Introduction
La stabilité des produits cosmétiques constitue un enjeu majeur en formulation. « Qu’il s’agisse de mettre au point une suspension pigmentée, un sérum transparent ou une émulsion complexe, les formulateurs doivent veiller à ce que les produits restent homogènes, efficaces et visuellement attrayants pendant toute leur durée de conservation. » Les phénomènes d’instabilité tels que la sédimentation, le crémage, la floculation ou la séparation de phases compromettent non seulement les performances du produit, mais aussi sa perception par les consommateurs et sa conformité réglementaire.
Le potentiel zêta, tout comme le potentiel zêta de surface, constitue un outil précieux, mais encore souvent sous-utilisé, dans les essais de stabilité des produits cosmétiques. Ce paramètre électrocinétique renseigne sur l’état de charge électrique à la surface des particules ou des gouttelettes dispersées ainsi que dans la couche interfaciale qui les entoure. En quantifiant les interactions entre particules, entre gouttelettes et entre la formulation et les surfaces, le potentiel zêta et le potentiel zêta de surface offrent une méthode quantitative robuste pour évaluer et optimiser la stabilité des formulations ainsi que leurs interactions avec des substrats cibles tels que la peau, les cheveux ou les ongles. Cette approche est particulièrement pertinente pour les systèmes dans lesquels les forces électrostatiques influencent l’agrégation, le dépôt, l’adhésion, l’étalement et les performances sensorielles globales.
Conformité réglementaire
Les essais de stabilité constituent une étape fondamentale du développement des produits cosmétiques afin de vérifier le maintien de leur sécurité, de leur qualité et de leurs performances pendant toute leur durée de conservation prévue. Sur le plan réglementaire, la réglementation n’impose aucun protocole normalisé unique pour les essais de stabilité des produits cosmétiques, mais confie aux fabricants la responsabilité de démontrer la stabilité du produit dans des conditions de stockage et d’utilisation raisonnablement prévisibles. Dans l’Union européenne, le règlement (CE) n° 1223/2009 exige que les données de stabilité étayent la détermination de la date de durabilité minimale ou de la période après ouverture (PAO) et que ces informations figurent dans le dossier d’information sur le produit (DIP). Des principes similaires s’appliquent dans d’autres cadres réglementaires, notamment dans les lignes directrices de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis et dans les normes ISO (par exemple, ISO 22716 et ISO/TR 18811), qui préconisent une approche fondée sur les risques et adaptée à la formulation, au conditionnement et à l’usage prévu du produit cosmétique. Par conséquent, les stratégies d’essais de stabilité associent généralement des études en temps réel, des essais accélérés ainsi que des évaluations physiques, chimiques et microbiologiques afin de fournir des données probantes sur la stabilité du produit conformément aux exigences réglementaires.
Potentiel zêta : quelle importance pour la formulation cosmétique ?
La plupart des produits cosmétiques sont des systèmes dispersés, tels que les crèmes et les lotions, les sérums contenant des actifs en suspension, les produits solaires à base de particules minérales dispersées, ainsi que les nanoémulsions et les microémulsions. Dans le cadre des essais de stabilité des cosmétiques, le potentiel zêta renseigne non seulement sur la stabilité à long terme des produits, mais aussi sur la matrice des ingrédients et les interactions de surface au sein de la formulation et avec son environnement. Lorsque la valeur absolue du potentiel zêta est élevée, les particules se repoussent fortement ; lorsqu’elle est faible, la répulsion diminue et la phase dispersée tend à s’agréger, à floculer ou à coalescer (figure 1).
Émulsions
Dans les systèmes émulsionnés, les gouttelettes dispersées acquièrent une charge interfaciale sous l’effet de l’adsorption et de l’orientation d’émulsifiants ioniques ou ionisables à l’interface huile-eau. Le potentiel électrostatique qui en résulte au niveau du plan de cisaillement (potentiel zêta) est un paramètre clé régissant les interactions interparticulaires au sein de la dispersion.
Le potentiel zêta renseigne sur la résistance des gouttelettes à la coalescence, leur sensibilité aux variations de la concentration en électrolytes et leur compatibilité avec des actifs et des conservateurs chargés ou tensioactifs. Une valeur absolue suffisamment élevée du potentiel zêta favorise la répulsion électrostatique entre les gouttelettes et contribue ainsi à la stabilité colloïdale.
L’ajout d’électrolytes ou d’ingrédients actifs ionisables peut comprimer la double couche électrique entourant les gouttelettes, réduisant ainsi l’amplitude du potentiel zêta. Cette compression affaiblit la répulsion électrostatique et peut donc accroître le risque de floculation ou de coalescence et, à terme, compromettre la stabilité de l’émulsion.
