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1 Spring-8 利用推進協議会第 12 回ヘルスケア研究会 ナノエマルションの生成と相互作用の研究 - 化粧品への応用をめざして 年 12 月 13 日 カネボウ化粧品スキンケア研究所 佐野友彦

2 目次 化粧品の製剤化技術とは? 高濃度ナノエマルション - 作製と物性ー 高濃度ナノエマルションの応用 - 高分子との相互作用ー

3 製剤と感触 製剤の外観 透明 白濁 みずみずしい しっとりする感じ 効果がありそう 皮膚塗布時の感触 とろみ中身が濃そう 効果がありそう のびがわるい のびがかるい : べたべたしそう しっとりしそう 肌に残りそう さっぱりしそう 中身が濃そう 効果がありそう 使用場面 個人差があり 一概には言えないが 製剤の物理的性状が大きく使用性 ( 感触 ) に影響

4 化粧品製剤の物性に影響を与える因子 乳化粒子 大きい 高分子 水中油型エマルション O/W 1 相可溶化液晶 水中油型エマルション W/O 乳化タイプ 小さい

5 エマルションの粒径と外観 外観 粒径 10nm 100nm 1μm 10μm レイリー散乱可視光 粒径 数十 nm の高含油ナノエマルションの作成を検討 ナノサイズのエマルションの作製方法界面化学的方法高圧乳化法

6 高圧乳化法 高圧乳化機 圧力 100Mpa~300Mpa (1000 気圧 ~3000 気圧 ) チャンバー 高圧乳化機 剪断速度 (S -1 ) 10 8 マイクロフルイタ イサ ー ホモミキサ プロセス予備乳化高圧乳化機油相 / 水相 / 界面活性剤 循環 ナノエマルション

7 組成 高含油ナノエマルション % % イオン性活性剤 1.5 油剤 ( シリコーン ) 21 水 / グリセリン 77 高含油ナノエマルション ( 高粘度 & 透明 ) 高含油 低活性剤のナノエマルションが生成高含油ナノエマルションは透明 ジェル状をしていた

8 高含油ナノエマルションの結晶様構造 TEM 像 (Freeze Fracture 法 ) 20 nm 50 nm ヘキサゴナル状に配列 エマルションが結晶状に配列

9 面心立方格子中に見える六角形 電子顕微鏡観察 ( フリーズフラクチャー法 ) 充填モデル 粒子径 ( 直径 ) 30nm 程度 面心立方格子 (FCC) 50 nm 43.7n m 61.8nm Particle size 28.1nm 原液 (NE1) Packing density(oil volume %) Void volume(water volume %)

10 NE 原液の SANS 散乱関数の Fitting 面心立方格子構造 I(q) [cm -1 ] R = 17.05nm R/R =0.21 a = 57.3nm g = 0.16 NE1 fitting with fcc P(q) S(q) P(q), S(q) Face-Centered Cubic (FCC 構造 ) 斜めから見ると六角形が見える q [Å -1 ] 東京大学物性研究所小角散乱装置 (SANS-U) 50 nm 電子顕微鏡でも六角形の格子構造が見えている FCC 構造を仮定した理論計算値 ( 黒線 ) と測定データ ( 赤丸 ) がほぼ一致する 計算から得られた粒径も電子顕微鏡観察で見える大きさと近い

11 高含油ナノエマルションの結晶様構造まとめ 測定法方位 粒子半径 (nm) 結晶構造 格子間隔 (nm) F-TEM 14 BCC 57 SANS 17 BCC 62 DLS 16 高含油ナノエマルションは粒子径約 30nm 格子間隔約 60nm の結晶様構造をとる

