Solventi eutettici o NADES in cosmetica
Solventi eutettici o NADES in cosmetica, sono solventi eutettici naturali studiati per estrazione, stabilizzazione e delivery di attivi cosmetici. Vediamo insieme in questo articolo le applicazioni, i vantaggi e i limiti regolatori.
Solventi eutettici o NADES in cosmetica: utilizzo e caratteristiche
I NADES, o solventi eutettici naturali (Natural Deep Eutectic Solvents), rappresentano una delle tecnologie più interessanti sviluppate negli ultimi anni nell’ambito dell’estrazione di sostanze naturali.
Il loro interesse sta crescendo anche nel settore cosmetico, dove possono essere impiegati non soltanto come mezzi di estrazione, ma potenzialmente anche come sistemi di solubilizzazione, stabilizzazione e veicolazione di sostanze bioattive.
I NADES sono costituiti dalla combinazione di due o più sostanze capaci di sviluppare tra loro forti interazioni intermolecolari, in particolare legami a idrogeno.
Uno dei componenti agisce generalmente come Hydrogen Bond Acceptor, HBA, mentre l’altro svolge il ruolo di Hydrogen Bond Donor, HBD.
Quando i componenti vengono miscelati nel rapporto appropriato, queste interazioni ostacolano la formazione dei rispettivi reticoli cristallini. Il risultato è una miscela che presenta un punto di fusione molto inferiore rispetto a quello dei componenti presi singolarmente.
Due sostanze che a temperatura ambiente sono solide possono quindi formare, una volta opportunamente miscelate, un sistema liquido. È proprio questa forte depressione del punto di fusione che caratterizza i cosiddetti Deep Eutectic Solvents.
Da cosa possono essere costituiti i solventi eutettici o NADES?
La letteratura scientifica descrive numerose combinazioni. Tra i possibili componenti troviamo:
- zuccheri
- aminoacidi
- acidi organici
- polioli
- betaina
- derivati naturali compatibili con la formazione di reti di legami a idrogeno
Una parte molto consistente della letteratura sui DES e NADES utilizza inoltre choline chloride come Hydrogen Bond Acceptor. Questo punto, tuttavia, richiede una precisazione fondamentale quando si parla di applicazione cosmetica nell’Unione Europea.
Choline chloride: molto studiata nei solventi eutettici o NADES, ma non utilizzabile come ingrediente cosmetico nell’UE
Il choline chloride è probabilmente uno degli HBA più frequentemente utilizzati nella ricerca sui Deep Eutectic Solvents. Dal punto di vista scientifico rappresenta quindi un sistema modello estremamente importante.
Tuttavia, il suo impiego non è compatibile con la formulazione di un cosmetico commercializzato nell’Unione Europea.
L’Allegato II del Regolamento (CE) n. 1223/2009, che raccoglie le sostanze vietate nei prodotti cosmetici, riporta infatti alla voce 168: “Choline salts and their esters, e.g. choline chloride (INN)”.
Il choline chloride, CAS 67-48-1, rientra quindi esplicitamente tra le sostanze vietate nei prodotti cosmetici nell’UE.
Questo significa che è necessario distinguere chiaramente tra NADES scientificamente studiati e NADES realmente trasferibili allo sviluppo di un ingrediente cosmetico destinato al mercato europeo.
Un sistema contenente choline chloride può essere perfettamente valido per studiare un fenomeno estrattivo o comprendere il comportamento dei DES, ma non può essere semplicemente trasferito nella formulazione di un ingrediente cosmetico destinato al mercato UE.
Per lo sviluppo cosmetico diventa quindi particolarmente interessante progettare NADES a partire da componenti che abbiano uno status regolatorio compatibile con l’applicazione prevista, per esempio sistemi basati su betaina, glicerolo, zuccheri, aminoacidi o determinati acidi organici, sempre verificando caso per caso identità, purezza, concentrazione e condizioni di utilizzo.
Un solvente progettato intorno all’attivo
La caratteristica forse più innovativa dei solventi eutettici o NADES è la loro elevata possibilità di modulazione.
Nell’estrazione botanica tradizionale la composizione dell’estratto dipende fortemente dal solvente utilizzato. L’acqua privilegia le sostanze più polari. Etanolo e miscele idroalcoliche permettono di ampliare lo spettro di sostanze estratte. Glicoli e altri solventi utilizzati nella produzione di ingredienti cosmetici determinano a loro volta uno specifico profilo estrattivo.
I NADES permettono invece di intervenire contemporaneamente su numerosi parametri:
- natura dell’HBA
- natura dell’HBD
- rapporto molare
- contenuto di acqua
- polarità
- viscosità
- pH
In questo modo il solvente può essere progettato in funzione delle molecole che si desidera estrarre.
