التقدم البحثي في ​​مجال المواد الخافضة للتوتر السطحي في الشامبو

الشامبو منتج يُستخدم يوميًا لإزالة الأوساخ من فروة الرأس والشعر والحفاظ على نظافتهما. تتكون مكوناته الرئيسية من مواد فعالة سطحية، ومكثفات، ومرطبات، ومواد حافظة، وغيرها. وتُعد المواد الفعالة السطحية أهم هذه المكونات. تشمل وظائفها التنظيف، وتكوين الرغوة، والتحكم في اللزوجة، ولطف البشرة، بالإضافة إلى دورها المحوري في عملية التلبد الكاتيوني. ولأن البوليمر الكاتيوني يترسب على الشعر، فإن هذه العملية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بنشاط السطح، الذي يُساعد بدوره على ترسب المكونات المفيدة الأخرى (مثل مستحلب السيليكون، والمواد الفعالة المضادة للقشرة). ويؤدي تغيير نظام المواد الفعالة السطحية أو تغيير مستويات الإلكتروليتات إلى سلسلة من التفاعلات التي تُحدثها البوليمرات المرطبة في الشامبو.

1. نشاط جدول SLES

يتميز كبريتات لوريل الصوديوم (SLS) بتأثير ترطيب جيد، وقدرة على إنتاج رغوة غنية، وميله إلى تكوين رغوة سريعة. مع ذلك، يتفاعل بقوة مع البروتينات ويُسبب تهيجًا شديدًا للجلد، لذا نادرًا ما يُستخدم كمكون فعال رئيسي في مساحيق التجميل. يُعد كبريتات لوريث الصوديوم (SLES) المكون الفعال الرئيسي في الشامبو حاليًا. ويُلاحظ أن قدرة SLES على امتصاص المواد من الجلد والشعر أقل بكثير من قدرة SLS. في الواقع، لا تُظهر منتجات SLES ذات درجة الإيثوكسيل العالية أي قدرة على الامتصاص. إضافةً إلى ذلك، تتميز رغوة SLES بثباتها الجيد ومقاومتها العالية للماء العسر. كما أن الجلد، وخاصة الأغشية المخاطية، أكثر تحملاً لـ SLES من SLS. ويُعد كل من كبريتات لوريث الصوديوم وكبريتات لوريث الأمونيوم من أكثر أنواع SLES استخدامًا في السوق. أظهرت الأبحاث التي أجراها لونغ تشيك وآخرون أن لوريث كبريتات الأمين يتميز بلزوجة رغوية أعلى، وثبات جيد للرغوة، وحجم رغوة متوسط، وقدرة تنظيف جيدة، ويجعل الشعر أكثر نعومة بعد الغسل. أما لوريث كبريتات الأمونيوم، فيتفكك غاز الأمونيا فيه في الظروف القلوية، لذا يُستخدم لوريث كبريتات الصوديوم على نطاق أوسع، والذي يتطلب نطاقًا أوسع من الرقم الهيدروجيني، ولكنه أكثر تهيجًا من أملاح الأمونيوم. يتراوح عدد وحدات الإيثوكسي في كبريتات لوريث الصوديوم عادةً بين وحدة واحدة وخمس وحدات. وتؤدي إضافة مجموعات الإيثوكسي إلى تقليل تركيز المذيلات الحرج (CMC) للمواد الخافضة للتوتر السطحي الكبريتية. ويحدث أكبر انخفاض في تركيز المذيلات الحرج بعد إضافة مجموعة إيثوكسي واحدة فقط، بينما يكون الانخفاض أقل بكثير بعد إضافة من 2 إلى 4 مجموعات إيثوكسي. ومع زيادة عدد وحدات الإيثوكسي، تتحسن توافقية كبريتات لوريث الأمونيوم مع الجلد، ولا يُلاحظ أي تهيج تقريبًا للجلد في كبريتات لوريث الصوديوم التي تحتوي على حوالي 10 وحدات إيثوكسي. مع ذلك، فإن إضافة مجموعات الإيثوكسي تزيد من ذوبانية المادة الفعالة سطحياً، مما يعيق زيادة اللزوجة، لذا يجب إيجاد توازن. تستخدم العديد من أنواع الشامبو التجارية كبريتات لوريث الصوديوم (SLES) التي تحتوي على ما بين وحدة إلى ثلاث وحدات إيثوكسي في المتوسط.

