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Rheologische Untersuchung von Kosmetika und Pharmazeutika

Die rheologischen Eigenschaften von Kosmetika und Pharmazeutika sind wichtig für die Herstellung, Verpackung, Abfüllung und Lagerung. Die Kunden schätzen das Gefühl einer Hautcreme beim Auftragen; sie wollen, dass die Zahnpasta nach dem Herausdrücken aus der Tube auf der Zahnbürste bleibt; und sie wollen, dass Arzneimittel im optimalen Zustand dort wirken, wo sie wirken sollen.

Da Kosmetika und Arzneimittel für die äußere Anwendung – z. B. in Form von Lotionen, Gelen oder Cremes – oder für die orale Anwendung, z. B. als Pillen oder Sirupe, entwickelt werden, treten sie als Flüssigkeiten, halbfeste und feste Stoffe auf. Diese Konsistenzen können mit einem Rheometer untersucht werden 

Rheologisches Verhalten von Kosmetika und Pharmazeutika

Rheologie wird in der Kosmetik- und Pharmaindustrie häufig eingesetzt, um eine Vielzahl von Produkten zu testen. Die Anwendungsgebiete reichen von typischen Tests wie der Messung der Stabilität einer Creme bei unterschiedlichen Temperaturen bis hin zu sehr anspruchsvollen Messungen kleiner Probenmengen wie Antikörpern und injizierbaren Hydrogelen, die sehr teuer und zeitaufwendig sein können. In diesem Fall müssen die für die Prüfung solcher Materialien erforderlichen Geräte äußerst empfindlich und präzise sein, um reproduzierbare Analyseergebnisse zu erzielen, beispielsweise bei der Umgebungs- oder Körpertemperatur.

Untersuchung von Kosmetika und Pharmazeutika mittels rheologischer Tests

Rheologische Tests sind bei folgenden Prozessen nützlich:

  • Qualitätskontrolle von Rohstoffen, Endprodukten und Herstellungsverfahren (Mischen, Pumpen, Verpacken und Abfüllen)
  • Bewertung des Einflusses verschiedener Parameter wie Formulierung, Lagerzeit und Temperatur auf die Qualität und Eignung des Endprodukts
  • Prüfung des Fließ- und Deformationsverhaltens von biologischen Fluiden und von Zellen

Üblicherweise gemessene Kosmetika und Pharmazeutika:

Haargel

Neben Haarspray ist Haargel sicherlich eines der beliebtesten Haarprodukte auf dem Markt. Modernes Haargel muss hohe Anforderungen erfüllen. Einerseits muss es äußerst fest und feuchtigkeitsbeständig sein und sollte einen dauerhaften Halt bieten, andererseits darf es nicht zu klebrigen Händen oder klebrigen Haaren führen.

Rheologische Untersuchungen an Haargel

Der Begriff Gel kommt von „Gelatine“ und hat dieselbe lateinische Wurzel wie „Gelee“ (eingedickter Obst- oder Fleischsaft). Es handelt sich häufig um ein fein dispergiertes System, das aus mindestens einer festen und einer flüssigen Phase besteht und ein dreidimensionales Netzwerk bildet. Sein Verhalten ist viskoelastisch und kann mit einem Rheometer getestet werden.

Die laufende Prüfung der Viskosität und der Fließgrenze garantiert eine gleichbleibend hohe Qualität. Die Viskosität eines Haargels ist ein besonders wichtiger Parameter während der Produktion und für die Produktbewertung während der Entwicklung; die Fließgrenze hingegen ist besonders wichtig für die Bewertung des Endprodukts durch den Kunden. Die Fließgrenze korreliert mit den elastischen Eigenschaften der ruhenden Probe. Gele mit hoher Fließgrenze oder hoher Gelstärke werden vom Kunden als mit „mehr Body“ wahrgenommen. Eine hohe Gelstärke vermittelt den meisten Kunden den Eindruck eines hochwertigen Produkts.

