Gelbildner Natrosol™ 250 HX

Natrosol™ 250 HX

Der Gelbildner für klare, leichte Gele

INCI: Hydroxyethyl Cellulose

Natrosol™ 250 HX ist eine Hydroxyethylcellulose. Sie gehört, wie Xanthan und Guarkernmehl, zu den so genannten Hydrokolloiden und ist ein halbsynthetischer Gelbildner. Analog zu anderen Hydrokolloiden bildet sie einen elastischen, jedoch kaum spürbaren Film auf der Hautoberfläche, kann jedoch aufgrund der Molekülgröße nicht ins Stratum corneum eindringen und gilt daher als sehr verträglich.

Gelbildner Natrosol™ 250 HX

Hydroxyethyl Cellulose

  • Funktion: Gelbildner
  • Dosierung: Gele 1–1,5 %, in Emulsionen als stabilisierende Komponente 0,2–0,5 %
  • Wirkung: Leichter, haptisch angenehmer Gelbildner.
  • Verarbeitung: In etwas Alkohol oder Glycerin verreiben, zur Wasserphase geben. Alternativ in die heiße Wasserphase einrühren. Autoklavierbar.

Auf Basis pflanzlicher Cellulose können durch partielle Anlagerung (Substitution) verschiedener funktioneller Gruppen an ihre 3 reaktionsfähigen OH-Gruppen jeder Glucopyranose-Untereinheit der natürlichen Cellulose verschiedene Cellulose-Derivate hergestellt werden. Hydroxyethylcellulose (kurz »HEC«) bezeichnet ein nichtionisches Derivat, das durch die Veretherung von mit Alkali vorbehandelter Cellulose mit Ethylenoxid hergestellt wird, um diese wasserlöslich zu machen. Dabei werden, chemisch gesehen, Hydroxy-Gruppen an die OH-Gruppen der Cellulose angelagert.

Wirkung und kosmetischer Einsatz

Die folgende Tabelle nennt typische Einsatzbereiche und Eigenschaften oben genannter Celluloseether. »mPa« kennzeichnet die Viskosität in Megapoise; ein hoher Wert bedeutet eine hohe Viskosität:

TypProduktVerwendungViskosität (mPa·s, in 2%iger wässriger Lösung, 20° C)
HECNatrosol˝ 250 HXWundgele, Hautgele (Gesicht), Hautgele, Gleitgele, O/W-Emulsionen9.000
Quellen: 1) Neues Rezeptur-Formularium: Rezepturhinweise Celluloseether. Eschborn: Govi-Verlag Pharmazeutischer Verlag GmbH, 2008; 2) Datenblatt des Produkts

Natrosol™ 250 HX bildet viskose, klare, geruchlose und stabile Hydrogele mit (im Vergleich z. B. mit Stärken, Xanthan und Guarkernmehl) verminderter mikrobieller Anfälligkeit. Eine Konservierung ist selbstverständlich dennoch erforderlich (z. B. durch 15 % vol. Alkohol auf die Wasserphase). Mit Lipiden (bis ca. 20 %) gemischt sind leichte Hydrodispersionsgele möglich, die (bei entsprechend sinnvoller Ölkombination) wundervolle pflegende Cremegele und Feuchtigkeitsfluids ergeben (Orientierungswert: 1,5 % Einsatzkonzentration). Ein Zusatz von feinen Pigmenten/Feststoffen wie Mica, Kaolin oder Seidenpulver (superfein) (ca. 0,5%ig) ergibt sehr schöne, stabile und in der Haptik ansprechende Gele. Im Vergleich zu anderen Gelbildnern liegt Natrosol™ 250 HX nicht auf und ergibt haptisch ausgesprochen angenehme Formulierungen.

Neben einem Einsatz in Gelen fungiert Natrosol™ 250 HX als wirksamer Stabilisator in O/W-Emulsionen, in dem es durch Konsistenzerhöhung der Wasserphase die Gefahr der Koaleszenz der inneren Phase vermindert (Orientierungswert: 0,2–0,5 % Einsatzkonzentration). Weitere Einsatzgebiete sind Haar-, Zahn- und Gleitgele sowie dekorative Kosmetik, in dem seine filmbildenden Eigenschaften genutzt werden.

