NANOCZĄSTKI - MAŁE JEST ZŁOŻONE

Omówienie nanocząstek (właściwości, bezpieczeństwo) w kosmetykach

2/1/20209 min read

a blue and white sculpture with a sky background

Nanocząstki w kosmetykach to jeden z bardziej kontrowersyjnych tematów. Odkąd nanomateriały znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach technologii czy medycyny, zwrócił się ku nim również przemysł kosmetyczny. Z czasem zaczęły pojawiać się jednak wątpliwości, co do ich bezpieczeństwa, i po początkowym zachwycie zainteresowanie nimi maleje, a nanocząstki znajdują się na różnych "czarnych listach". Skąd biorą się te wątpliwości? Dlaczego nanocząstki nie są "zwykłym" materiałem?

Dlaczego stosujemy nanocząstki?

Nanocząstki w przemyśle kosmetycznym wykorzystywane są przede wszystkim jako barwniki oraz filtry UV, a ich przewagą nad tradycyjnymi materiałami mają być zwiększona stabilność i zapewnienie długotrwałego efektu kosmetycznego (np. brak bielenia w przypadku filtrów UV czy większa trwałość koloru). Ze względu na specyficzne właściwości, mogą również służyć dostarczaniu innych składników. Najpowszechniejsze są nanocząstki tlenku cynku, dwutlenku tytanu, węgiel i krzemionki.

Czym są nanocząstki?

Rozporządzenie kosmetyczne (1223/2009) definiuje nanomateriał jako -

"nierozpuszczalny lub biotrwały oraz celowo wytworzony materiał, który ma jeden lub więcej z wymiarów zewnętrznych lub struktury wewnętrznej z zakresu 1-100 nm".

W 2011 wydano rekomendację (2011/696/EU), w której zaproponowano uściślenie powyższej definicji:

"Nanomateriał oznacza naturalny, identyczny z naturalnym lub celowo wytworzony materiał, zawierający cząstki w stanie niezwiązanym lub jako agregaty lub aglomeraty, gdzie 50% lub więcej cząstek w rozkładzie ilościowym, jeden lub więcej zewnętrznych wymiarów mieści się w zakresie 1-100 nm."

gdzie cząstka to drobna cząstka materii o określonych granicach fizycznych, aglomerat to zbiór słabo związanych cząstek lub agregatów, a agregat to zbiór silnie związanych ze sobą cząstek.

Rekomendacja ta nie została do tej pory uwzględniona w rozporządzeniu, ale poleca się jej stosowanie przy ocenie bezpieczeństwa.

Rozpuszczalność i rozmiar - dwie kluczowe kwestie

Tylko materiał nierozpuszczalny może być uznany za nanomateriał, a więc wszystkie substancje rozpuszczalne od razu się z tej definicji wyłamują. A co jeśli materiał wykazuje częściową rozpuszczalność? Każde ryzyko związane z nanomateriałem może się zmienić (w tym również zmniejszyć), jeśli materiał się rozpuszcza. Podstawowym kryterium rozróżnienia jest czas, w którym dochodzi do rozpuszczania. Częściowe rozpuszczenie w długim czasie może być mylnie interpretowane jako materiał rozpuszczalny. W przypadku nanomateriałów jako rozpuszczalność należy rozumieć "dezintegrację w środowisku wodnym lub biologicznym do komponentów cząsteczkowych, które nie mają cech nano". Przy ocenie bezpieczeństwa należy zwrócić uwagę, w jakiej formie ma zostać użyty materiał. Jeśli jest to forma cząstek stałych, trzeba określić ile nanocząstek może zawierać końcowy produkt, nawet gdy jest częściowo rozpuszczony. Rozwiązań dla nanocząstek można nie stosować tylko wtedy, gdy substancja jest stosowana w postaci w pełni rozpuszczonej. Zgodnie z wytycznymi SCCS jako nanomateriały należy kwalifikować wszystkie substancje, które są praktycznie nierozpuszczalne, bardzo słabo, słabo i trudno rozpuszczalne, czyli zgodnie z Farmakopeą Europejską ich rozpuszczalność jest mniejsza niż 33,3 g/L (oczywiście, jeśli spełnione są pozostałe wymagania co do zdefiniowania jako nanomateriał). Im niższa rozpuszczalność i szybkość rozpuszczania nanocząstek, tym większą uwagę trzeba zwrócić w kwestii bezpieczeństwa dla konsumenta. Sugeruje się, że chemicznie stabilne nanocząstki metali nie są szczególnie toksyczne dla komórek, ale te nanomateriały, które mogą ulegać utlenianiu, redukcji czy rozpuszczaniu, mogą wykazywać cytotoksyczność.