Il cambio di prospettiva è importante: non si tratta più soltanto di chiedersi “Quale solvente utilizzo per estrarre questa pianta?”, ma piuttosto “Quale sistema solvente devo costruire per ottenere il fitocomplesso che mi interessa?”
Solventi eutettici e NADES come metodo di green extraction
Una delle applicazioni più studiate riguarda la cosiddetta green extraction.
Nel processo tradizionale un solvente può dover essere successivamente rimosso e recuperato. Un processo industriale può quindi prevedere: materia vegetale → estrazione → filtrazione → evaporazione del solvente → concentrazione → risolubilizzazione dell’estratto.
Con un NADES opportunamente progettato e costituito da sostanze compatibili con l’impiego cosmetico, è invece possibile ipotizzare: materia vegetale → estrazione con NADES → filtrazione → standardizzazione → ingrediente.
Il mezzo di estrazione può quindi, almeno in alcuni sistemi, rimanere nell’ingrediente finale. La possibilità di ottenere ingredienti ready-to-use è infatti una delle applicazioni più interessanti dei NADES.
Questa strategia può potenzialmente ridurre:
- numero delle operazioni
- consumo di energia
- necessità di evaporazione
- esposizione dell’estratto al calore
- utilizzo di solventi volatili
Il vantaggio ambientale, tuttavia, deve essere dimostrato attraverso la valutazione dell’intero processo. Un NADES molto viscoso, per esempio, può richiedere maggiore energia per miscelazione, pompaggio e filtrazione. “Green” non deve quindi essere considerato sinonimo automatico di “più sostenibile”.
Estrarre e stabilizzare contemporaneamente
Un altro elemento particolarmente interessante è che il NADES, o solvente eutettico, può svolgere un ruolo che va oltre quello del semplice solvente.
La rete di interazioni intermolecolari può generare un microambiente particolare intorno alle molecole estratte. Sono stati osservati, per diversi composti bioattivi, miglioramenti della stabilità durante estrazione e conservazione.
Per la cosmetica questo aspetto è estremamente interessante. Molti fitocomposti presentano infatti una criticità ben nota: è possibile estrarli, ma è difficile mantenerli stabili.
La matrice NADES potrebbe quindi svolgere tre funzioni contemporaneamente: estrazione → solubilizzazione → stabilizzazione.
In questo caso il solvente non sarebbe più semplicemente il mezzo necessario a ottenere l’attivo, ma diventerebbe parte integrante della tecnologia dell’ingrediente.
Solventi eutettici o NADES e solubilizzazione di sostanze poco solubili
Alcuni solventi eutettici, o NADES mostrano capacità solventi difficilmente prevedibili considerando semplicemente la polarità dei singoli componenti.
Sono stati studiati sistemi capaci di aumentare significativamente la solubilità di sostanze scarsamente solubili in acqua. È proprio questa proprietà ad aver generato un forte interesse nel settore farmaceutico, dove i NADES vengono studiati anche come sistemi di delivery.
Dal punto di vista cosmetico questo apre una prospettiva interessante: il NADES potrebbe essere utilizzato non soltanto per estrarre una molecola, ma anche per mantenerla solubilizzata nell’ingrediente o nella formulazione finale.
I solventi eutotteici, o NADES, possono aumentare la penetrazione cutanea?
È necessario essere più cauti su questo punto.
La letteratura sui DES e NADES comprende studi di delivery transdermico e di interazione con la barriera cutanea. Tuttavia, non è corretto attribuire genericamente a tutti i NADES una funzione di penetration enhancer.
Il comportamento dipende infatti da:
- natura dei componenti
- concentrazione
- polarità
- pH
- attività termodinamica dell’attivo
- caratteristiche della sostanza veicolata
- interazioni con i lipidi dello strato corneo
Il sistema deve quindi essere valutato caso per caso. In ambito cosmetico è più corretto parlare di potenziale modulazione della disponibilità dell’attivo piuttosto che attribuire alla categoria NADES una generica capacità di aumentare la penetrazione.
Solventi eutettici o NADES idrofili e idrofobici
I NADES inizialmente studiati erano prevalentemente sistemi idrofili. Lo sviluppo dei cosiddetti hydrophobic NADES ha successivamente ampliato molto il campo applicativo.
NADES idrofili
- polifenoli
- flavonoidi
- antociani
- acidi fenolici
- altri metaboliti polari
NADES a polarità intermedia
Possono essere utilizzati per cercare di ampliare il profilo fitochimico dell’estratto e ottenere contemporaneamente molecole con diversa affinità per il mezzo.
NADES idrofobici
- terpeni
- carotenoidi
- frazioni aromatiche
- altre sostanze relativamente lipofile
Questa possibilità rende particolarmente interessante lo studio dei NADES quando l’obiettivo non è isolare una singola molecola ma ottenere un fitocomplesso più ampio e funzionale.