In Verbindung mit Tensiden zeigt Natrosol™ 250 HX die Tendenz zur Verflüssigung und zur Trennung; ich empfehle Ihnen für Ihre tensidischen Produkte Cosphaderm® X 34.

Verarbeitung

Um ein Verklumpen von Cellulose-Derivaten zu vermeiden, empfiehlt sich wie für andere Gelbildner auch eine der folgende Methoden (2)

  1. ein Einstreuen des Gelbildners in das Wasser unter gleichzeitigem starkem Rühren, anschließend kann das Gel in Ruhe ausquellen,
  2. ein Anreiben des Gelbildners in Glycerin (99%ig) oder Alkohol (mindestens 70 Vol.- %), bevor er weiter verarbeitet wird, da er dort nicht quillt, aber anschließend leichter dispergiert werden kann,
  3. ein Trockenverreiben mit einem anderen, pulvrigen Rezepturbestandteil vor Dispergierung oder
  4. ein Einrühren des Gelbildners in sehr heißem Wasser, in dem er sich sehr schnell dispergieren lässt.
  5. Für alle Cellulose-Derivate gilt: Nach dem Andicken sollte nur vorsichtig gerührt werden, da das Gel ansonsten durch die eingeschlagene Luft inhomogen werden kann und seine schöne Konsistenz verliert.

Besonders homogen werden Cellulosegele bei Zusatz von Alkohol (bis 15 % als Konservierung); dieser mindert die Grenzflächenspannung und bedingt eine kleinere Partikelgröße der Öltröpfchen bei der Dispergierung und damit eine feindisperse und homogene Optik. Auch Glycerin verbessert die Struktur.

Interessant zu wissen ist, dass Gele auf Basis von HEC im Dampfdrucktopf (> 20 Minuten bei 2 bar, im hohen Becherglas, mit Alufolie abdecken) sterilisierbar sind; dies ist für Anwendungsbereiche sinnvoll, die besonders keimarm sein sollen (in der pharmazeutischen Praxis z. B. Augengele). Auch in Hydrodispersionsgelen mit ihrem extrem hohen Wassergehalt bietet eine Sterilisation des Gels eine hervorragende Möglichkeit, mikrobielle Belastungen zu minimieren und die Verträglichkeit des Endprodukts für sensible Haut zu fördern. Die Dampfsterilisation ist gering viskositätmindernd, bei meinen Tests sah ich jedoch keine Notwendigkeit, vorher höher zu dosieren. Alkohol zur Konservierung sollte naturgemäß danach eingearbeitet werden. Ein interessanter Nebeneffekt: nach dem Dampfsterilisieren weisen die Gele keinerlei Lufteinschlüsse mehr auf und sind absolut homogen. Ebenso lassen sich Hydroxyethylcellulosen nachträglich (auch kalt) mit Wasser verdünnen.

Celluloseether sollten auf Grund ihrer Hygroskopie trocken und gut verschlossen gelagert werden; eine explizite Kühlung ist nicht erforderlich.

Die Hitzetoleranz können wir für die Verarbeitung nutzen. 2011 habe ich verschiedene Tests durchgeführt. Grundlage meines Tests war ein 0,8%iges Hydrogel, das ich für zwei Proben verwendete:

  • 0,8 g Natrosol™ 250 HX
  • 99,2 g Wasser

Herstellungsverfahren mit kaltem und heißem Wasser:

Das Herstellungsverfahren ist exakt identisch. Ich arbeite mit meinem Rührwerk IKA 20 RW, das mir die Rührgeschwindigkeit digital anzeigt, und einem Zeitmesser.

  • Natrosol™ 250 HX wird unter Rühren bei 700 rpm eingestreut und 2 Minuten dispergiert. Ich prüfe beide Gele direkt.
  • Anschließend lasse ich beide Gele mehrere Stunden abgedeckt stehen, dann erfolgt die zweite Kontrolle.

Der Unterschied liegt in der Temperatur des Wassers: Probe A nutzt kaltes Wasser, Probe B frisch aufgekochtes.