باختصار، يُعدّ كبريتات لوريل إيثر الصوديوم (SLES) خيارًا اقتصاديًا في تركيبات الشامبو. فهو لا يتميز فقط برغوة غنية ومقاومة عالية للماء العسر، بل يسهل تكثيفه أيضًا، ويتميز بتلبد كاتيون سريع، ولذلك لا يزال المادة الفعالة السطحية الرئيسية في أنواع الشامبو الحالية. 

2. المواد الخافضة للتوتر السطحي من الأحماض الأمينية

في السنوات الأخيرة، ولأن مادة SLES تحتوي على الديوكسان، فقد تحول المستهلكون إلى أنظمة مواد خافضة للتوتر السطحي أكثر اعتدالاً، مثل أنظمة المواد الخافضة للتوتر السطحي للأحماض الأمينية، وأنظمة المواد الخافضة للتوتر السطحي من نوع ألكيل جليكوسيد، وما إلى ذلك.

تنقسم المواد الخافضة للتوتر السطحي من الأحماض الأمينية بشكل رئيسي إلى أسيل جلوتامات، وN-أسيل ساركوسينات، وN-ميثيل أسيل تورات، وما إلى ذلك.

2.1 أسيل جلوتامات

تُقسم غلوتامات الأسيل إلى أملاح أحادية الصوديوم وأملاح ثنائية الصوديوم. يكون المحلول المائي للأملاح أحادية الصوديوم حمضيًا، بينما يكون المحلول المائي للأملاح ثنائية الصوديوم قلويًا. يتميز نظام غلوتامات الأسيل السطحي بقدرة رغوية مناسبة، وخصائص ترطيب وتنظيف جيدة، ومقاومة للماء العسر أفضل من أو مماثلة لـ SLES. وهو آمن للغاية، ولا يُسبب تهيجًا أو حساسية حادة للجلد، وله سمية ضوئية منخفضة. يكون التهيج الناتج عن الاستخدام لمرة واحدة لغشاء العين المخاطي خفيفًا، ويكون التهيج الناتج عن الجلد المصاب (محلول بتركيز 5%) قريبًا من تهيج الماء. يُعد غلوتامات كوكويل ثنائي الصوديوم أكثر أنواع غلوتامات الأسيل تمثيلًا. يُصنع غلوتامات كوكويل ثنائي الصوديوم من حمض جوز الهند الطبيعي وحمض الغلوتاميك بعد إضافة كلوريد الأسيل، وهما آمنان للغاية. (لي تشيانغ وآخرون). أظهرت دراسة بعنوان "بحث حول استخدام غلوتامات كوكويل ثنائي الصوديوم في الشامبو الخالي من السيليكون" أن إضافة غلوتامات كوكويل ثنائي الصوديوم إلى نظام كبريتات لوريث الصوديوم (SLES) تُحسّن من قدرة النظام على تكوين الرغوة وتُقلل من أعراض تهيج الشعر الناتجة عن استخدام SLES. عند تخفيف المنتج بنسب 10 و20 و30 و50 مرة، لم تؤثر غلوتامات كوكويل ثنائي الصوديوم على سرعة وكثافة التكتل. أما عند تخفيفه بنسب 70 أو 100 مرة، فقد تحسّن التكتل، ولكن زادت صعوبة زيادة كثافة الرغوة. ويعود السبب في ذلك إلى وجود مجموعتي كربوكسيل في جزيء غلوتامات كوكويل ثنائي الصوديوم، حيث تتداخل المجموعة المحبة للماء عند السطح البيني. تؤدي المساحة الأكبر إلى انخفاض معامل التعبئة الحرج، مما يُسهّل تجمّع المادة الفعالة سطحيًا في شكل كروي، ويُصعّب تكوين المذيلات الشبيهة بالديدان، وبالتالي يُعيق زيادة كثافة الرغوة.