L’acqua non è semplicemente un diluente
Uno dei principali limiti tecnologici dei solventi eutettici, o NADES, è la viscosità.
Molti sistemi eutettici presentano viscosità molto superiori rispetto a quelle dei solventi convenzionali. Una viscosità elevata può rallentare diffusione, trasferimento di massa, estrazione dalla matrice botanica, filtrazione e trasferimento industriale.
Per questo motivo viene spesso aggiunta una certa quantità di acqua. L’aggiunta di acqua riduce la viscosità e può migliorare fortemente la cinetica di estrazione.
Ma l’acqua modifica contemporaneamente la struttura stessa del sistema. A concentrazioni crescenti può interferire con la rete di legami a idrogeno che caratterizza il NADES e modificarne polarità, comportamento solvente e organizzazione intermolecolare.
La percentuale di acqua deve quindi essere considerata un parametro di formulazione del solvente, non semplicemente una diluizione.
Naturale non significa automaticamente sicuro
Il termine Natural Deep Eutectic Solvent può indurre a pensare che il sistema sia automaticamente sicuro perché costituito da sostanze naturali. Non è così.
La sicurezza dipende da:
- identità dei componenti
- concentrazione
- rapporto tra i componenti
- pH
- osmolarità
- purezza
- potenziale irritativo
- interazione con la barriera cutanea
- dose finale nel cosmetico
Inoltre, come dimostra proprio il caso della choline chloride, una sostanza molto utilizzata nella letteratura scientifica sui solventi eutettici, o NADES, può non essere ammessa nella formulazione cosmetica europea.
La progettazione di un NADES destinato alla cosmetica deve quindi partire contemporaneamente da due domande: “Il sistema funziona tecnologicamente?” e “I suoi componenti sono realmente utilizzabili nel mercato cosmetico di destinazione?” La valutazione regolatoria non può essere effettuata soltanto alla fine dello sviluppo.
Conservazione microbiologicadei solventi eutettici o NADES
Anche il comportamento microbiologico richiede una valutazione specifica.
Alcuni NADES concentrati possono presentare condizioni poco favorevoli alla crescita microbica grazie alla limitata disponibilità di acqua e alle caratteristiche chimico-fisiche del sistema.
Questo non significa, tuttavia, che un estratto ottenuto con NADES possa essere automaticamente considerato self-preserving.
Una volta diluito nella formulazione cosmetica possono cambiare significativamente attività dell’acqua, pH, forza osmotica, disponibilità dei nutrienti ed efficacia antimicrobica intrinseca.
La stabilità microbiologica deve quindi essere dimostrata sperimentalmente sull’ingrediente e sul prodotto cosmetico finale.
Il vero potenziale dei solventi eutettici o NADES per la cosmetica
Interpretare i NADES semplicemente come una sostituzione “green” di glicole, acqua o etanolo sarebbe probabilmente riduttivo.
Il loro interesse maggiore nasce dalla possibilità di progettare un sistema capace di svolgere contemporaneamente più funzioni:
- solvente di estrazione
- mezzo di solubilizzazione
- matrice di stabilizzazione
- carrier dell’attivo
In questa prospettiva, il solvente non è più soltanto un mezzo tecnologico da eliminare. Diventa una componente strutturale dell’ingrediente.
NADES: una nuova piattaforma per gli attivi cosmetici?
Per chi sviluppa estratti vegetali e ingredienti cosmetici, il potenziale più interessante potrebbe essere proprio questo.
Invece di partire dalla pianta e scegliere tra pochi solventi convenzionali, è possibile partire dal profilo fitochimico desiderato e costruire intorno ad esso il sistema estrattivo.
Questo potrebbe permettere di:
- ampliare il numero di molecole recuperabili
- ottenere fitocomplessi con profili differenti
- migliorare la solubilità di composti critici
- aumentare la stabilità di determinate sostanze
- ridurre alcune fasi di processo
- valorizzare matrici botaniche e sottoprodotti attraverso processi di upcycling
Ma soprattutto introduce un diverso modo di progettare l’ingrediente.
La domanda non è più semplicemente: “Come estraiamo questa pianta?” La domanda diventa: “Quale microambiente vogliamo costruire intorno ai suoi composti bioattivi?”
È probabilmente questo il vero cambio di paradigma introdotto dai Natural Deep Eutectic Solvents nello sviluppo degli attivi cosmetici.
Bibliografia essenziale
Regolamento (CE) n. 1223/2009 sui prodotti cosmetici, Allegato II, voce 168: “Choline salts and their esters, e.g. choline chloride (INN)”.
Per l’impiego industriale dei NADES in cosmetica è indispensabile verificare lo status regolatorio aggiornato di ciascun componente e della specifica applicazione nel mercato di destinazione.
Leggi anche: gli estratti vegetali nei cosmetici: caratteristiche e sicurezza
