Newsletter - 2006/03 - Ausgabe 12
Oberflächenenergiemessung von menschlicher Haut
Autor: Dr. Frank Thomsen, KRÜSS GmbH
Abstract
Bislang konnten die Benetzungseigenschaften von kosmetischen Produkten nur ermittelt werden, wenn genügen "helfende Hände" zur Verfügung standen. In Tests wird dabei das Produkt aufgetragen und das Ergebnis beurteilt. Es wäre aber hilfreich, wenn schon vorab eine Aussage über das Benetzungsverhalten auf der Haut getroffen werden könnte, besonders, da die verschiedenen Zusatzstoffe das Verhalten im Zusammenspiel kompliziert gestalten. Durch Kontaktwinkelmessungen mit dem DSA100 kann diese Erkenntnislücke nun geschlossen werden.
Methode
Die menschliche Haut hat, wie jede Oberfläche, eine spezifische Energie, die sich messen lässt. Und gerade diese physikalische Eigenschaft ist im Zusammenspiel mit der Oberflächenspannung der Kosmetika für das Benetzungsverhalten verantwortlich.
Mit einem einzigen Energiewert für die menschliche Haut ist es aber nicht getan. Zu berücksichtigen sind die unterschiedlichen Hauttypen: Es gibt trockene, fettige, normale oder auch Mischhaut. Kennt man aber das Energieprofil all dieser Hauttypen, dann kann man das Benetzungsverhalten gegenüber verschiedenen Flüssigkeiten vorhersagen. So ist gewährleistet, dass die diversen Kosmetika perfekt auf den Anwender abgestimmt werden können.

- Abb. 1: Schematische Darstellung des liegenden Tropfens
Experimenteller Teil
Owens/Wendt auf der einen und Fowkes auf der anderen Seite beschrieben den Zusammenhang zwischen dem Kontakt winkel auf einem Festkörper und dem polaren und dispersiven Anteil σD und σP der Oberflächenspannungen der beiden Phasen:
-----> Bitte Formel einfügen!
Mit Hilfe eines Tropfenkontur-Analysesystems wurden auf der Haut mit verschiedenen Flüssigkeiten Kontaktwinkel ermittelt. Aus diesen Werten kann dann unmittelbar die Oberflächen energie bestimmt werden, sofern die dispersiven und polaren Anteile der Oberflächenspannungen der Flüssigkeiten bekannt sind.
Eine so zusammengestellte Datensammlung für alle Hauttypen macht es möglich, die Komponenten von Kosmetika gezielt zu verändern und dabei mit molekularen Kenngrößen wie dem polaren Verhalten zu arbeiten. Die Zahl notwendiger Probanden messungen kann auf diese Weise drastisch reduziert werden.

- Abb. 1: Tropfenkontur-Analysesystem DSA100
Ergebnis
Die folgende Tabelle zeigt die energetischen Unterschiede, die durch den Fettigkeitsgrad der Haut zustande kommen:
nicht entfettete Haut | entfettete Haut | |
Oberflächenenergie (mN/m) | 43,7 | 32,9 |
polarer Anteil (mN/m) | 8,0 | 1,6 |
dispersiver Anteil (mN/m) | 35,7 | 31,3 |
Tab. 1: Oberflächenenergien zweier Hauttypen
Trägt man die polaren Anteile der Oberflächenspannung gegen die dispersiven Anteile in einem Diagramm auf, ergibt sich der "Wetting Envelope", der hier am Beispiel der nicht entfettenen Haut gezeigt wird. (siehe Abbildung 3). Alle Flüssigkeiten, deren Daten unterhalb der Kurve liegen, ergeben eine vollständige Benetzung.

- Abb. 3: Benetzungsbereich einer nicht entfetteten Stirnhaut
Zusammefassung
Durch die Bestimmung der Oberflächenenergie von menschlicher Haut benötigt man nur noch die Oberflächen spannungs komponenten der Flüssig keiten, um sichere Aussagen über das Benetzungsverhalten bei den verschiedenen Hauttypen treffen zu können.
Literatur
C. Rulison: Two-Component Surface Energy Characterization as a Predictor of Wettability and Dispersability. KRÜSS Application Note #213 (2000).
A. Mavon, H. Zahouani, D. Redoules, P. Agache, Y. Gall, Ph. Humbert: Sebum and Stratum Lipids Increase Human Skin Surface Free Energy as determined from Contact Angle Measurements: A Study on two Anatomical Sites. In: Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. Vol 8, 1997. 147-155.
D.K. Owens, R. C. Wendt. In: Jour. Applied Polymer Sci. 13,1741 (1969).
F.M. Fowkes. In: Industrial and Engineering Chemistry, 56, 12, 40 (1964).