2.2 N-أسيل ساركوسينات

يتميز N-أسيل ساركوسينات بتأثير ترطيب في نطاق الحموضة المتعادلة إلى الحمضية الضعيفة، وله تأثيرات قوية في تكوين الرغوة وتثبيتها، كما يتمتع بمقاومة عالية للماء العسر والإلكتروليتات. يُعد لوريل ساركوسينات الصوديوم المثال الأبرز على ذلك. يتميز لوريل ساركوسينات الصوديوم بتأثير تنظيف ممتاز. وهو عامل سطحي أنيوني من نوع الأحماض الأمينية، يُحضر من مصادر طبيعية لحمض اللوريك وساركوسينات الصوديوم من خلال تفاعل رباعي المراحل يشمل الفثالة والتكثيف والتحميض وتكوين الملح. يتشابه أداء لوريل ساركوسينات الصوديوم من حيث تكوين الرغوة وحجمها وفعالية إزالة الرغوة مع أداء لوريث كبريتات الصوديوم. ومع ذلك، في نظام الشامبو الذي يحتوي على نفس البوليمر الكاتيوني، توجد اختلافات واضحة في منحنيات التلبد لكليهما. ففي مرحلتي تكوين الرغوة والفرك، يتميز شامبو نظام الأحماض الأمينية بانزلاق أقل عند الفرك مقارنةً بنظام الكبريتات. في مرحلة الشطف، لا يقتصر الأمر على انخفاض انزلاقية الشطف قليلاً، بل إن سرعة شطف شامبو الأحماض الأمينية أقل أيضاً من سرعة شطف شامبو الكبريتات. وقد وجد وانغ كوان وزملاؤه أن النظام المركب من لورويل ساركوسينات الصوديوم مع مواد فعالة سطحية غير أيونية وأنيونية ومزدوجة الأيونات، من خلال تغيير معايير مثل جرعة المادة الفعالة السطحية ونسبتها، وجدوا أنه بالنسبة للأنظمة المركبة الثنائية، يمكن لكمية صغيرة من جليكوسيدات الألكيل أن تحقق زيادة تآزرية في اللزوجة؛ بينما في الأنظمة المركبة الثلاثية، تؤثر النسبة بشكل كبير على لزوجة النظام، ومن بينها، يمكن لمزيج لورويل ساركوسينات الصوديوم وكوكاميدوبروبيل بيتايين وجليكوسيدات الألكيل أن يحقق تأثيرات أفضل في زيادة اللزوجة الذاتية. ويمكن الاستفادة من هذا النوع من مخططات زيادة اللزوجة في أنظمة الأحماض الأمينية الفعالة سطحياً.

