Cristalli Liquidi | Tipi, Funzioni | Uso nei Cosmetici

Cosa Sono

I cristalli liquidi sono particolari strutture liquido-cristalline che rappresentano uno stato intermedio tra solido e liquido.

Ad esempio, un cristallo liquido può scorrere come un liquido pur mantenendo un orientamento delle proprie molecole analogo a quello dei solidi cristallini.

Per questo motivo, i cristalli liquidi sono indicati come fasi intermedie, mesofasi o stato mesomorfo; inoltre, sono noti anche come "quarto stato della materia".

A Cosa Servono

I cristalli liquidi hanno la capacità di autoassemblarsi spontaneamente per generare una varietà di strutture stabili, in una, due o tre dimensioni.

Questo auto-assemblamento avviene in risposta a stimoli esterni, come ad esempio la variazione della temperatura o l’applicazione di una corrente elettrica o un campo magnetico.

Grazie a tali proprietà, i cristalli liquidi hanno numerose applicazioni industriali, come display a cristalli liquidi, celle solari, vernici e sensori. Hanno anche molti impieghi in medicina, cosmesi e biologia.

Va anche notato che, nel corpo umano, DNA, proteine e altre molecole possono formare fasi di cristalli liquidi.

Ad esempio, le membrane biologiche e le membrane cellulari sono una forma di cristalli liquidi. Le loro molecole costituenti (es. fosfolipidi) sono infatti perpendicolari alla superficie della membrana, che tuttavia non appare solida, bensì flessibile.

Tipi di Cristalli liquidi

I materiali che formano i cristalli liquidi vengono distinti in due classificazioni di base: liotropica (dipende principalmente dal solvente) e termotropica (dipende dalla temperatura).

• Cristalli liquidi termotropici: mostrano la cristallinità liquida solo in funzione della temperatura.
• Cristalli liquidi liotropici: mostrano la cristallinità liquida soprattutto in funzione della concentrazione del solvente.

Cristalli liquidi liotropici

I cristalli liquidi liotropici sono formati dall’autoassemblaggio di molecole anfifiliche in un appropriato solvente (solitamente acqua).

Le strutture interne dei cristalli liquidi liotropici sono quindi composte da un dominio idrofilo, un dominio lipofilo e uno strato lipidico.

Pertanto, possono incapsulare un’ampia gamma di farmaci attivi (idrofili, idrofobici e anfifilici) e proteggerli dall’idrolisi, dall’ossidazione e dall’enzimolisi ¹.

I cristalli liquidi liotropici possono avere forme diverse, che differiscono l’una dall’altra per la disposizione orientativa delle molecole e che dipendono dalla concentrazione di molecole anfifiliche.

All’aumentare di queste concentrazioni, si possono infatti riconoscere diverse strutture di base (dette mesofasi):

• lamellari: strutture unidimensionali costituite da doppi strati lipidici separati da strati di solvente;
• esagonali: gli aggregati sono formati dalla disposizione di lunghi cilindri che formano strutture bi- o tri-dimensionali;
• cubiche: strutture costituite da un doppio strato lipidico curvo e bicontinuo che si estende in tre dimensioni per generare due nanocanali acquosi compenetrati ma senza contatto.

Influenza della concentrazione

A una concentrazione di anfifili molto bassa, le molecole sono disperse casualmente senza alcun ordinamento.

Raggiunta una concentrazione leggermente superiore (ma comunque bassa), nota come concentrazione micellare critica (CMC), le molecole iniziano a torcersi e assemblarsi spontaneamente in una sfera formando delle micelle ².

In questo modo, la coda idrofobica dell’anfifilo viene nascosta all’interno del nucleo della micella, esponendo una superficie idrofila (solubile in acqua) alla soluzione acquosa.

Con l’ulteriore aumento della concentrazione si vengono a formare strutture di impaccamento via via più ordinate e complesse, come quelle cubiche e colonnari esagonali.

Schema dell’aggregazione di anfifili in micelle e in fasi liquide cristalline liotropiche in funzione della concentrazione e della temperatura dell’anfifilio Image credits.

La struttura dei cristalli liquidi influenza la localizzazione del farmaco, la dimensione delle particelle e la viscosità, che, a loro volta, determinano le proprietà di rilascio del principio attivo.

