ARTICLE
Auteur(s) :, Jean-Thierry Simonnet, Pascal Richart, Odile
Aubrun, Florence
L’alloret
L’Oréal Recherche, 188, rue Paul Hochart, 94152 Chevilly-Larue,
France
Les nanocapsules, un vecteur de choix pour les molécules
lipophiles cosmétiques
Introduction
La peau est une magnifique enveloppe externe, dont le rôle
principal est de nous protéger des agressions extérieures, mais
aussi de limiter au maximum la déshydratation de notre corps. Toute
modification de cette « fonction barrière » peut
entraîner des conséquences graves.
Cependant, la peau est un organe vivant (le plus important en
poids de tout notre organisme) qui mérite un entretien constant,
aussi bien en termes de nettoyage que de soin. La cosmétique
moderne se doit d’être efficace. Pour cela, l’utilisation de
molécules biologiquement actives telles que les vitamines ou les
anti-radicalaires, mais aussi le développement de systèmes vecteurs
permettant d’assurer le passage de celles-ci à travers le stratum
corneum, vers l’épiderme vivant, se sont avérés indispensables.
Les liposomes, découverts par A. Bangham, ont rapidement été
développés dans le domaine cosmétique. Cependant, ce type de
vésicule lamellaire est principalement adapté à l’encapsulation de
molécules hydrophiles, les taux de molécules lipophiles
encapsulables au niveau de la phase lamellaire de la membrane étant
réduits (10 % maximum par rapport au poids de lipides
constituant la membrane). Nous avons donc développé un système
particulaire submicronique permettant l’encapsulation de quantités
importantes de molécules huileuses ou lipophiles et leur
vectorisation dans les structures cutanées.
Principe d’émulsification et procédé
Il est possible de faire des capsules par de nombreux procédés mais
rares sont ceux qui permettent de faire des capsules
submicroniques. Récemment Tiarks et al. [1] ont proposé un procédé
de formation de nanocapsules par polymérisation en miniémulsion. Ce
procédé est dépendant d’un outil de dispersion très performant
comme les ultrasons ou l’homogénéisation haute pression.
Nous utilisons un procédé basé sur l’émulsification spontanée
d’une phase huileuse par son basculement via un solvant organique
dans une phase aqueuse, sous agitation lente (barreau magnétique ou
pâles) comme présenté à la ( figure 1 ).
L’un des mécanismes de l’émulsification spontanée est la
croissance des gouttes dans des régions supersaturées qui
s’amorcent lorsque le solvant transfert de la phase organique vers
la phase aqueuse non encore équilibrée [2]. Par ailleurs, dans des
systèmes contenant des tensio-actifs et sous l’effet de
l’agitation, des variations de tensions interfaciales, dues à la
formation d’un gradient de tensio-actif sous l’effet de turbulence
générée par la diffusion du solvant (effet Marangoni), conduisent à
la formation de gouttes stables de très faible taille [3].
Dans notre système, le polymère et le lipide amphiphile
d’enrobage sont eux aussi solubilisés dans le solvant organique. Le
solvant organique doit être parfaitement miscible à l’eau, pour
permettre, lors de son introduction dans la phase aqueuse qui
elle-même contient un tensio-actif, l’émulsification spontanée de
la phase huileuse, la précipitation du polymère à la surface de la
gouttelette formée et le dépôt de la phase lamellaire à la surface
des particules. La théorie de formation de telles capsules a été
décrite par Torza et al. en 1970 [4].