Par conséquent, les mesures de potentiel zêta sont couramment utilisées dans les essais de stabilité des cosmétiques au cours du développement des formulations afin d’optimiser le choix de l’émulsifiant, la concentration en tensioactifs, le pH et la force ionique, de manière à obtenir des émulsions présentant une stabilité maîtrisée et reproductible.
Suspensions
Dans les systèmes cosmétiques particulaires tels que les fonds de teint liquides, les écrans solaires minéraux, les masques à l’argile et les shampooings antipelliculaires contenant des actifs à base de zinc, les performances et les propriétés sensorielles du produit dépendent fortement de la stabilité de la phase solide dispersée. Ces formulations sont souvent des systèmes colloïdaux multiphasiques très concentrés, dans lesquels des pigments, des charges minérales ou des filtres UV sont maintenus en suspension dans une phase continue. L’agrégation des particules peut avoir des effets indésirables, notamment une sensation granuleuse plus prononcée, une vitesse de sédimentation accrue, une homogénéité moindre et une altération de l’aspect esthétique. Dans les écrans solaires minéraux, l’agrégation des particules de TiO₂ ou de ZnO peut en outre réduire la surface effectivement couverte, ce qui peut diminuer le facteur de protection solaire (FPS) et compromettre l’uniformité de la protection UV. De même, dans les formulations de fond de teint, une stabilisation insuffisante des pigments peut compromettre l’uniformité de la couleur, les performances optiques et la qualité globale du produit.
Le potentiel zêta est un paramètre essentiel des essais de stabilité des cosmétiques particulaires, car il permet d’évaluer et de maîtriser la stabilité colloïdale. La quantification de la répulsion électrostatique entre les particules dispersées permet de mieux comprendre leurs interactions et facilite la sélection raisonnée ainsi que l’optimisation des dispersants, des agents de stabilisation et d’autres additifs.
Dans un échantillon de fond de teint étudié, le potentiel zêta mesuré était d’environ
–25 mV, soit une valeur absolue modérément élevée, ce qui suggère que le système se situe dans une plage de stabilité électrostatique. Un réglage et un maintien appropriés du potentiel zêta contribuent à améliorer la stabilité à long terme, à limiter la sédimentation et le compactage et à garantir des performances fonctionnelles et sensorielles constantes pendant toute la durée de conservation du produit.
Pour mieux illustrer les caractéristiques électrocinétiques de la formulation, la figure 2 présente la distribution du potentiel zêta (a) et le tracé de phase correspondant (b) d’un échantillon représentatif de fond de teint. Ces graphiques mettent en évidence la distribution des charges des particules dispersées et l’homogénéité globale du système.
Le potentiel zêta, notamment le potentiel zêta de surface, est un outil complémentaire utile pour la formulation des produits cosmétiques et permet d’évaluer à un stade précoce la stabilité des suspensions, des sérums et des émulsions. Associé à l’analyse granulométrique, aux mesures rhéologiques et aux études de vieillissement, il aide les formulateurs à mieux comprendre les interactions entre particules et surfaces, à détecter plus tôt les risques d’instabilité, à réduire le nombre de reformulations et à mettre au point des produits fiables et de qualité.
Valeur du pH et compatibilité cutanée
Dans les essais de stabilité des produits cosmétiques, le pH est un paramètre critique, car il influe sur la compatibilité cutanée, la stabilité des ingrédients, l’efficacité des conservateurs, la viscosité ainsi que les performances des ingrédients actifs et des polymères. La plupart des produits cosmétiques présentent un pH compris dans une plage généralement acceptable d’environ 4,0 à 8,0, avec des valeurs cibles plus précises selon le type d’application. Les produits sans rinçage destinés à la peau sont idéalement formulés à un pH compris entre 4,5 et 5,5, proche de l’acidité naturelle de la peau, tandis que les crèmes, lotions et sérums présentent généralement des performances optimales à un pH compris entre 5,0 et 6,5. Les produits à rincer, tels que les shampooings et les gels douche, peuvent tolérer des valeurs plus élevées, avec un pH généralement compris entre 6,0 et 7,5. Tout écart par rapport au pH optimal peut nuire à la qualité et à la sécurité du produit : les formulations trop acides peuvent irriter la peau et déstabiliser les polymères ou les tensioactifs, tandis que des conditions excessivement alcalines peuvent altérer la barrière cutanée, réduire l’efficacité des conservateurs et provoquer des changements indésirables de couleur ou d’odeur. Comme de nombreux épaississants, émulsifiants et ingrédients actifs ne sont stables que dans des plages de pH étroites, un contrôle précis du pH est essentiel pour obtenir des formulations stables et efficaces.