Pertanto, alterando le condizioni di preparazione, è possibile ottenere le strutture di fase desiderate e fabbricare sistemi di rilascio intelligenti del principio attivo.

È infatti importante ricordare che le strutture dei cristalli liquidi liotropici sono influenzate anche da altri fattori, tra cui temperatura, pH, luce, campo magnetico, tipo di anfifilico, contenuto d’acqua e additivi.

Cristalli liquidi lamellari e micelle

La fase lamellare esiste ampiamente negli organismi. Ad esempio, rappresenta l’elemento costitutivo di base delle membrane cellulari.

Si presenta come una struttura unidimensionale costituita da doppi strati lipidici e strati d’acqua, dove i gruppi di teste polari delle molecole anfifiliche si associano e sono a contatto diretto con l’acqua, mentre le code idrofobiche sono lontane dall’acqua.

Uso nei Farmaci

I cristalli liquidi possono essere trovati in molte emulsioni, con numerose applicazioni in prodotti farmaceutici e cosmetici.

In particolare, offrono un ampio spazio di applicazione come sistemi di rilascio di farmaci.

Hanno infatti il potenziale per controllare le velocità di rilascio, una bassa tossicità e l’applicabilità a una vasta gamma di regimi di somministrazione, tra cui la somministrazione orale ³, transdermica ⁴ e parenterale ⁵.

I sistemi cristallini liquidi a base di lipidi sono anche mucoadesivi ⁶.

Un esempio di farmaco che è stato incorporato nei cristalli liquidi è il celecoxib. In questo caso, il farmaco viene caricato nella fase cubica e quando la formulazione viene applicata localmente, il principio attivo si localizza all’interno dello strato corneo, con una certa permeazione attraverso la pelle ⁷.

Molti studi hanno riportato che la somministrazione orale di cristali liquidi ha migliorato la biodisponibilità di farmaci scarsamente solubili in acqua ⁸.

Uso nei Cosmetici

Le formule a base di cristalli liquidi offrono grandi potenzialità anche in cosmetologia, in particolare nei trattamenti antietà.

Come spiegato, i cristalli liquidi sono materiali anisotropi che dimostrano la capacità di solubilizzare composti solubili sia in olio che in acqua ⁹. Una miscela di acqua e sapone è un esempio quotidiano di cristallo liquido liotropico.

Le strutture cristalline liquide formate da molecole anfifiliche (affini sia all’olio che all’acqua) costituiscono la base per emulsioni e sono state studiate a fondo dai ricercatori nello sviluppo di prodotti cosmetici.

Innanzitutto i cristalli liquidi formano multistrati attorno alle goccioline di emulsione, diminuendo la forza di van der Waals e aumentando la viscosità, il che aumenta la stabilità dell’emulsione ¹⁰.

Diversi studi hanno inoltre dimostrato diversi vantaggi funzionali delle formulazioni cosmetiche a base di cristalli liquidi, grazie alla capacità di aumentare:

• l’idratazione cutanea;
• la viscosità della formulazione per effetto della riorganizzazione molecolare;
• l’assorbimento cutaneo degli attivi ¹¹;
• il tempo rilascio di principi attivi ^{12, 13}.

Benefici per la Pelle

La struttura del veicolo a cristalli liquidi è simile a quella dei lipidi dello strato corneo, che a sua volta è caratterizzata da disposizioni stratificate simili a quelle presenti nei doppi strati lipidici della membrana cellulare.

I lipidi intercellulari dello strato corneo contribuiscono al mantenimento di una pelle sana:

• attraverso l’idratazione,
• aumentando l’adesione cellulare,
• riducendo della perdita di acqua transepidermica.

Gli studi hanno dimostrato che i cristalli liquidi, essendo strutturalmente simili ai lipidi intercellulari dello strato corneo, possono avere effetti benefici sulla pelle se applicati localmente, stimolando le naturali funzioni rigenerative della pelle e accelerando il turnover epidermico ¹⁴.

Rispetto alle emulsioni standard, un gel lamellare ha ad esempio dimostrato migliori caratteristiche di cura della pelle in termini di permeabilità, idratazione cutanea e occlusione cutanea ¹².