La formation et la taille des capsules obtenues vont dépendre de
plusieurs paramètres :
- – le solvant doit être parfaitement miscible à
l’eau : acétone, éthanol, isopropanol ;
- – le polymère doit être soluble dans le solvant et pas
dans la phase aqueuse ;
- – la nature de l’huile. Son poids moléculaire doit être
supérieur à 500 g/m pour éviter tout phénomène de mûrissement
d’Ostwald ;
- – la nature de l’amphiphile. Il doit former spontanément
une phase cristal liquide de type lamellaire ;
- – le ratio solvant/eau peut être compris entre 0,05 et
0,5. Plus celui-ci est faible, plus petites sont les
nanocapsules ;
- – le taux d’huile, de polymère et de lipide amphiphile
dans le solvant organique doit être faible, moins de
15 %/solvant ;
- – les volumes mis en jeu représentent de 3 à 10 fois le
volume final après évaporation du solvant organique et d’une grande
quantité d’eau sous pression réduite.
Il est possible de contrôler la taille des capsules de 130 à 600
nm.
Dans nos conditions : ratio solvant/eau de 0,5, ratio
huile/polymère de 5,5 % d’huile dans la suspension finale,
7 % (d’huile + polymère + lipide amphiphile) dans la phase
organique et 0,5 % final d’un poloxamer dans la phase aqueuse,
les nanocapsules produites ont une taille de l’ordre de 250 nm avec
une polydispersité très réduite. Ces capsules sont stables
plusieurs années à température ambiante.
Ce procédé, bien que nécessitant des volumes de solvant et d’eau
importants, a l’avantage d’assurer la formation des capsules dans
des conditions de température (20 à 45 °C) et d’agitation
douces, particulièrement favorables à l’encapsulation de molécules
sensibles comme les vitamines.
Nanocapsules
Structure
Les nanocapsules telles que décrites sont des particules
constituées par un cœur huileux, enrobé par une coque polymérique,
elle-même pouvant être enrobée par une phase lipidique de type
lamellaire. L’ensemble a un diamètre inférieur au micron (( figure 2 )).
Les molécules encapsulées doivent être soit huileuses soit
solubles dans une huile dite support. La coque polymérique apporte
une protection solide à la particule, lui permettant de ne pas être
sensible au cisaillement lors de l’application sur la peau. Quant à
l’enrobage lamellaire, il permet d’améliorer l’étanchéité de la
particule vis-à-vis des composés huileux externes et de favoriser
la pénétration de la particule dans les structures cutanées par
analogie de structure avec les lipides intercornéocytaires, eux
aussi sous forme lamellaire.
Composition
Polymères
Historiquement, Al Khouri et al. et Gallardo et al. [4-6], ont
utilisé des monomères d’alkyl cyanoacrylate (ethyl, butyl ou
isobutyl) qui, au contact de l’eau, par polymérisation
interfaciale, polymérisent spontanément et forment la paroi de la
capsule. Il est cependant préférable d’utiliser des polymères pour
éviter des problèmes d’innocuité cutanée liés à la présence
potentielle de monomères résiduels. La formation de la coque se
faisant par nanoprécipitation du polymère autour du globule
d’huile.
Les polymères envisageables peuvent être biodégradables ou non.
Parmi les polymères les plus utilisés, on préfère choisir les
dérivés de la cellulose tels que l’acétopropionate de cellulose,
les polyéthylènes adipates, les poly-ε caprolactones, les
polyesters sulfonés. Ceux-ci doivent être solubles dans le milieux
organique de départ et insolubles dans l’eau [7-13].
Enrobage lipidique
Cet enrobage lipidique doit être sous la forme d’un cristal
liquide lamellaire pour remplir totalement ses fonctions. La
première est de parfaire l’étanchéité de la capsule lorsque
celle-ci est dispersée dans un milieu de type émulsion H/E, la
seconde est d’améliorer la pénétration des nanocapsules dans le
stratum corneum pour qu’elles y jouent leur effet réservoir. Le
choix des lipides doit se faire sur leur propriété à former
spontanément, au contact de l’eau, une phase cristal liquide
lamellaire.
L’amélioration de l’étanchéité des capsules est mesurée par la
mise en émulsion d’une suspension de nanocapsules contenant de la
vitamine E avec de l’huile. La fraction huileuse est ensuite
séparée par centrifugation et la vitamine E est dosée dans
celle-ci. Les résultats (tableau 1( Tableau
1 )) sont exprimés en pourcentage de fuite.
