Τροποποίηση αργιλικών ορυκτών για χρήση σε καλλυντικά και φαρμακευτικά σκευάσματα τοπικής χορήγησης

Abstract

The subject of the present doctoral thesis is the creation of novel materials for the manufacture of topically applied cosmetics and semi-solid pharmaceutics (pastes) without the use or with little use of preservatives. As such materials natural clay minerals of pharmaceutical purity were chosen due to their exceptional physicochemical properties and their abundance in Greece. Although the therapeutic action of natural clays is known since antiquity, there is very little evidence relating to their antimicrobial action and protection. The novelty of the present study lies in the assessment of the antimicrobial protection when these materials undergo chemical modification, as there has not been so far any other study covering a similar subject. Clay minerals were combined with other metals, such as copper and zinc, so as to enhance their properties and then their action was widened in various topical applications. Specifically, twelve pastes were produced using the chemically modified powders of pharmaceutical purity of kaolin, talc and bentonite. Tests have been carried out to define their structural and chemical characteristics as well as their ability to offer antimicrobial protection, rendering them appropriate for cosmetic and pharmaceutical use. Kaolin, talc and bentonite have undergone chemical treatment through the method of cation exchange to modify clay particles with copper and zinc ions, two metals that according to studies are known for their antimicrobial properties. Mineralogical analyses were carried out using X-ray Diffraction (XRD) before and after the modification, confirming the mineralogical purity of the samples. Specifically, in the pharmaceutical kaolin sample, kaolinite is the dominant inorganic phase together with small illite quantities, in the pharmaceutical talc sample, talc is the dominant component while chlorite coexists in small quantities and lastly in the pharmaceutical bentonite sample, smectite is dominant, and in particular montmorillonite. Scanning Electron Microscopy in combination with microanalysis (SEM-EDS) was used to obtain chemical mapping images (pseudochromatism), thus revealing the dispersion of the added metals on clays’ surfaces. The results exclude the existence of big aggregates, which could derive from the enrichment process. Moreover, a chemical analysis (XRF) was conducted to confirm the clays enrichment with every metal using the cation exchange capacity. All the modified samples showed the expected high copper or zinc concentration in comparison with their non-modified versions. The case of structural changes of mineral phases was examined through Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and no significant changes were detected. The samples surface chemical-state was analysed through X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), revealing the existence of salt compounds and indicating the oxidation state of the absorbed metals. The Cu and Zn ions release rate from the three clays was also analysed. The results prove that their concentrations after their contact with phosphate-buffered saline (PBS) peaked approximately within the first five minutes of the contact time, indicating that most ions were released right after the samples contact with the phosphate-buffered saline. Furthermore, the microbial resistance of the semi-solid pharmaceutics manufactured to microbial growth of bacteria, fungi and yeasts was assessed. Their assessment was based on the standards of the European Pharmacopoeia (EP). The main purpose of this thesis is to assess the antimicrobial protection of these three clay minerals of pharmaceutical purity (kaolinite, talc and montmorillonite), through a preservative efficacy test, before and after their enrichment with metals like copper and zinc. In addition, an important objective is the assessment of the impact of clay minerals enriched with metals on the endurance of microbial growth, when applied in final products in accordance with the standards of the European Pharmacopoeia, and to what extent they can replace the use of preservatives. Based on the results of this thesis, we can draw the conclusion, that the modification of these materials (clay minerals with metals) can provide a serious alternative to the irrational use of preservatives and other chemical compounds, which are proven to be an increasing source of environmental pollution. Lastly, the topical application of these materials in the form of semi-solid pharmaceutics, due to the antimicrobial protection they provide, could replace antimicrobial medicines, which have serious side-effects to the human body (diarrhea, gastrointestinal disorders etc.) due to the antibiotics they contain.