2.3 N-ميثيل أسيل تورين

تتشابه الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ N-ميثيل أسيل تورات مع تلك الخاصة بكبريتات ألكيل الصوديوم ذات طول السلسلة نفسه. كما يتميز بخصائص رغوية جيدة ولا يتأثر بسهولة بدرجة الحموضة أو عسر الماء. يتمتع بخصائص رغوية جيدة في النطاق الحمضي الضعيف، حتى في الماء العسر، مما يجعله أكثر استخدامًا من كبريتات الألكيل، وأقل تهيجًا للجلد من N-صوديوم لوريل جلوتامات وفوسفات لوريل الصوديوم. وهو قريب من كبريتات لوريث الصوديوم (SLES) وأقل منه بكثير، مما يجعله مادة فعالة سطحية لطيفة ومنخفضة التهيج. أما أكثرها تمثيلًا فهو ميثيل كوكويل تورات الصوديوم. يتكون ميثيل كوكويل تورات الصوديوم من تكثيف الأحماض الدهنية المشتقة طبيعيًا مع ميثيل تورات الصوديوم. وهو مادة فعالة سطحية عامة من الأحماض الأمينية ذات رغوة غنية وثبات جيد للرغوة. ولا يتأثر بشكل أساسي بدرجة الحموضة أو عسر الماء. يُظهر ميثيل كوكويل تورات الصوديوم تأثيرًا مُكثِّفًا تآزريًا مع المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة، وخاصةً المواد الخافضة للتوتر السطحي المذبذبة من نوع البيتين. ركزت دراسة تشنغ شياومي وآخرون، بعنوان "بحث حول أداء تطبيق أربعة مواد خافضة للتوتر السطحي من الأحماض الأمينية في الشامبو"، على كوكويل غلوتامات الصوديوم، وكوكويل ألانين الصوديوم، ولوريل ساركوزينات الصوديوم، ولوريل أسبارتات الصوديوم. أُجريت دراسة مقارنة لأداء التطبيق في الشامبو. وباستخدام لوريث كبريتات الصوديوم (SLES) كمرجع، نوقشت خصائص الرغوة، وقدرة التنظيف، والتكثيف، والتلبد. ومن خلال التجارب، خُلص إلى أن أداء رغوة كوكويل ألانين الصوديوم ولوريل ساركوزينات الصوديوم أفضل قليلًا من أداء SLES؛ وأن قدرة التنظيف للمواد الخافضة للتوتر السطحي الأربعة من الأحماض الأمينية متقاربة، وجميعها أفضل قليلًا من SLES؛ وأن أداء التكثيف أقل عمومًا من SLES. بإضافة مُكثِّف لضبط لزوجة النظام، يمكن زيادة لزوجة نظام كوكويل ألانين الصوديوم إلى 1500 باسكال.ثانية، بينما تبقى لزوجة أنظمة الأحماض الأمينية الثلاثة الأخرى أقل من 1000 باسكال.ثانية. تُظهر منحنيات التلبد للمواد الفعالة بالسطح من الأحماض الأمينية الأربعة انحناءً أقل من منحنيات كبريتات لوريل إيثر الصوديوم (SLES)، مما يشير إلى أن شامبو الأحماض الأمينية يُشطف ببطء، بينما يُشطف نظام الكبريتات بسرعة أكبر قليلاً. باختصار، عند تكثيف تركيبة شامبو الأحماض الأمينية، يُمكن إضافة مواد فعالة بالسطح غير أيونية لزيادة تركيز المذيلات. كما يُمكن إضافة مُكثِّفات بوليمرية مثل ثنائي أوليات ميثيل جلوكوز PEG-120. إضافةً إلى ذلك، لا يزال تركيب مُرطِّبات كاتيونية مناسبة لتحسين سهولة التمشيط يُمثِّل تحديًا في هذا النوع من التركيبات.

3. المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية من نوع ألكيل جليكوسيد