Dans tous les cas, on constate que l’enrobage lamellaire inhibe
l’extraction de la vitamine E hors des capsules. Cette propriété
est renforcée par les effets de stabilisation vis-à-vis de
l’oxydation constatée sur certaines molécules. Les lipides
concernés sont choisis parmi les lécithines de soja, les
diméthicones copolyols, les alkylesters de polyols associés ou non
à du cholestérol.
Molécules encapsulées
Les molécules encapsulées doivent être hydrophobes, liquides à
température ambiante ou être solubles dans une huile dite support.
A titre d’exemple, on peut citer les triglycérides
caprique/caprylique, la vitamine E, l’acétate de vitamine E,
certaines huiles végétales, l’octyl dodécanol, le palmitate de
vitamine A, le rétinol, le β-carotène, le lycopène… Le taux de
polymère est adapté de telle façon que le rendement d’encapsulation
est de 100 %. Le taux final de molécule encapsulée est compris
entre 2 et 7 %. Le ratio huile/polymère est quant à lui de
l’ordre 5/2 à 5/1.
Tableau 1 Pourcentages de fuite des nanocapsules en
comparaison avec une émulsion de même taille, pour différentes
natures d’huile.
|
Huile
|
Témoin sans enrobage (%)
|
Enrobage lamellaire (%)
|
|
Octyl dodécanol
|
78
|
0
|
|
Huile d’amande d’abricot (triglycérides)
|
81
|
0
|
|
Silicone volatile
|
84
|
0
|
|
Huile de macadamia (triglycérides)
|
84
|
0
|
|
Huile de pépins de raisin
|
86
|
0
|
|
Perhydrosqualène
|
88
|
0
|
Propriétés de nanocapsules
Potentialisation de l’activité des molécules encapsulées
Effet de la vitamine E sur la protection du relief cutané après
exposition UV à 0,75 et 1,25 MED (Minimal Erythemal Dose). La
vitamine E est formulée dans des nanocapsules ou dans une émulsion
H/E au taux final de 1 %. Les applications cutanées sur 8
volontaires ont été réalisées quotidiennement pendant 4 jours
avant l’exposition UV et pendant les 4 jours d’exposition aux
UV. Les résultats (tableau 2( Tableau 2
)) sont exprimés en pourcentage de protection calculé par rapport à
une zone témoin n’ayant pas reçu de formulation à la vitamine E.
Par ailleurs, un effet dose est vérifié, de 1 à 3 % de
vitamine E sur l’érythème et le relief cutané.
Sans ajout de filtre solaire, on constate un bon effet
protecteur de la vitamine E vis-à-vis des UV lorsqu’elle est
nanoencapsulée. Ce type de résultat est également constaté lors
d’études cliniques faites sur d’autres actifs.
Tableau 2 Pourcentages de protection contre le
rayonnement UV après application de nanocapsules, en comparaison
avec une émulsion de même taille.
|
Intensité de l’exposition UV (MED)
|
- Traitement par des nanocapsules
- (%)
|
- Traitement par une émulsion H/E
- (%)
|
|
1,25
|
44
|
5
|
|
0,75
|
81
|
44
|
Biodisponibilité cutanée des molécules encapsulées
Ces études sont réalisées sur peau humaine isolée, sur cellule de
Franz. La pénétration comparative de la vitamine E radiomarquée,
entre une suspension de nanocapsules (introduites dans une émulsion
H/E) et une émulsion H/E, est quantifiée dans les structures
cutanées à l’aide d’un compteur à scintillation après
« slicing » de l’échantillon de peau. 2 mg/cm2
de produit sont appliqués pendant 16 heures. On observe un
effet réservoir renforcé du stratum corneum et des nanocapsules, et
une pénétration de la vitamine E dans l’épiderme vivant multiplié
par trois avec les nanocapsules par rapport à l’émulsion témoin.