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία καινοτόμων υλικών με σκοπό την παρασκευή καλλυντικών και φαρμακευτικών ημιστερεών σκευασμάτων (φυραμάτων) για τοπική εφαρμογή χωρίς ή με ελάχιστη χρήση συντηρητικών. Ως τέτοια υλικά επιλέχθηκαν τα φυσικά αργιλικά ορυκτά φαρμακευτικής καθαρότητας, εξαιτίας αφενός μεν των εξαιρετικών φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων αφετέρου δε λόγω της αφθονίας τους στον Ελλαδικό χώρο. Παρόλο που η ύπαρξη θεραπευτικής δράσης των φυσικών αργίλων είναι γνωστή από την αρχαιότητα, ελάχιστα στοιχεία υπάρχουν σήμερα ως προς την αντιμικροβιακή τους δράση και προστασία. Η καινοτομία της παρούσας έρευνας αφορά στην αξιολόγηση της αντιμικροβιακής προστασίας των υλικών αυτών εφόσον υποστούν χημική τροποποίηση, καθώς μέχρι σήμερα δεν έχει πραγματοποιηθεί άλλη μελέτη με παρόμοιο αντικείμενο. Τα αργιλικά ορυκτά εμπλουτίστηκαν με μέταλλα όπως ο χαλκός και ο ψευδάργυρος προκειμένου να βελτιωθούν οι ιδιότητες τους και στη συνέχεια διερευνήθηκε η δράση τους σε διάφορες τοπικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν δώδεκα φυράματα χρησιμοποιώντας χημικά τροποποιημένες φαρμακευτικής καθαρότητας σκόνες καολίνη, τάλκη και μπεντονίτη. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές για τον προσδιορισμό των δομικών και χημικών χαρακτηριστικών τους καθώς και για την ικανότητα της αντιμικροβιακής τους προστασίας, καθιστώντας τα κατάλληλα για καλλυντικές και φαρμακευτικές χρήσεις. Ο καολίνης, ο τάλκης και ο μπεντονίτης υποβλήθηκαν σε χημική επεξεργασία μέσω της μεθόδου ανταλλαγής κατιόντων για την τροποποίηση των σωματιδίων αργίλου με ιόντα χαλκού και ψευδαργύρου, δύο μέταλλα γνωστά από μελέτες για τις αντιμικροβιακές τους ιδιότητες. Οι ορυκτολογικές αναλύσεις διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας Περιθλασιμετρία Ακτίνων Χ (XRD) πριν και μετά την τροποποίηση επιβεβαιώνοντας την ορυκτολογική καθαρότητα των δειγμάτων. Συγκεκριμένα, στο δείγμα του φαρμακευτικού καολίνη, ο καολινίτης είναι η κυρίαρχη ανόργανη φάση που συνοδεύεται από μικρές ποσότητες ιλλίτη, στο δείγμα του φαρμακευτικού τάλκη κυριαρχεί ο τάλκης ενώ ο χλωρίτης συνυπάρχει σε μικρές ποσότητες και τέλος στον φαρμακευτικό μπεντονίτη κυριαρχεί ο σμεκτίτης και συγκεκριμένα ο μοντμοριλλονίτης. Η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης χρησιμοποιήθηκε επίσης σε συνδυασμό με μικροανάλυση (SEM-EDS) για την απόκτηση εικόνων χημικής χαρτογράφησης (ψευδοχρωματισμό), αποκαλύπτοντας τη διασπορά των προστιθέμενων μετάλλων στις επιφάνειες των αργίλων. Τα αποτελέσματα αποκλείουν την παρουσία μεγάλων συσσωματωμάτων που θα μπορούσαν να προέρχονται από τη διαδικασία εμπλουτισμού. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε χημική ανάλυση (XRF) για την επικύρωση του εμπλουτισμού των αργίλων με κάθε μέταλλο χρησιμοποιώντας την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων. Όλα τα τροποποιημένα δείγματα έδειξαν την αναμενόμενη αυξημένη συγκέντρωση σε χαλκό ή ψευδάργυρο σε σύγκριση με τις μη τροποποιημένες εκδόσεις τους. Μέσω της Φασματοσκοπίας Υπέρυθρων Μετασχηματισμών κατά Fourier (FTIR) εξετάστηκε η περίπτωση των δομικών αλλαγών των ορυκτών φάσεων και δεν ανιχνεύθηκαν σημαντικές αλλαγές. Από τη Φασματοσκοπία Φωτο-ηλεκτρονίων Ακτίνων Χ (XPS) διερευνήθηκε η χημική κατάσταση των επιφανειών των δειγμάτων, αποκαλύπτοντας την παρουσία ενώσεων άλατος και υποδεικνύοντας την κατάσταση οξείδωσης των προσροφημένων μετάλλων. Επίσης, μελετήθηκε ο ρυθμός απελευθέρωσης των ιόντων Cu και Zn και από τους τρεις αργίλους. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν πως οι συγκεντρώσεις τους μετά την επαφή τους με το φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα άλατος (PBS) κορυφώθηκαν περίπου εντός των πρώτων πέντε λεπτών του χρόνου επαφής, υποδεικνύοντας ότι τα περισσότερα ιόντα απελευθερώθηκαν αμέσως μετά την επαφή των δειγμάτων στο φωσφορικό ρυθμιστικό διάλυμα άλατος. Επιπλέον, εκτιμήθηκε η μικροβιακή αντίσταση των ημιστερεών σκευασμάτων (φυραμάτων) που παρασκευάστηκαν, στη μικροβιακή ανάπτυξη από βακτήρια, μύκητες και ζύμες. Η αξιολόγηση αυτών βασίστηκε στα κριτήρια της Ευρωπαϊκής Φαρμακοποιίας (EP). Ο κύριος σκοπός αυτής της εργασίας είναι να αξιολογήσει την αντιμικροβιακή προστασία, μέσω ενός τεστ αποτελεσματικότητας συντήρησης (preservative efficacy test), των τριών αυτών αργιλικών ορυκτών (καολινίτης, τάλκης και μοντμοριλλονίτης) φαρμακευτικής καθαρότητας πριν και μετά από τη μέθοδο εμπλουτισμού τους με μέταλλα όπως χαλκό και ψευδάργυρο. Επιπρόσθετα, ένας σημαντικός στόχος είναι να αξιολογήσει την επίδραση των αργιλικών ορυκτών εμπλουτισμένων με μέταλλα στην αντοχή της μικροβιακής ανάπτυξης όταν διαμορφώνονται σε τελικά προϊόντα σύμφωνα με τους κανονισμούς της Ευρωπαϊκής Φαρμακοποιίας και σε ποιο βαθμό μπορούν να υποκαταστήσουν τη χρήση συντηρητικών. Με βάση τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής, συμπεραίνεται πως η τροποποίηση των φυσικών αυτών υλικών (αργιλικών ορυκτών με μέταλλα) μπορεί να αποτελέσει μία σοβαρή εναλλακτική λύση ενάντια στην αλόγιστη χρήση συντηρητικών και άλλων χημικών συνθετικών, τα οποία όπως έχει αποδειχθεί αποτελούν μία ολοένα και αυξανόμενη πηγή ρύπανσης του περιβάλλοντος. Τέλος η χρήση αυτών των υλικών τοπικά με μορφή ημιστερεών σκευασμάτων, λόγω της αντιμικροβιακής προστασίας που παρέχουν, θα μπορούσε να αντικαταστήσει αντιμικροβιακά φάρμακα τα οποία προκαλούν σημαντικές παρενέργειες στον ανθρώπινο οργανισμό (διάρροια, γαστρεντερικές διαταραχές κτλ.) λόγω των αντιβιοτικών που περιέχουν.