12 NE 希釈過程での SANS およびレオロジー測定結果 小角中性子散乱 (SANS) データ レオロジー ( 定常流粘度 ) 測定データ I(q) [cm -1 ] NE1 NE1.25 NE2 NE4 NE8 NE16 NE27 NE q [Å -1 ] 希釈に伴い ピーク位置が小角側に移動 均一に希釈 ( 粒子間距離が増加 ) している [Pa s] (NE1 がナノサイズエマルション原液 NE* の * の数字は希釈倍率を表す ) 流れるシャバシャバ 流れない図. [s -1 ] 原液 NE1 NE1.25 NE1.33 NE2 NE4 NE8 NE16 NE27 NE 希釈 希釈に伴い 粘度が減少する Shear-thinning が観られていたものが ニュートン流体に変わる 東京大学物性研究所小角散乱装置 (SANS-U)

13 NE 単体での SANS 測定結果 小角中性子散乱 (SANS) データのピーク位置より 希釈倍率に対する相関長 ( 粒子間距離 ) の変化をグラフにした 10 1 a D(x)/D(x = 1) NE 原液 (NE1) NE1.25 NE4 NE8 NE16 slope : ~1/3 NE27 NE54 例えば 8 倍希釈なら 2a 距離は 2 倍になる 10 0 NE x [-] ( 格子一辺 ) ( 相関長 ) a ξ= 2π/q m ( ピーク位置 ) NE を希釈すると理論値どおりに粒子間距離が広がっている

14 高含油ナノエマルションについてのまとめ ナノサイズエマルションの粒子は 負 (-) に荷電した粒子の電荷反発による斥力 ( 反発 ) 作用により FCC 型の充填構造をとっていると推定エマルションが特異的な結晶様構造をとる珍しい例と考えられる 高含油ナノエマルションは 原液では Shear thinning 性を示すが 希釈により ニュ - トン流体に変化する また 希釈過程では 希釈率に比例して 均一分散する

15 化粧品製剤の物性に影響を与える因子 乳化粒子 大きい 高分子 水中油型エマルション O/W 1 相可溶化液晶 水中油型エマルション W/O 乳化タイプ 小さい 界面での相互作用

16 高含油ナノサイズエマルションの相互作用 ( 透明 高粘度 ) 電子顕微鏡観察 ( フリーズフラクチャー法 ) 高速 高圧 粒径大 高圧乳化機の心臓部 ( チャンバー ) 微細化 高圧乳化ナノサイズエマルション (NE) 原液 50 nm 粒子径 ( 直径 ) 30nm 程度 均質な NE 粒子が格子状に配列? 混合する水性媒体により様々な製剤特性を発現 水 ( 希釈 ) 1 2 アニオンポリマー ( ホ リアクリル酸 ) 水溶液 3 ノニオンポリマー (HEC) 水溶液 化粧水 ( 透明 ) クリーム状の外観 ( 白濁 高粘度 ) 流動で高粘度化 ( タ イラタンシー ) 透明な外観 化粧水がゼリー状に

17 NE+PAA 混合製剤と分子量依存性 ( 透明 ) ( 透明 ) + クリーム状の外観 ( 白濁 高粘度 ) 高圧乳化 (NE) 原液 ホ リアクリル酸水溶液 混合製剤 サンプル外観 1 NE 原液 (NE1) : 2PAA1% 水溶液 = 80 : 20 分子量 万 25 万 100 万 (PAA は試薬を使用 )

18 s) (Pa NE+PAA 混合 ( クリーム ) 製剤のレオロジー 定常流レオロジー測定 高粘度 D(80/20) ( NE 原液 : カルボマー 1% 溶液 =80:20 で混合 ) (NE 原液とほぼ同等の挙動 ) NE 相 ポリマー相 Shear thinning 大 NE1( (non-dilution) 原液 ) Depletion D(80/20) (80:20) Carbopol カルボマー % 0.2% 溶液 NE1.25(1.25 x dil.) NE 相とポリマー相が均一混合せず 相分離しているのでは? Shear rate (s -1 )