Mit einem Rotationsrheometer lassen sich die Fließkurven und Viskositätskurven messen, z. B. mit einem schubspannungsgesteuerten Test . Auf dieser Basis kann die Fließgrenze z. B. mit dem Fließkurven-Anpassungsmodell nach Herschel und Bulkley berechnet werden. Eine weitere Methode ist die Bestimmung der Fließgrenze durch einen Amplitudentest, der als Oszillationsversuch durchgeführt wird.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.

Nagellack

Nagellack ist ein Material, das verschiedenen rheologischen Anforderungen gerecht werden muss. Einerseits sollte er fest genug sein, um am Pinsel zu haften; andererseits muss er dünnflüssig genug sein, wenn er vom Pinsel auf den Nagel übertragen wird. Außerdem sollte das Material ausreichend gut fließen, um etwaige Streichmarken nach dem Auftragen auszugleichen. Schließlich muss es schnell genug trocknen, damit die Kunden mit ihren Tätigkeiten fortfahren können.

Rheologische Untersuchungen an Nagellack

Ein sehr wichtiger Faktor bei Nagellack ist sein thixotropes Verhalten. Thixotropie ist eine besondere Art zeitabhängigen Viskositätsverhaltens. Bei konstanter Scherbelastung nimmt die Viskosität eines thixotropen Materials ab. Nach Beendigung der Scherung erholt sich das Material mehr oder weniger vollständig. Dieses Verhalten lässt sich als Abbau und Wiederaufbau der internen Materialstruktur beobachten, die mithilfe von Rotations- oder Oszillationstests durch einen 3-stufigenThixotropietest gemessen werden kann.

Je nach Formulierung können verschiedene Arten von Nagellacken unterschiedliche Raten der thixotropen Erholung aufweisen. Die Bestimmung des thixotropen Verhaltens zeigt beispielsweise, wie oft der Nagellack vor dem Auftragen geschüttelt werden muss.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.

Hautcreme

Das Gefühl beim Auftragen und die Langzeitstabilität von Hautcreme, sowohl in kosmetischen als auch in pharmazeutischen Anwendungen, sind wichtige Punkte für die Akzeptanz durch den Verbraucher. Diese Eigenschaften werden maßgeblich durch die Inhaltsstoffe, aber auch durch den Herstellungsprozess beeinflusst. Es kann sich als notwendig erweisen, Inhaltsstoffe mit funktionellen Eigenschaften wie Emulgatoren oder Stabilisatoren zu ersetzen, da einige von ihnen im Verdacht stehen, Allergien auszulösen, und daher vom Verbraucher nicht mehr akzeptiert werden. Die Qualität der Produkte muss jedoch gleich bleiben. Ebenso sollte ein Austausch von Inhaltsstoffen – beispielsweise zur Senkung der Produktionskosten – nicht unbedingt zu einer Änderung der physikalischen Eigenschaften führen, die normalerweise mit einem bestimmten Produkt verbunden werden.

Rheologische Untersuchungen an Hautcreme

Die Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften einer Emulsion mit einem Rheometer ist der erste Schritt zur Bestimmung und Beurteilung, wie eine Änderung der Zusammensetzung oder des Herstellungsprozesses die Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen kann. Zusätzlich kann die mechanische Stabilität des Endprodukts in relativ kurzer Zeit mit einem Amplitudentest geprüft werden, Dabei handelt es sich um einen Oszillationstest, der bei variabler Amplitude bei einer konstanten Frequenz durchgeführt wird. Unter Verwendung der Werte des Speichermoduls G' und des Verlustmoduls G'''' im Bereich sehr niedriger Deformations- oder Schubspannungswerte (der sogenannte linear-viskoelastische oder LVE-Bereich) liefert diese Art von Prüfung Informationen über die Strukturstärke und den viskoelastischen Charakter einer Creme im Ruhezustand.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.