En microscopie confocale Raman, il est possible de suivre la
cinétique de pénétration dans les structures cutanées du rétinol.
Une étude comparative a été réalisée sur peau humaine isolée, entre
une suspension de nanocapsules et une émulsion de taille identique
(250 nm). Toutes deux contenants 0,5 % de rétinol.
On constate (( figure
3 )) que le rétinol nanoencapsulé est véhiculé efficacement
dans l’épiderme vivant, là où son métabolisme est le plus
important, lorsqu’il est nanoencapsulé. Formulé en émulsion, même
si les globules huileux de celle-ci ont une taille comparable à
celle des nanocapsules, le rétinol reste au niveau du stratum
corneum.
Par ailleurs, la cinétique de pénétration indique que c’est au
bout de six heures après l’application que le rétinol atteint
l’épiderme vivant (( figure 4 )).
Enfin, parce que les nanocapsules sont de faible taille et
solides, il est possible d’en trouver intactes sous les premières
couches cellulaires du stratum corneum (( figure 5 )). Il s’agit de
la preuve que des particules de cette taille (250 nm) peuvent
pénétrer dans la peau.
Une suspension de nanocapsule a été appliquée sur cinq
volontaires à peau sèche ou normale pendant 21 jours à raison
d’une fois par jour. À J22, un prélèvement par strip (cornéodisque)
a été réalisé, ayant pour effet d’arracher les premières couches du
stratum corneum. Ces prélèvements sont ensuite observés en MEB ((
figure 5 )). Sur
tous les prélèvements, on constate la présence de nanocapsules
intactes.
Stabilisation des molécules encapsulées
Les molécules encapsulées sont biologiquement actives au niveau
cutané et souvent sensibles à l’oxydation ou à l’hydrolyse.
L’encapsulation de celles-ci dans des nanocapsules permet
d’améliorer significativement leur stabilité (tableau 3( Tableau 3 )). Cela permet de garantir leur
efficacité.
Tableau 3 Stabilité de différentes molécules
encapsulées dans les nanocapsules ou dans une émulsion de même
taille.
|
Molécule encapsulée
|
Stabilité en nanocapsule après 2 mois à 45 °C
(%)
|
Stabilité en émulsion après 2 mois à 45 °C (%)
|
|
Rétinol
|
– 6
|
– 60
|
|
B Carotène
|
0
|
– 40
|
|
Lycopène
|
– 10
|
– 60
|
Conclusion
Les nanocapsules constituent un formidable vecteur pour les
molécules cosmétiquement actives car elles garantissent une
encapsulation stable et performante en termes de taux de
pénétration dans les structures cutanées et de stabilisation. Le
procédé adapté à l’encapsulation de molécules
« fragiles » a été développé industriellement et nous
permet l’utilisation de ce type de capsules à une très large
échelle. Cependant, d’autres challenges restent à relever, comme
l’augmentation du taux final d’actif encapsulé.
Les nanoémulsions
Les nanoémulsions [14-16] sont des émulsions très fines, dont le
diamètre moyen est inférieur à 100 nm. Contrairement aux
microémulsions, les nanoémulsions sont des systèmes métastables,
dont la structure dépend de leur procédé de fabrication. Elles
peuvent être préparées selon la méthode PIT [17], par
émulsification spontanée [18], ou encore avec des équipements à
fort cisaillement [14, 15].
Les nanoémulsions sont des systèmes très fragiles par nature.
Comme elles sont transparentes et généralement très fluides, le
moindre petit signe de déstabilisation est visible. Le produit
devient opaque et un phénomène de crémage est observé. Nous avons
identifié deux sources principales d’instabilité : l’une est
liée à la nature de la phase grasse et la seconde à la présence
d’un polymère introduit comme agent épaississant ou gélifiant dans
la nanoémulsion.