19 小角中性子散乱 (SANS) 解析 : 粒子間距離の変化 NE( 単体 ) の希釈 NE1( 原液 ) NE1.33 NE2 NE4 SK-1d 8m SK-1d 75% 8m SK-1d 50% 8m SK-1d 25% 8m NE+PAA 混合製剤 ( クリーム製剤 ) SK-1d NE1( 8m NE 原液 ) Depletion μe:c980 D(90/10) 90:10 1% = 90:10 8m Depletion μe:c980 D(80/20) 80:20 1% = 80:20 8m 2 2 I(q) / cm NE 粒子 均等に希釈されている I(q) / cm -1 粒子間距離が均等に広がっている 小角領域の強度増加 q / A q / A -1 サンプル : ナノザイズエマルション (NE) & NE+ ポリアクリル酸 (PAA) 混合製剤 NE*; * は希釈倍率 D(90/10) NE1:PAA 1% = 90:10 D(80/20) NE1:PAA 1% = 80:20 (PAA; カーボポール980) 測定条件 :SANS-U (ISSP, U. λ=7.0a, カメラ長 :2m, 8m R.T. 粒子間距離 [nm] 80 NE4 NE2 60 NE1.33 NE D(90/10) D(80/20) 希釈による理論粒子間距離の変化 =( 希釈倍率 ) 1/3 粒子間距離はほぼ同じ

20 混合製剤のフリーズフラクチャー電子顕微鏡 (FF-TEM) 像 エマルション : ポリアクリル酸水溶液 = 80:20 混合系 500nm ナノエマルションのコロイド結晶様構造相と大きなドメイン ( ポリマ - 溶液相 ) との相分離状態 アニオンポリマー溶液相 (~μm サイズ ) 100nm NE 相 ( コロイド結晶構造 ) 高圧乳化 NE 原液高粘度 保形性あり ナノエマルション相のコロイド結晶構造による高粘度が相分離構造を形成 保持している

21 混合製剤のポリマー分子量依存性 [Pa s] 定常流レオロジー測定 NE:PAA=80:20 PAA: Mw=1,000,000 PAA: Mw=250,000 PAA: Mw=25,000 PAA: Mw=5,000 NE: SK-1d [s -1 ] ポリアクリル酸の分子量 100 万,25 万と 2.5 万,5000 の挙動は全く異なる 100 万,25 万では Shear-thinning が観られているが 2.5 万,5000 ではニュートン流体 分子量大では相分離しているが 分子量小では相分離していない

22 -1 ] I(q)[cm 混合製剤のポリマー分子量依存性 SANS プロフィール ( 散乱曲線 ) (1) 粒子間距離の分子量依存性 (2) 粒子間距離 [nm] 希釈後理論粒子間距離 NE1( 原液 ) 粒子間距離 NE1 : PAA 1% = 80 : 20 M w = 1,000,000 M w = 250,000 M w = 25,000 M w = 5, M w 分子量 100 万,25 万では粒子間距離は NE1( 原液 ) とほぼ同じ 分子量 25000,5000 では粒子間距離は希釈後理論値に近い q [Å -1 ] (1) 分子量 100 万,25 万ではピーク位置は NE 単独とほぼ同じ分子量 25000,5000 では小角側にシフト (2) 小角領域の強度は 分子量 100 万,25 万で増加傾向 ( 傾きが大 ) 分子量大では相分離しているが 分子量小では相分離していない

23 NE+PAA 混合製剤で想定される相分離現象のメカニズム + (dilution) ナノエマルション粒子を単純に希釈すると粒子間隔は広がる Water NE NE + PAA soln. (phase separation) ポリマーの分子量 ( サイズ ) が大きく 粒子間にポリマーが入り込めないと粒子間隔は広がらない ( 相分離 )

24 高含油ナノサイズエマルションの相互作用 ( 透明 高粘度 ) 電子顕微鏡観察 ( フリーズフラクチャー法 ) 高速 高圧 粒径大 高圧乳化機の心臓部 ( チャンバー ) 微細化 高圧乳化ナノサイズエマルション (NE) 原液 50 nm 粒子径 ( 直径 ) 30nm 程度 均質な NE 粒子が格子状に配列? 混合する水性媒体により様々な製剤特性を発現 1 水 ( 希釈 ) 2 アニオンポリマー ( ホ リアクリル酸 ) 水溶液 3 ノニオンポリマー (HEC) 水溶液 化粧水 ( 透明 ) クリーム状の外観 ( 白濁 高粘度 ) 流動で高粘度化 ( タ イラタンシー ) 透明な外観 化粧水がゼリー状に