بالإضافة إلى المواد الخافضة للتوتر السطحي من الأحماض الأمينية، حظيت المواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية من نوع ألكيل جليكوسيد (APGs) باهتمام واسع النطاق في السنوات الأخيرة نظرًا لقلة تهيجها، وملاءمتها للبيئة، وتوافقها الجيد مع الجلد. عند دمجها مع مواد خافضة للتوتر السطحي مثل كبريتات بولي إيثر الكحول الدهني (SLES)، تقلل APGs غير الأيونية من التنافر الكهروستاتيكي للمجموعات الأنيونية في SLES، مما يؤدي إلى تكوين ميسيلات كبيرة ذات بنية عصوية. تقل احتمالية اختراق هذه الميسيلات للجلد، مما يقلل من تفاعلها مع بروتينات الجلد وما ينتج عنه من تهيج. وقد وجد فو يانلينغ وزملاؤه أن SLES استُخدم كمادة خافضة للتوتر السطحي أنيونية، بينما استُخدم كل من كوكاميدوبروبيل بيتايين ولورو أمفواسيتات الصوديوم كمواد خافضة للتوتر السطحي ثنائية القطب، واستُخدم كل من ديسيل جلوكوسيد وكوكويل جلوكوسيد كمواد خافضة للتوتر السطحي غير أيونية. بعد الاختبار، تبين أن المواد الفعالة السطحية الأنيونية تتمتع بأفضل خصائص الرغوة، تليها المواد الفعالة السطحية ثنائية القطب، بينما تتمتع مركبات APG بأسوأ خصائص الرغوة. تُظهر أنواع الشامبو التي تحتوي على مواد فعالة سطحية أنيونية كمكون رئيسي تكتلاً واضحاً، في حين أن المواد الفعالة السطحية ثنائية القطب ومركبات APG تتمتع بأسوأ خصائص الرغوة. لم يحدث أي تكتل. أما بالنسبة لخصائص الشطف وتمشيط الشعر المبلل، فإن الترتيب من الأفضل إلى الأسوأ هو: مركبات APG > الأنيونات > المواد الفعالة السطحية ثنائية القطب، بينما في الشعر الجاف، تتساوى خصائص تمشيط أنواع الشامبو التي تحتوي على الأنيونات والمواد الفعالة السطحية ثنائية القطب كمكونات رئيسية. يتميز الشامبو الذي يحتوي على مركبات APG كمكون رئيسي بأسوأ خصائص التمشيط. أظهر اختبار غشاء الكوريون الألانتوي لجنين الدجاج أن الشامبو الذي يحتوي على مركبات APG كمكون رئيسي هو الألطف، بينما الشامبو الذي يحتوي على الأنيونات والمواد الفعالة السطحية ثنائية القطب هو الألطف أيضاً. تتميز مركبات APG بانخفاض تركيزها في CMC، وهي منظفات فعالة للغاية للبشرة ودهونها. لذا، تعمل مركبات APG كعامل سطحي رئيسي، مما قد يجعل الشعر جافًا ومتقشرًا. ورغم أنها لطيفة على البشرة، إلا أنها قد تزيل الدهون وتزيد من جفافها. لذلك، عند استخدام مركبات APG كعامل سطحي رئيسي، يجب مراعاة مدى إزالتها لدهون البشرة. يمكن إضافة مرطبات مناسبة إلى تركيبة الشامبو لمنع القشرة. وللتخلص من الجفاف، يمكن استخدامها أيضًا كشامبو للتحكم في إفراز الزيوت، وذلك على سبيل المثال لا الحصر.

باختصار، لا يزال الإطار الرئيسي الحالي لنشاط السطح في تركيبات الشامبو يعتمد بشكل أساسي على النشاط السطحي الأنيوني، والذي ينقسم إلى نظامين رئيسيين. أولًا، يُدمج كبريتات لوريث الصوديوم (SLES) مع مواد خافضة للتوتر السطحي ثنائية القطب أو غير أيونية لتقليل تهيج الشعر. يتميز هذا النظام برغوة غنية، وسهولة التكثيف، وسرعة تكتل مُرطبات الزيوت الكاتيونية والسيليكونية، وانخفاض التكلفة، مما يجعله النظام السائد في السوق. ثانيًا، تُدمج أملاح الأحماض الأمينية الأنيونية مع مواد خافضة للتوتر السطحي ثنائية القطب لزيادة فعالية الرغوة، وهو ما يُعدّ من أبرز التوجهات في تطوير السوق. يتميز هذا النوع من المنتجات بتركيبة لطيفة ورغوة غنية. مع ذلك، نظرًا لبطء تكتل وشطف تركيبة أملاح الأحماض الأمينية، يكون الشعر جافًا نسبيًا بعد استخدام هذا النوع من المنتجات. وقد أصبحت مركبات APG غير الأيونية اتجاهًا جديدًا في تطوير الشامبو نظرًا لتوافقها الجيد مع البشرة. تكمن صعوبة تطوير هذا النوع من التركيبات في إيجاد مواد فعالة سطحية أكثر كفاءة لزيادة كثافة الرغوة، وإضافة مرطبات مناسبة للتخفيف من تأثير مركبات البروبيلين جليكول على فروة الرأس. في حالات الجفاف.