La très faible taille de ces systèmes (D ~ 50 nm) leur
confère des propriétés caractéristiques facilement valorisables en
cosmétique. Elles sont transparentes et facilement absorbées par la
peau. Elles peuvent être stérilisées par filtration. Elles peuvent
conduire à une large gamme de produits allant de formules très
fluides jusqu’à des gels parfaitement transparents.
Matériels et méthodes
Les nanoémulsions sont stabilisées par un mélange de deux
tensio-actifs : PEG-8 isostéarate/disodium stéaroyle glutamate
(9/1). Le rapport massique de tensio-actif par rapport à la phase
grasse est égal à 0,25. La phase aqueuse contient 18,75 % de
glycols.
Différentes huiles cosmétiques de natures chimiques variées
(triglycérides, esters, alcanes, silicones) et de différentes
masses molaires sont formulées : caprylic/capric triglycéride
(h1), huile d’avocat (h2), huile d’abricot (h3), myristate
d’isopropyle (h4), palmitate d’isopropyle (h5), néopentanoate
d’isostéaryle (h6), palmitate d’octyle (h7), stéarate d’isocétyle
(h8), isododécane (h9), C11-13 isoparaffine (h10), isohexadécane
(h11), polyisobutylène hydrogéné (h12), huile minérale (h13), et
cyclopentasiloxane (h14). La proportion massique d’huile dans
l’émulsion est égale à 25 % au maximum.
Afin d’augmenter la viscosité des nanoémulsions, différents
polymères sont introduits, comme par exemple un Carbomer et un
polymère associatif de type HEUR.
Les tension-actifs sont dispersés dans l’huile ou le mélange
huileux. La phase aqueuse est introduite dans la phase grasse et le
mélange est homogénéisé à l’aide d’un mixeur. L’émulsion ainsi
obtenue est alors affinée à l’aide d’un homogénéisateur à haute
pression (1 200 bars).
La taille des gouttes est évaluée par diffusion de la lumière
quasi-élastique (BI90 Brookhaven Instrument).
Influence de la nature de l’huile sur la stabilité de la
nanoémulsion
Dans une première partie, les nanoémulsions sont formulées à l’aide
d’une seule huile, à la teneur de 15 %. La plupart des huiles
utilisées permettent l’obtention de nanoémulsions transparentes. La
turbidité initiale est comprise entre 100 et 600 NTU. Cependant,
certaines d’entre elles deviennent opaques plus ou moins rapidement
avec le temps.
Dans le cas des systèmes instables, nous avons mis en évidence
une augmentation régulière du diamètre des gouttes avec le temps.
Le volume des gouttes en fonction du temps (( figure 6 )) suit une loi
linéaire (r3 ~ t) caractéristique du phénomène de
mûrissement d’Ostwald [19]. La solubilité de l’huile dans la phase
aqueuse est telle que les molécules d’huile peuvent migrer des
petites gouttes vers les plus grosses ; la taille moyenne des
gouttes augmente ainsi avec le temps.
La ( figure 7
) montre l’évolution du taux de mûrissement (v), qui varie
principalement avec la solubilité de l’huile dans l’eau (équation
1) :
s : solubilité de huile dans la phase aqueuse
(m3/m3)
D : coefficient de diffusion de l’huile dans la phase aqueuse
(m2/s)
γ : tension interfaciale (mN/m)
Vm : volume molaire de l’huile
(m3/mol)
Pour les systèmes instables, nous avons reporté le taux de
mûrissement en fonction de l’huile, pour chaque famille, en
ordonnant les huiles par masse molaire croissante (( figure 7 )). Plus l’huile
est légère, plus le mûrissement est important.
Pour chaque type d’huile, un système stable peut être obtenu
au-delà d’une masse molaire critique. Plus l’huile est polaire,
plus la valeur de cette masse molaire critique est importante.
Nous appellerons ainsi une huile « insoluble »
(respectivement huile « soluble »), une huile conduisant
à une nanoémulsion stable (resp. instable).