Force ionique et effets des électrolytes
La force ionique joue également un rôle déterminant dans les essais de stabilité des produits cosmétiques : elle régit les interactions électrostatiques entre les polymères, les tensioactifs, les émulsions et les systèmes dispersés. Dans la plupart des produits cosmétiques, des teneurs faibles à modérées en électrolytes sont privilégiées, ce qui correspond généralement, pour des électrolytes courants tels que le chlorure de sodium ou le sulfate de magnésium, à des concentrations en sel inférieures à des seuils d’environ 0,1 à 0,5 % m/m. Une force ionique élevée peut compromettre la stabilité de la formulation en provoquant la contraction ou la précipitation des polymères chargés, une diminution de la viscosité des gels à base de carbomère et la déstabilisation des émulsions. À l’inverse, certains systèmes de formulation – en particulier les produits à base de tensioactifs dont l’épaississement repose sur l’ajout de sel – nécessitent un apport en électrolytes soigneusement maîtrisé afin d’obtenir les propriétés rhéologiques et fonctionnelles recherchées.
Sélection et concentration des tensioactifs
Les tensioactifs sont des composants fonctionnels essentiels des formulations cosmétiques. Ils assurent le nettoyage, l’émulsification, la solubilisation et la formation de mousse, tout en influant fortement sur la tolérance cutanée et la robustesse globale de la formulation. Les concentrations usuelles varient selon l’application : dans les produits sans rinçage, les tensioactifs sont généralement présents à de faibles concentrations (1 % m/m à 2 % m/m au maximum), principalement comme émulsifiants ou solubilisants, tandis que les produits à rincer nécessitent des teneurs nettement plus élevées, généralement comprises entre 5 % m/m et 20 % m/m de matière active tensioactive totale. Le choix des tensioactifs a des répercussions importantes sur la formulation, notamment sur sa tolérance aux variations de pH, sa sensibilité aux électrolytes et sa compatibilité avec les polymères et les conservateurs. Les systèmes tensioactifs plus doux, notamment ceux à base de tensioactifs non ioniques et amphotères, offrent une plus grande souplesse de formulation, tandis que les tensioactifs plus agressifs réduisent généralement les plages admissibles de pH et de concentration en sels, ce qui accroît le risque d’instabilité ou d’irritation cutanée.
Stabilité des polymères et complexité des formulations
Les polymères influencent la rhéologie, la texture, la stabilité et les propriétés sensorielles des formulations cosmétiques. Chaque polymère reste stable dans une plage de pH qui lui est propre (par exemple, les systèmes à base de carbomère offrent généralement leurs meilleures performances entre pH 5 et 8) et peut être sensible à plusieurs paramètres de formulation, notamment la force ionique, le type de tensioactif, les conditions de cisaillement et la température. Lorsque les conditions d’utilisation des polymères ne sont pas optimales, des valeurs de pH ou des concentrations d’électrolytes inadaptées peuvent entraîner une perte de viscosité ou une séparation de phases. Si l’association de polymères permet d’élargir la plage d’utilisation d’une formulation et d’améliorer ses performances, elle en accroît également la complexité. De manière générale, les polymères naturels présentent des plages de stabilité et de tolérance plus étroites que leurs homologues synthétiques.
À titre d’exemple, les systèmes hybrides polymère-silicone utilisés dans les formulations capillaires thermoprotectrices forment un film cohésif peu perméable qui modère le transfert de chaleur vers la fibre kératinique et stabilise l’humidité en surface lors d’une exposition à des températures élevées. Les polymères et copolymères assurent l’intégrité structurelle et la formation contrôlée du film, tandis que les silicones renforcent la stabilité thermique, réduisent les frottements et favorisent une répartition homogène de la chaleur sur la cuticule. L’analyse de la distribution du potentiel zêta permet de quantifier les interactions de ces systèmes avec la surface du cheveu et de caractériser les variations de charge de surface induites par leur adsorption. Des mesures dynamiques du potentiel d’écoulement permettent de mettre en évidence l’adhésion durable de ces films de soin au substrat capillaire chargé négativement et de confirmer ainsi l’affinité des composants de la formulation ainsi que la résistance de la couche protectrice au cisaillement et à l’écoulement du fluide.
La figure 4 illustre l’adsorption de deux produits de soins capillaires sur des cheveux humains, mise en évidence par les variations du potentiel zêta de surface. Les valeurs du potentiel zêta mesurées après l’application des produits (courbes orange et rouge) présentent un net décalage par rapport à celles de l’échantillon de cheveux non traité (courbe noire). Ce décalage indique que l’adsorption de composants des formulations a modifié la charge de surface des cheveux.