Rozmiar nanocząstek determinuje ich właściwości. Wraz ze zmniejszaniem wielkości cząstek, zmieniają się ich właściwości - fizykochemiczne, możliwe interakcje biologiczne. Związane jest z tym również ich przenikanie przez błony biologiczne (o czym więcej poniżej). Bardzo charakterystyczna dla nanocząstek jest rozwinięta powierzchnia właściwa - dzięki temu same nanocząstki nie tylko agregują, ale również mają dużą zdolność wiązania do siebie innych cząsteczek i potencjalnie transport szkodliwych substancji do wnętrza komórek ("koń trojański"). Zasada jest prosta - im mniejszy rozmiar nanocząstek, tym większe obawy co do ich bezpieczeństwa dla człowieka. Nie bez znaczenia jest również kształt nanocząstek - igły, włókna i wydłużone kształty są obarczone większym ryzykiem dla zdrowia niż płatki czy kształt sferyczny. Kiedy materiał w postaci cząstek stałych posiada strukturę wewnętrzną w skali nano lub występuje jako aglomerat lub agregat, należy skorzystać z dodatkowych (oprócz liczbowego rozkładu wielkości cząstek) metod określania wielkości, np. pomiaru powierzchni właściwej, obrazów z mikroskopii elektronowej (SEM i TEM). Podjęcie odpowiedniej decyzji, czy materiał jest nano może pomóc schemat decyzyjny i specjalne narzędzia dostępne na stronie nanodefine.eu.

Czy nanocząstki penetrują błony biologiczne?

Nanocząstki mogą mieć zdolność penetrowania błon biologicznych i "dosięgania" tych części ciała, które są niedostępne dla zwykłych, większych cząstek. Nie jest dotąd jasne, czy akumulacja nanocząstek, dla których zaobserwowano transport do narządów wtórnych oraz które są uważane za mało toksyczne, może prowadzić do skutków toksykologicznych lub przyczyniać się do patologicznych zmian w narządach w ujęciu długoterminowym. Mechanizm akumulacji może się różnić ze względu na rodzaj komórek i drogę ekspozycji.

Ocena bezpieczeństwa substancji wiąże się z wystąpieniem ryzyka oraz ekspozycji. Jeśli brakuje któregoś z tych dwóch czynników - nie ma ryzyka dla konsumenta. Kluczowa dla nanocząstek jest więc ocena ekspozycji. Podstawową, w przypadku kosmetyków, jest ekspozycja dermalna (po na nałożeniu na skórę), ale konieczne jest również rozważenie ekspozycji poprzez inhalację (drogą wziewną) czy po spożyciu (np. w pastach do zębów czy szminkach). Najtrudniejsze jest jednak uwzględnienie możliwości penetracji nanocząstek przez błony biologiczne, co nadaje zupełnie nowy wymiar w aspekcie toksykologicznym. Obecny stan wiedzy wskazuje, że nanocząstki mają bardzo ograniczoną możliwość przenikania naskórka lub nie penetrują go wcale, jednak ilość przeprowadzonych doświadczeń jest mała. Kiedy nie ma więc danych eksperymentalnych na temat penetracji dermalnej, SCCS rekomenduje przyjęcie założenia podobnego jak dla zwykłych substancji, tj. że 50% dawki zostaje wchłonięte. W przypadku wdychania nanocząstek istnieje możliwość, że po dostaniu się do płuc następnie trafią do węzłów chłonnych, a stamtąd - do krwioobiegu. Jeśli nie ma danych doświadczalnych na temat absorpcji nanocząstek drogą wziewną, należy przyjąć, że 100% dawki zostaje wchłonięte. Dla drogi spożycia - należy założyć, że cała dawka pozostaje w formie cząstek stałych oraz że 50% dawki jest wchłaniana (lub 10%, jeśli wiemy, że biodostępność jest niska). Podczas oceny toksykologicznej należy także wziąć pod uwagę potencjalną agregację/aglomerację nanocząstek, możliwość ich częściowego rozpuszczenia, ale także deaglomerację w warunkach fizjologicznych. Również pozostałe właściwości fizykochemiczne, w tym reaktywność, która jest ściśle powiązana z powierzchnią nanocząstek, mogą ulegać zmianie w wyniku interakcji z otaczającym je medium.

