DWS微流变学用于化妆品配方设计

DWS微流变学用于化妆品配方设计—Rheolab应用

2024-05-27

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摘要

由于光学微流变技术可以将频率范围扩展到高频并深入了解蠕虫状胶束和其他复杂流体系统^[1,2-8]流变学和动力学，其正受到越来越多的关注。已有文献表明，可以利用缠结蠕虫状胶束的高频响应来提取蠕虫状胶束的一些关键微观结构参数，如持续长度和轮廓长度^[9]。在这项研究中，利用扩散波谱法（DWS）探索了引入鼠李糖脂生物表面活性剂（单/双鼠李糖脂混合物，CCB）的月桂醇聚醚硫酸酯钠（SLES）/椰油酰胺丙基甜菜碱（CAPB）系统中蠕虫状胶束结构的演变。系统地评估了流变学和动力学演变的系统，并改变了表面活性剂与生物表面活性剂的比例，以及改变了制剂条件，如鼠李糖脂浓度、盐浓度和pH值。本研究的主要目的是为化妆品和个人护理行业的流变学影响和改进提供一些配方指导。

结果和讨论

比率的影响

图1显示了SLES、SLES/CAPB和SLES/CAPB/CCB系统的粘弹性模量（麦克斯韦型响应）。如下表所示，SLES/CAPB系统形成了长蠕虫状胶束，其轮廓长度L ̅为445.8 nm，短的纠缠长度l_e和持久长度l_p表明蠕虫状胶束的高度纠缠和灵活性。然而，sample2和sample3对比发现，加入CCB后，胶束的纠缠程度和潜在缩短似乎要弱得多。加入2%重量比的CCB后，蠕虫状胶束的轮廓长度L ̅减少到其原始长度的约20%，而持久长度没有显著降低。这表明SLES/CAPB中的长柔性蠕虫状胶束变形为更短、更硬的棒状。这种结构变化可能是我们在SLES/CAPB/CCB系统中观察到的流变现象的根本原因，即随着CCB添加量的增加，粘度降低。

加入盐的影响

添加CCB会降低粘度，不利于个人护理产品。重建体系粘度最常用的方法之一是在体系中加入氯化钠等盐类，因为氯化钠倾向于屏蔽表面活性剂头基之间的电荷，并进一步促进蠕虫状胶束的生长。通过这种方式，SLES/CAPB/CCB的粘度可以在一定程度上得到提高。然而，当盐浓度≥4wt%时，粘度会显著降低。这可能是由于胶束或分支在高浓度下缩短了。表2中从DWS中提取的结构参数与体系中的粘度变化相对应。当盐浓度为4wt%时，胶束的轮廓长度L ̅最长，而缠结长度l_e和持续长度l_p比样品2短。当盐浓度大于4wt%时，胶束轮廓长度会减小。在这种情况下，持续长度l_p也稍有增加。这些数据表明，随着潜在胶束的缩短，胶束将有更高的刚性。

pH的影响

在同一个SLES/CAPB/CCB系统中，pH值对系统的流变响应有显著影响。由于CAPB的两性离子性质，它在较低pH值下更具阳离子性，而鼠李糖脂变得更加非离子。SLES在低pH值下仍保持其阴离子性质，这促进了CAPB和SLES之间的相互作用。在较低pH值下，整体损失和储能模量显示出更高的值，同时观察到更长的松弛时间。DWS数据证实了低pH条件下胶束轮廓长度的增加。

结论

这种复杂的生物表面活性剂/表面活性剂三元体系的初步流变学和微观结构研究利用DWS微观流变学揭示了配方条件对混合物流变学反应的影响。这种独特的表征技术扩展了频率范围，使我们能够提取蠕虫状胶束的关键微观结构参数。所有测量都是用DWS RheoLab进行的。参考文献[1]中发表了这项研究的更全面的说明。

参考文献

[1] Xu L, Amin S. Microrheological study of ternary surfactant‐biosurfactant mixtures. International Journal of Cosmetic Science. 2019 May 17.

[2] Amin S, Blake S, Kennel R, Lewis E. Revealing new structural insights from surfactant micelles through DLS, microrheology and Raman spectroscopy. Materials. 2015; 8(6):3754-66.

[3] Oelschlaeger C, Schopferer M, Scheffold F, Willenbacher N. Linear-to-branched micelles transition: A rheometry and diffusing wave spectroscopy (DWS) study. Langmuir. 2008 Dec 16; 25(2):716-23.

[4] Li Z, Dai L, Wang D, Mao L, Gao Y. Stabilization and rheology of concentrated emulsions using the natural emulsifiers quillaja saponins and rhamnolipids. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2018 Mar 29; 66(15):3922-9.

[5] Mason TG, Weitz DA. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Physical Review Letters. 1995 Feb 13; 74(7):1250.

[6] van Zanten JH, Amin S, Abdala AA. Brownian motion of colloidal spheres in aqueous PEO solutions. Macromolecules. 2004 May 18; 37(10):3874-80.

[7] Amin S, Rega CA, Jankevics H. Detection of viscoelasticity in aggregating dilute protein solutions through dynamic light scattering-based optical microrheology. Rheologica Acta. 2012 Apr 1; 51(4):329-42.

[8] Abdala AA, Amin S, van Zanten JH, Khan SA. Tracer microrheology study of a hydrophobically modified comblike associative polymer. Langmuir. 2015 Mar 24; 31(13):3944-51.

[9] Willenbacher N, Oelschlaeger C, Schopferer M, Fischer P, Cardinaux F, Scheffold F. Broad bandwidth optical and mechanical rheometry of wormlike micelle solutions. Physical Review Letters. 2007 Aug 10; 99(6):068302.

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