Dans les formulations cosmétiques, le potentiel zêta est fortement influencé par le pH, la force ionique, les tensioactifs et les polymères, qui régissent les interactions électrostatiques et la stabilité du système. Un contrôle précis du pH est indispensable, car tout écart peut compromettre la stabilité des ingrédients, l’efficacité des conservateurs, la compatibilité cutanée et les performances des polymères. La force ionique et le choix des tensioactifs influent également sur l’écrantage électrostatique, la viscosité et la stabilité des émulsions, tandis que des concentrations excessives en électrolytes ou des tensioactifs agressifs augmentent le risque d’instabilité. Les polymères sont particulièrement sensibles au pH et à la concentration saline, ce qui impose une optimisation rigoureuse de tous les paramètres de formulation afin d’obtenir des produits robustes, stables et performants.
Influence du potentiel zêta de surface sur l’interaction peau–produit cosmétique
L’interaction entre les formulations cosmétiques et la surface cutanée dépend fortement des propriétés de charge, en particulier du potentiel zêta de surface et de celui des particules ou des gouttelettes dispersées. À pH physiologique, la peau humaine présente un potentiel zêta de surface légèrement négatif, principalement en raison des groupes carboxylate et phosphate ionisés présents dans les protéines et les lipides de la couche cornée. Par conséquent, les caractéristiques électrostatiques des ingrédients cosmétiques, tels que les gouttelettes d’émulsion, les polymères conditionneurs, les pigments ou les actifs encapsulés, jouent un rôle déterminant dans leur adhésion, leur dépôt et leur répartition sur la peau. Les particules ou les gouttelettes présentant un potentiel zêta positif peuvent être davantage attirées par la surface cutanée chargée négativement en raison des interactions électrostatiques, ce qui peut améliorer leur substantivité et leur acheminement ciblé. À l’inverse, les systèmes portant des charges de même signe peuvent subir une répulsion électrostatique, ce qui réduit l’efficacité du dépôt. La compréhension et la maîtrise du potentiel zêta permettent donc aux formulateurs de moduler les interactions avec la peau, d’optimiser des propriétés telles que la couvrance et la tenue longue durée, et de concevoir des systèmes de libération présentant des profils de dépôt et de libération sur mesure.
Potentiel zêta pour compléter l’évaluation de la stabilité
Il convient de noter que le potentiel zêta ne se substitue pas aux essais de stabilité classiques. Il complète les méthodes établies d’évaluation de la stabilité des produits cosmétiques, notamment l’analyse de la taille des particules, la rhéologie et les essais de stabilité accélérée. Ces méthodes sont conformes aux lignes directrices largement reconnues en matière d’essais de stabilité des produits cosmétiques et contribuent ainsi à une évaluation complète et fiable. Ensemble, ces techniques offrent une vision plus complète du comportement des formulations, du criblage initial à la validation du produit final.
Conclusion
Le potentiel zêta offre aux scientifiques de l’industrie cosmétique une méthode quantitative, sensible et efficace pour analyser et optimiser la stabilité des suspensions, des sérums et des émulsions. En mettant en évidence les interactions électrostatiques qui régissent l’agrégation et la séparation de phases, il aide les formulateurs à prendre des décisions éclairées dès les premières étapes du développement, à réduire le nombre de cycles de reformulation et à concevoir des produits plus robustes.
Face à la complexité croissante des formulations cosmétiques et aux exigences accrues en matière de performance, les mesures électrocinétiques, comme celle du potentiel zêta, prennent une place croissante parmi les outils de formulation modernes.
À retenir :
- Le potentiel zêta permet d’évaluer la stabilité à long terme des produits cosmétiques
- Des valeurs absolues > 30 mV indiquent généralement des formulations stables
- Le potentiel zêta de surface révèle les interactions entre la peau et les produits cosmétiques
- Le potentiel zêta complète les méthodes traditionnelles d’essai de stabilité
Pour en savoir plus
- Nanoparticules dans les cosmétiques – pourquoi les examiner de près ?
- Liposomes et leurs applications
- Au-delà de la charge : le potentiel zêta révèle l’adsorption du shampooing et de l’après-shampooing sur les cheveux
- Dommages causés aux cheveux par la chaleur : quantifiez la protection offerte par vos formulations thermoprotectrices grâce à l’analyse du potentiel zêta
- Quelle est la différence entre le potentiel zêta et le potentiel de surface ?
- Stabilité à l’oxydation des crèmes et baumes cosmétiques
- Étude rhéologique des cosmétiques et des produits pharmaceutiques
- Mesure de la consistance dans les industries pharmaceutique et cosmétique
