coacervado insoluble. Tomada y adaptada de [6]

La densidad de carga es uno de los factores que más afecta la coacervación. A muy bajas densidades de carga, la coacervación se suprime, mientras que a muy altas densidades de carga puede ocurrir una precipitación.⁷

Adicionalmente, la flexibilidad de las cadenas poliméricas también contribuye a la morfología de los coacervados. Y también puede afectar de manera significativa las características reológicas de los precipitados. Estas cadenas pueden, por ejemplo, encogerse y disolverse cuando hay una alta densidad de cadena del polímero.

Por otro lado, cuando las cargas son bajas, las cadenas poliméricas forman una estructura más hueca tipo malla. Esto puede generar precipitados pequeños, cuya cantidad, incluso, puede verse disminuida.⁸

Finalmente, además de las materias primas, los factores asociados con el proceso o con las soluciones que se preparan pueden afectar la coacervación. Entre estos factores se hallan, por ejemplo, la temperatura, el pH, la fuerza iónica o el tipo de disolvente.⁶

Función de los coacervados en productos capilares

Los coacervados presentan ventajas como mantener su estructura e incorporar nuevas moléculas del entorno. Además, desde la perspectiva cosmética pueden incrementar el poder acondicionador de las macromoléculas. En los productos capilares como el champú, por ejemplo, los coacervados pueden depositarse sobre la fibra capilar (Figura 3) y propiciar cambios en el sensorial.

Asimismo, los coacervados minimizan la probabilidad de separación o de reducción de espumabilidad por el uso de aceites o componentes grasos en la fórmula. Esta propiedad ofrece un gran enfoque para hacer champús 2 en 1.9 Los champús que producen coacervados sobre el cabello favorecen la suavidad y el brillo de este.2

Los tensoactivos aniónicos y los polímeros catiónicos son los ingredientes comunes que hacen efectivo el proceso.⁶

Polyquartanium-10
Goma guar catiónica
Homopolímeros sintéticos: polyquartanium-6
Copolímeros: polyquartanium-7)

Sin embargo, otros componentes como las siliconas suavizantes (dimeticona, por ejemplo) también pueden contribuir a la formación de coacervados. En este caso, la resina que da cuerpo al cabello se precipita tras la dilución de la composición del champú y la aplicación en las fibras capilares. Después de esto, la resina se coacerva con el siloxano y el coacervado se deposita en el cabello.

Factores que influyen en la formación de coacervados

La mayoría de los champús acondicionadores depende de la deposición de un coacervado de polímero-tensioactivo para conferir una buena manejabilidad y un buen peinado húmedo. Como se mencionó, la formación de coacervados complejos depende de manera crucial de las características moleculares del polímero y de las especies de tensioactivos. También se ve afectada de manera significativa por la presencia de ingredientes como cotensioactivos y sales disueltas.²

Los tensoactivos aniónicos son los principales ICAs en un champú. No obstante, la adición de tensoactivos no iónicos, anfotéricos, aminoacídicos, etc. –que se usan, entre otros fines, para mejorar la espumabilidad y reducir la irritabilidad de los ICAs– pueden reducir su carga aniónica, lo que afecta la región de coacervación.

Conclusiones

La coacervación representa una estrategia y, al mismo tiempo, un fenómeno de relevancia para el desarrollo de productos cosméticos, y entre ellos los capilares. Se debe de considerar que no solo la carga y la fuerza iónica, sino también la propiedad de disociación del grupo aniónico polar, tienen una influencia en la coacervación bajo alta fuerza iónica.

Asimismo, para el control de la coacervación es necesario determinar la línea de neutralización de carga y la región de coacervación, así como construir una metodología donde la coacervación corresponda a la composición diluida de los productos capilares.

Para ese propósito, es importante controlar la interacción electrostática anión/catión a través de la densidad de carga con la selección del polímero y la mezcla con otros tensioactivos y electrolitos.

Hoy en día la variedad de tensoactivos para el cuidado personal se está expandiendo. Incluso con tensioactivos basados en aminoácidos y azúcar o biotensoactivos. Por lo tanto, también deben aclararse los factores de control de la coacervación.

Además, con el fin de mejorar las funciones y añadir valor, es necesario desarrollar la tecnología de coacervación como una técnica efectiva para adsorber micelas, emulsiones e ingredientes activos. El desarrollo de la coacervación finalmente impactará los sensoriales de los productos capilares, y con ello mejorará la aceptación de los consumidores.

Referencias

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