Hier sind die Ergebnisse der Gelherstellung:

Gel mit Natrosol™ 250 HX direkt nach Herstellung
Gel mit Natrosol™ 250 HX nach einigen Stunden

Oben: Man sieht den Unterschied deutlich: das kalt hergestellte Gel ist noch nicht völlig transparent, sondern leicht milchig. Das heiß hergestellte ist ein klares Gel geworden.

Oben: Nach einigen Stunden haben sich beide optisch angeglichen; das kalt hergestellte Gel ist ebenfalls transparent geworden.

Natrosol™ 250 HX im Kaltverfahren hergestellt (es bleiben Restpartikel sichtbar)

Oben:Hier sehen Sie das kalt hergestellte Gel im Detail: unten sind gequollene Restpartikel sichtbar. Da die Quellung im kalten Wasser verzögert abläuft, hat die Dispergierung über 2 Minuten keine Homogenität erhalten können. Nun wird auch verständlich, warum in den Produktunterlagen zu den HEC eine 45-minütige Dispergierung empfohlen wird: in dieser Zeit vollzieht sich die Quellung; die Homogenität wird durch das kontinulierliche Rühren sichergestellt.

Natrosol™ 250 HX im Heißverfahren hergestellt (es ist vollständig klar)

Oben: Das heiß hergestellte Gel ist absolut homogen und klar. Hier hat durch die hohe Temperatur eine sofortige Quellung stattgefunden, die die Homogenität des Gels bewahrt.

In der Viskosität liegt das im Heißverfahren hergestellte Gel geringfügig höher; sein Fließverhalten ist homogen. Das kalt hergestellte Gel weist leichte Inhomogenitäten im Fluss auf, hier befinden sich offenbar noch unterschiedliche Verteilungen an Partikeln, die mit dem Auge nicht sichtbar sind. Ein erneutes Dispergieren löst diese jedoch problemlos auf.

Hydrodisperisonsgele?

Eine Frage stand für mich noch im Raum: was ist, wenn ich aus dem Hydrogel ein Hydrodispersionsgel herstelle? Ist das Ergebnis vergleichbar oder weisen die Gele nicht sichtbare Unterschiede in ihrer Struktur auf? Ich habe beide Gele mit 5 % Olivenöl kalt dispergiert, 2 Minuten mit 2000 rpm; das Ergebnis sehen Sie hier:

Hydrodispersionsgele mit Natrosol™ HX

Oben: Beide Gele sind halb opak, und man sieht bei genauer Betrachtung noch kleine Öltröpfchen in der Gelmatrix eingebettet, ansonsten sind sie identisch.

Fazit

Für unsere Herstellung zuhause bedeutet dies, dass wir bei unseren kleinen Chargen ohne Nachteile die Heißmethode nutzen können, um schnell ein Hydrogel mit Natrosol™ 250 HX herzustellen – die Prozesse sind einfach beschleunigt. Wer Gele kalt rühren möchte, sollte sie lange rühren, damit sie homogen werden.

Dosierung von Natrosol™ 250 HX

Die Einsatzkonzentrationen in Rahmenrezepturen variieren stark und liegen zwischen 0,1 und 4 %. Ich habe in Einsatzkonzentrationen zwischen 1 und 1,5% viskose stabile Gele erzeugen können. Als emulsionsstabilisierende Komponenten reichen ca. 0,2–0,5 %. Eine geringe Menge Xanthan (ca. 10 % des HEC-Anteils) stabilisiert Gele zusätzlich.

Quellen

  1. Bundesvereinigung Deutscher Apothekerverbände: Neues Rezeptur-Formularium. Rezepturhinweise Celluloseether. Eschborn: Govi-Verlag. Stand: 17.06.2008
  2. Bundesvereinigung Deutscher Apothekerverbände: Neues Rezeptur-Formularium. Hydrogele. Eschborn: Govi-Verlag. Stand: 11.02.2008
  3. Horst Fey, Xenia Petsitis: Wörterbuch der Kosmetik. Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, 2004
  4. Wolfgang Raab, Ursula Kindl: Pflegekosmetik. Ein Leitfaden. Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, 2004
  5. Produktdatenblätt der Firmen Hercules Incorporated und Dow Chemical Company
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