Comment concilier stabilité et bonnes propriétés
cosmétiques ?
Le phénomène de mûrissement d’Ostwald impose des limitations dans
le choix des huiles utilisables. Cependant, la phase grasse des
produits cosmétiques est en général composée d’un mélange d’huiles
afin d’optimiser les propriétés cosmétiques. Le challenge consiste
à savoir comment les choisir et comment les mélanger.
Il est possible de mélanger des huiles qui conduisent chacune à
une nanoémulsion stable, comme par exemple le polybutylène
hydrogéné, l’huile d’abricot et/ou l’isostéarate d’isocétyle.
Cependant, ce mélange conduit à un film gras.
La théorie du mûrissement d’Ostwald prédit que les systèmes
stables peuvent être obtenus en mélangeant une huile
« soluble » avec une huile « insoluble » dans
certaines proportions. La fraction molaire de l’huile
« insoluble » dans la phase grasse totale doit être
supérieure à x*, selon l’équation 2 suivante :
γ : tension interfaciale (mN/m)
Vm : volume molaire de l’huile
(m3/mol)
r : diamètre des gouttes (m)
Nous avons étudié la stabilité de nanoémulsions comprenant des
mélanges d’huiles « insolubles », comme l’isostéarate
d’isocétyle, et d’huile « solubles », comme
l’isododécane, à différentes proportions massiques (( figure 8 )). Les
nanoémulsions restent transparentes pendant deux mois à 45 °C,
lorsque que le mélange huileux comprend au moins 50 % en poids
d’huile « insoluble ».
Nanoémulsions gélifiées ou épaissies par des polymères
Des polymères ont été utilisés pour moduler la texture des
nanoémulsions. Les différents comportements suivants sont observés
lors de l’introduction des polymères :
- • En présence de carbomers, un blanchiment apparaît
quelles que soient la concentration en polymère et la taille des
gouttes. Des observations microscopiques montrent la présence
d’objets de forme irrégulière et de taille micronique (( figure 9 )), leur
nombre étant corrélé à la teneur en polymère. Les petites gouttes
d’huile sont susceptibles de provoquer l’agrégation des
macromolécules selon un phénomène de déplétion [20, 21].
- • Les meilleurs résultats sont obtenus en présence de
polymères associatifs de type HEUR, qui conduisent à des
nanoémulsions transparentes et épaissies, et présentant de bonnes
qualités cosmétiques. Les gouttes participent à la formation d’un
réseau tridimensionnel formé par le polymère dans l’eau. Le gel
ainsi formé présente des propriétés d’écoulement très différentes
de celles des nanoémulsions riches en huile (> 20 %),
d’aspect également gélifié (( figure 10 )).
Propriétés cosmétiques des nanoémulsions
Les nanoémulsions sont facilement valorisables dans les produits de
soin de la peau en raison de leurs propriétés biophysiques et
sensorielles spécifiques. Le pouvoir hydratant d’une nanoémulsion a
été mesuré à l’aide d’un cornéomètre, une heure après traitement de
la peau. Une augmentation significative de l’hydratation est
observée pour la nanoémulsion, en comparaison avec la macroémulsion
correspondante.
Le taux de pénétration d’une nanoémulsion et de la macroémulsion
correspondante a été déterminé à l’aide de mesures du coefficient
de frottement de la peau pendant l’application des produits. Les
données obtenues montrent que la nanoémulsion pénètre plus
rapidement que la macroémulsion correspondante.
Conclusion
En raison des applications potentielles des nanoémulsions en
cosmétique, une étude large a été réalisée afin de déterminer le
rôle exact de chacun des constituants. Pour chaque système, les
mécanismes de déstabilisation tels que le mûrissement d’Ostwald et
la floculation ont été analysés ; la formulation et la
stabilité de ces nouvelles dispersions liquides/liquides sont
maintenant précisément contrôlées.
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