Brak dobrych metod badawczych - to problem

Podstawą w opisie nanocząstek jest i charakteryzacja fizykochemiczna. Na zachowanie się i interakcje z innymi substancjami bądź jednostkami żywymi, mają wpływ rozmiar, morfologia, powierzchnia właściwa, skład chemiczny rdzenia i powierzchni, charakter chemiczny nanocząstek. Równie ważne jest określenie ich stabilności. Ponieważ nie mamy wiedzy, jaki jest związek pomiędzy właściwościami fizykochemicznymi nanocząstek a ich potencjalnymi efektami ubocznymi, ciężko jest ustalić jedną, obligatoryjną listę obowiązkowych parametrów do ustalenia. Z punktu widzenia opisu fizykochemicznego, nanocząstki użyte w kosmetykach powinny zostać scharakteryzowane na trzech etapach: produkcji (stan bazowy), po dodaniu do końcowego produktu (ponieważ zmieniać się m.in. może ich rozmiar, stopień agregacji, rozpuszczalność - ocena ekspozycji z punktu widzenia konsumenta) oraz podczas badań toksykologicznych. W zależności od warunków wytwarzania, procesowania, magazynowania nanocząstki "tego samego rodzaju" mogą się znacząco od siebie różnić właściwościami fizycznymi i morfologią cząstek.

Istnieje jeszcze szereg zależności i nieścisłości co do samych metod pomiarowych dla nanocząstek, ale zrozumienie tego wymaga posiadania specjalistycznej wiedzy, nie będę więc w tym momencie wchodzić w te szczegóły. Pragnę tylko w tym miejscu podkreślić, że metody analityczne również opierają się na pewnych założeniach i modelach matematycznych, które mogę nie być dostosowane do specyfiki nanocząstek, a każdy sprzęt pomiarowy jest tak mądry, jak osoba go obsługująca. Obecna technika pozwala zmierzyć naprawdę wiele, pytanie, czy osoba wykonująca pomiar jest w stanie dobrze obsłużyć aparaturę i poprawnie zinterpretować wyniki.

Problemem w ocenie bezpieczeństwa nanocząstek jest również brak dostępnych i zwalidowanych metod in vitro dla toksyczności reprodukcyjnej i rozwojowej. Powszechnie akceptowane i wykorzystywane metody in vitro dla standardowych substancji obejmują już m.in. podrażnienie skóry i oczu, mutagenność i fototoksyczność, ale żadne z nich nie zostały dotąd zwalidowane dla nanocząstek (wyjątek - ostatnio pojawiła się taka walidacja w przypadku określania kancerogenności). Tak więc oprócz możliwości testowania absorpcji skórnej, dostępne metody in vitro nie są dopasowane do określania możliwych szkodliwych efektów in vivo zależnych od dawki dla wszystkich składników kosmetycznych. Sprawia to, że ocena ryzyka jest sporym wyzwaniem, a dodatkowe zależności związane z nanocząstkami tylko ją komplikują.