25 ダイラタンシー (shear thickening) 挙動 ( 振とう ) 静置状態 ( 振とう前 ) は流動的 振とう後はゲル状に変化

26 レオロジー測定 ( 動的粘弾性 ) G', G" / Pa s G' > G" after 1270 times G'( G"( G"( 固まる ( ゲル状 ) before G' < G" G'( (rad/s) γ=5% = at 25 ÞC at 25 流れる せん断流動 (100 s -1 で 10 min) 前後での G ( ) G ( ) 測定流動的であったものが 流動印加後はゲル状の物性を示す

27 Rheo-SANS 測定 / Pa s Rheology data x10 3 Intensity [cm -1 ] SANS data Dilatant Point!! Stationary 0.1 s s s s s s s s s s s s s -1 t / min sec Dilatant Point!!(ca. 4 s -1 ) Q [Å -1 ] Dilatant Point 以上のせん断速度で 低波数領域の散乱強度が増加

28 Rheo-SANS 測定 (2D patterns) と各成分単体での SANS 測定 Rheo-SANS 測定 (2D patterns) 各成分単体での SANS 測定 10 3 S(q) 10 0 Radial Tangential Shear flow Intensity (cm -1 ) P(q) NE 50 wt% HEC 0.4 wt% P(q) S(q) P(q), S(q) 次元パターンは Dilatant Point を超えた高せん断速度でも等方的! エマルション粒子の間隔 ( 平均粒子間距離 ) は 流れ ( 変形 ) を加えても変わらない 散乱強度 :NE 粒子 >> ポリマー鎖 NE 粒子の変形も NE 粒子間の平均距離も変わらない HEC ポリマー鎖が伸びて 粒子間を橋渡しして ネットワーク構造を形成? q (nm -1 ) 10-6

29 Shear thickening 現象で想定されるメカニズム 静置状態 流れ ( 変形 ) NE particle 流れを印加 ( 振とう ) Polymer 粘度 : 低 粘度 : 高 流れる固まる ( ゲル状 ) Shear thickening( ダイラタンシー ) 現象 高分子はナノエマルションに吸着する 流れ ( 変形 ) を加えると エマルション粒子の移動が起こり 脱着する前に高分子がエマルション粒子にさらに吸着する ( 衝突頻度の増加 ) 適切な速さでは エマルション粒子が架橋点 ( 繋ぎ目 ) になり 吸着した高分子が繋がって固いゲル状になる

30 まとめ 小角中性子散乱法などによる解析から以下のことがわかった ナノサイズエマルション (=NE) 単体 NE+ アニオンポリマー : 相分離製剤 NE+ ノニオンポリマー : Shake Gel ナノサイズエマルション非吸着のNEとアニオンの粒子は 負 (-) に荷電ポリマーの場合 粒子間した粒子の電荷反発に距離より ポリマー鎖がよる斥力相互作用により 大きいと 相分離構造を FCC 型の充填構造をとる 形成する 高粘度の NE 粒子相 流れ ( 変形 ) を加えるとエマルション粒子が架橋点になり 吸着した高分子が繋がることでゲル状になる 静置状態 ( 振る前 ) 高分子溶液相 ダイラタンシー ( ゲル状 ) ( 振った後 ) 流れ ( 変形 )

31 謝辞 この研究は私が花王 ( 株 ) 時代に 東大物性研究所柴山研究室との共同研究の成果であり ご協力いただいた以下の方々に感謝いたします. ( 花王株式会社 ) 久米 卓志 岩井 秀隆 川田 裕三 ( 東京大学物性研究所 ) 柴山充弘教授研究室の皆様 ( 敬称略 )

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