Główne wątpliwości co do bezpieczeństwa

W opublikowanym w 2021 roku przez SCCS dokumencie na temat bezpieczeństwa nanocząstek podkreślono, że są trzy główne wątpliwości związane z nanocząsteczkami w produktach kosmetycznych.

Ich właściwości fizykochemiczne - bardzo małe rozmiary, rozpuszczalność i trwałość, reaktywność chemiczna, toksyczność, zależność właściwości od morfologii i wielkości powierzchni, modyfikacje powierzchniowe.
Częstotliwość i ilość występowania podczas określania ekspozycji, w tym ekspozycja systemowa i potencjalna akumulacja.
Specyficzna aktywność wynikająca z funkcji i zastosowania.

W 2019 roku zaproponowano system punktowy, który mógłby pomóc w ocenie ryzyka, jakie niosą nanocząstki dla zdrowia człowieka. Dla kilku kategorii postawiono pytania, na które można odpowiadać, uzyskując określoną ilość punktów za odpowiedź - TAK (3 pkt), NIE (0 pkt), NIE WIADOMO (1 pkt). Im wyższa suma punktów za odpowiedzi, tym możliwie większe ryzyko dla człowieka.

Specjalne traktowanie

W przypadku produktów kosmetycznych zawierających nanomateriał, należy dokonać jego notyfikacji na 6 miesięcy przed wprowadzeniem na rynek, przy czym zastrzeżenie to nie dotyczy przypadków, kiedy składnik nano pełni w produkcie funkcję barwnika, konserwantu lub filtru UV. Wówczas stosowane są standardowe kryteria. W przeciwnym razie Komisja Europejska może wystąpić do SCCS o dokonanie oceny bezpieczeństwa substancji. Ostatnio wydawane opinie SCCS na temat różnych nanomateriałów pokazują, że biegli nie są w stanie ocenić ryzyka dla zdrowia człowieka (nie można go ani potwierdzić, ani wykluczyć), ponieważ zebrane dane są niewystarczające. Dlatego kluczową kwestią jest określenie minimalnego poziomu potencjalnego ryzyka, który uzasadniałby zastosowanie restrykcji i regulacji prawnych dla substancji, dla których wydano niejednoznaczne opinie. Komisja Europejska udostępnia również katalog nanomateriałów stosowanych w produktach kosmetycznych (notyfikowanych w portalu CPNP), w którym obok nazwy składnika podane są kategorie produktów, w których jest wykorzystywany i możliwa droga ekspozycji. Ma on charakter informacyjny, a nie regulacyjny. Do końca roku 2016 mniej niż 1% produktów kosmetycznych dostępnych na rynku UE zawierało nanocząstki.

Jakie nanocząstki są dla nas najgroźniejsze?

SCCS stworzyło listę nanomateriałów, które potencjalnie wykazują największe ryzyko. W poniższej tabeli ułożone są one zgodnie z malejącym ryzykiem.

Jak widać, większość opinii jest bez konkluzji z powodu braku wystarczających danych. Najbardziej ryzykowną drogą ekspozycji jest natomiast droga wziewna, stąd nie powinno stosować się nanocząstek w produktach aerozolowych i sprayach.

Ostateczna konkluzja

Nanocząstki pozostają obiektem badań, ponieważ wciąż niewiele o nich wiemy. Brak wystarczających danych sprawia, że nie można jednoznacznie potwierdzić ich bezpieczeństwa lub wykluczyć ryzyka dla zdrowia. Stopień skomplikowania możliwych reakcji i oddziaływań nanocząstek, wynika przede wszystkim z ich rozmiarów oraz skorelowania z powierzchnią właściwą. Bez poznania dokładnych mechanizmów kierujących ich możliwym transportem przez błony komórkowe i oddziaływaniu z innymi molekułami, nie dokonamy przełomu w ocenie bezpieczeństwa.

Źródła: