Classe IV CHIMICA A ITIS G. M. MONTANI Via Montani 7 63023 FERMO Tel 0734-622632 Fax 0734-622912

1. Premio “A scuola di innovazione”Il computer entra in una reazione chimica oscillante per misurare il potere antiossidante delle creme di bellezza Classe IV CHIMICA A ITIS G. M. MONTANI Via Montani 7 63023 FERMO Tel 0734-622632 Fax 0734-622912 www.istitutomontani.it chimica.itimontani@email.it Tutor: Prof.ssa Teresa Cecchi Alunni: Matteo Aloisi, Lorenzo Bisconti, Alessandro Capuano, Leonardo Cicchini (chimico e pianista che ha realizzato il fondo musicale di questo file), Luca Marilungo, Stefano Ulivello. Dirigente Scolastico: Prof.ssa Margherita Bonanni

3. Introduzione Prevenire l’invecchiamento è stato l’oggetto del desiderio di molte persone fin dall’antichità. I Fenici e gli Egizi usavano oli vegetali ed erbe selvatiche che oggi sappiamo essere ricchi di molti antiossidanti. Attualmente i media e la società in cui viviamo ci pretendono giovani e belli e per prevenire l’invecchiamento si utilizzano vai metodi, fra cui le creme di bellezza. Esse, contenendo sostanze capaci di bloccare i radicali liberi responsabili dell’invecchiamento cutaneo, sono molte pubblicizzate e il loro mercato continua a crescere. Come chimici l’argomento, che è di forte attualità, ci interessa dal punto di vista analitico-sperimentale-multimediale Ci siamo posti come obiettivo la messa a punto di un nuovo metodo per stimare la qualità antiossidante delle varie creme e rapportarla al prezzo, per vedere se il costo al millilitro è adeguato alla loro possibilità di ritardare l’invecchiamento cutaneo.

4. Composizione di una crema di bellezza Gli ingredienti cosmetici o materie prime sono • ACQUA (rappresenta il 90% della composizione dei cosmetici) • TENSIOATTIVI • EMULSIONANTI E SOLUBILIZZANTI (permettono alla crema di far coesistere fase acquosa e fase lipidica) • LIPIDI (forniscono la base grassa dove si sciolgono i principi attivi) • ADDITIVI REOLOGICI E FILMOGENI (rendono i cosmetici consistenti e scorrevoli ) • UMETTANTI (servono per trattenere l’acqua) • CONSERVANTI E ANTIMICROBICI (evitano il proliferare di muffe e batteri e il deterioramento della crema a contatto con l’aria) • COLORI, PIGMENTI, FRAGRANZE (per rendere gradevole ai sensi la crema) • AUSILIARI E INTERMEDI • SOSTANZE FUNZIONALI Sono i principi attivi, generalmente antiossidanti ottenuti dal mondo vegetale Ci concentreremo su di essi!!!!

5. L’invecchiamento della cute • Il nostro metabolismo ci permette di ricavare energia dall’ossidazione degli alimenti da parte dell’ossigeno che respiriamo. Tali reazioni sono fondamentali per la vita, ma sono contemporaneamente dannose perché producono in vivo radicali liberi caratterizzati dalla presenza di un elettrone spaiato o altre specie altamente reattive (reactive oxygen species, ROS). I ROS includono perossido di idrogeno (H2O2), acido ipocloroso (HClO) e radicali liberi come il radicale idrossile (·OH) prodotto da perossido di idrogeno e l'anione superossido (O2−). I ROS possono danneggiare le cellule iniziando reazioni chimiche a catena come la perossidazione lipidica, oppure ossidando il DNA o le proteine. Un danneggiamento del DNA può causare mutazioni genetiche e cancro. Similmente le proteine, in particolare il collagene responsabile della compattezza della pelle, subiscono denaturazione e degradazione con conseguente invecchiamento della cute • Per limitare i danni da stress ossidativo e radicali liberi, la pelle mantiene complessi sistemi di di antiossidanti (glutatione, vitamina C ed E), ed enzimi quali catalasi, superossido dismutasi e vari perossidasi che lavorano sinergicamente per prevenire il danno ossidativo al DNA alle proteine e ai lipidi. In generale, i sistemi antiossidanti o prevengono la formazione di queste specie ossidanti o le rimuovono prima che possano danneggiare i componenti vitali delle cellule.

6. Azione della crema di bellezza • Gli antiossidanti esogeni possono coadiuvare quelli endogeni per arginare gli effetti dei radicali liberi. Essi sono abbondanti in frutta e verdura, ecco perché una corretta alimentazione prevede il loro largo uso: studi medici dimostrano che una corretta alimentazione ricca di antiossidanti non solo porta ad un minor rischio di ammalarsi di cancro, malattie cardiovascolari e alcune malattie neurologiche, ma è anche correlata con un minore invecchiamento cutaneo. • Se l’invecchiamento dell’epidermide è dovuto all’azione dei radicali liberi sul collagene e sui componenti cellulari, è ovvio pensare che nelle formulazioni delle creme di bellezza vengano inseriti composti antiossidanti naturali

7. Componenti desiderabili Componenti da evitare • Nonostante siano molto pubblicizzati il collagene, l’elastina e l’acido ialuronico, componenti della pelle che degradano con l’invecchiamento, sono inutili nelle crème di bellezza perchè non possono essere assorbiti • Antiossidanti • Idratanti • Diossano • Fragranze • Parabeni • Derivati di oli minerali • Allergeni che provocano arrossamenti, dermatiti, irritazioni ecc.. La Uniparo (Associazioni Italiana delle Industrie Cosmetiche) ha evidenziato che questi danni da cosmetici sono in aumento a causa della composizione delle creme contraffatte, il cui traffico è aumentato dal 4 al 15%

8. Un metodo analitico per orientarsi nella giungla delle offerte • Il termine “cosmeceutical” fa pensare ad un ingrediente topico. Il termine è in uso per indicare vari ingredienti benefici per la cute • La lista dei componenti attivi è smisurata. Per fare un breve esempio possiamo citare: allantoin; Aloe vera extract; antioxidant; arbutin; Arnica montana extract; ascorbic acid; biotin; botulinum toxin A; bromelain; Calendula extract; chitosan; citric acid; cocamidopropyl betaine; coenzyme A; collagen; cosmetic; dexpanthenol; Ginkgo biloba extract; green tea extract; hyaluronic acid; hydroquinone; iron chelating agent; kojic acid; mannitol; nicotinamide; nicotinic acid hexyl ester; pyridoxine; salicylic acid; ubidecarenone • I componenti antiossidanti sono i più importanti perché permettono di alleviare i danni da radicali liberi • In questa giungla di ingredienti come orientarsi? • Come evitare la delusione che segue l’acquisto anche costosissimo di prodotti che non mantengono le promesse pubblicizzate?

9. Standardizzare e misurare per rivoluzionare ed innovare • Al contrario dei sistemi di protezione solare che hanno un potere fotoschermante dichiarato, non esiste una scala che misuri il potere antiossidante della crema di bellezza. • La loro standardizzazione sarebbe rivoluzionaria a livello del mercato cosmetico e farmaceutico poichè renderebbe la cosmesi un atto paramedico misurabile. • Tale standardizzazione renderebbe il cliente capace di orientarsi e decidere non tanto in base alla pubblicità spesso ingannevole, quantio in base a dichiarazioni certificate frutto dell’analisi chimica

10. La reazione oscillante ci permette di capire quanto la crema inibisce i radicali liberi • La sperimentazione si basa sulla reazione oscillante redox di Briggs Rauscher (BR) che fornisce una sorta di pila liquida oscillante in potenziale e nella colorazione della miscela IO3-+2H2O2+CH2(COOH)2+H+ICH(COOH)2+2O2+3H2O • Le oscillazioni sono dovute alla generazione di radicali liberi e all’alternanza di una fase radicalica e non radicalica nello svolgimento di ossigeno, nella concentrazione di iodio e ione ioduro • La soluzione è ambrata durante il processo radicalico con [HIO]> [I-] • Se [I-] > [HIO] il processo non-radicalico prevale; I- forma con I2 lo ione complesso I3- che dà la tipica colorazione blu con la salda d’amido oscillogramma del potenziale della reazione oscillante senza aggiunta di sostanze antiossidanti: il potenziale è alto nella fase radicalica e basso in quella non radicalica

11. La reazione oscillante ci permette di capire quanto la crema inibisce i radicali liberi • Per misurare il potere antiossidante della crema di bellezza si aggiungono opportune quantità (decine o centinaia di μl) di un suo estratto alla miscela oscillante mentre la terza fase non radicalica blu sta terminando. • La fase radicalica che dovrebbe partire non lo fa immediatamente perché la crema di bellezza aggiunta neutralizza i radicali liberi e la reazione impiega più tempo per produrre in quantità sufficiente i radicali necessari all’innesco della fase radicalica e alla prosecuzione della reazione oscillante • Maggiore è il tempo che la reazione oscillante impiega per “ripartire” (tempo di inibizione) migliore è il potere antiossidante della crema stessa oscillogramma della reazione oscillante con l’aggiunta di un estratto di crema: gli antiossidanti ritardano la ripresa della fase radicalica e quindi delle oscillazioni Aggiunta crema tempo di inibizione

12. Il computer entra nella reazione oscillante e ci permette di monitorare quanto la crema riesca a bloccare i radicali liberi • La ripresa delle oscillazioni può essere seguita visivamente ma anche mediante uno strumento (Potenzionmetro Amel 388) che misura il potenziale elettrico fornito dalla pila liquida grazie ad un elettrodo al platino platinato. • Il Potenziometro ha fornito mediante un’interfaccia seriale (RS-232) i dati analogici sotto forma di caratteri alfa-numerici codificati secondo lo standard ASCII ad un PC con cadenza di 1 s • I singoli caratteri costituenti la lettura vengono inviati sotto forma di impulsi binari (0/1) la cui frequenza è misurata in baud: abbiamo impostato la stessa baud rate nel potenziometro e nel PC • Attraverso il programma Hyperterminal ed Excel siamo riusciti ad ottenere i grafici mostrati, visualizzando l’andamento della reazione chimica • L’interfacciamento è descritto nel video iniziale

13. Il tempo di inibizione è proporzionale alla quantità di crema utilizzata La linearità fra tempo di inibizione e quantità (mg) di crema di bellezza aggiunta è perfettamente dimostrata nel seguente grafico esemplificativo Abbiamo usato il metodo matematico dei minimi quadrati per calcolare l’equazione matematica della retta di regressione (mostrata nel grafico); il coefficiente di determinazione (R2) mostra l’ottima correlazione raggiunta. La pendenza di questa retta (secondi di inibizione per 1 mg di crema) permette di dare una misurare il potere antiossidante della crema e di fare paragoni quantitativi

14. Paragoniamo le creme analizzate • Per motivi di riservatezza commerciale non riveliamo i nomi delle creme analizzate ma le indicizziamo • Ogni punto del grafico rappresenta una crema • A parte alcuni casi (outlayers) si evince dal grafico sottostante che c’è una certa proporzionalità fra prezzo e potere antiossidante Questa crema ha un pessimo rapporto qualità/prezzo Questa crema ha un ottimo rapporto qualità/prezzo

15. Reagenti: Perossido d’idrogeno al 7.5% m/v (soluzione A), iodato di sodio 0.2M e acido perclorico 0.09M (soluzione B), acido malonico 0.15M e solfato manganoso 0.02M (soluzione C), salda d’amido, acido gallico, varie creme di bellezzaMateriali: normale vetreria di laboratorio (visionabile nel video)Metodo: versare 10 ml della soluzione A, 10 ml della B, 10 ml della C in un beaker da 100 ml contenente 3 ml di salda d’amido, mantenendo una agitazione del campione costante. Aggiungere la quantità opportuna dell’estratto della crema di bellezza alla terza oscillazione.Tempi: svolgere l’analisi (almeno 5 prove per campione per testare la linearità fra tempo di inibizione e quantità aggiunta) non impiega più di una ora per una persona (perito chimico) ben addestrataCosti: considerate le quantità utilizzate in una singlo analisi ed il prezzo dei reattivi si può certamente dire che la spesa dei consumabili per una singola analisi è inferiore ai 10 Euro. Vanno considerati poi i costi per il personale (1 analisi per ogni ora lavorativa che supponiamo costi 25 Euro lordi) e i costi in conto capitale per gli strumenti utilizzati (potenziometro, PC, elettrodo) che possono ammontare a circa 3000 Euro. Riflettiamo sugli aspetti pratici della sperimentazione

16. Lavorare in sicurezza e nel rispetto dell’ambiente • Indossare occhiali protettivi, camice e guanti per evitare schizzi dalla miscela di reazione contenente ossidanti • Operare sotto cappa aspirante • Prima di smaltire correttamente la miscela di reazione aggingere lentamente una soluzione diluita di tiosolfato di sodio finchè lo iodio in eccesso non si trasforma in ioduro incolore e l’ambiente ossidante si neutralizzi

17. Innovatività e pregi del metodo • Il metodo proposto evita l’analisi delle migliaia di composti attivi presenti nel mercato cosmetico che richiederebbero ognuno un dettagliato schema analitico • Il metodo proposto non punta al riconoscimento chimico del componente attivo e alla sua valutazione quantitativa, ma sceglie di valutare globalmente l’efficacia di tutti i componenti nel constrastare i radicali liberi • Il metodo segue cioè un approccio olistico al problema di standardizzare la caratteristica più importante della crema di bellezza: il potere antiossidante • Ciò si traduce nel taglio di costi e tempi e nell’ottenimento dell’informazione più importante non mi importa chi c'è ma solo se funziona!!!

18. Dall’idea allo sfruttamento dell’idea:innovare per crescere in un ambito di forte attualità Bisogno dei consumatori che si intende soddisfare: poter ottenere una misura quantitativa della capacità della crema di bellezza di fornire antiossidanti capaci di contrastre i radicali liberi responsabili dell’invecchiamento cutaneo. Bisogni dei produttori che si intende soddisfare: la soddisfazione del bisogno dei consumatori diventa fonte di business per i produttori che possono ottimizzare le formulazioni cosmetiche incrementando la potenzialità di espansione nel mercato globale L’introduzione di questo nuovo metodo di analisi potrebbe generare lavoro indotto nei laboratori di analisi delle industrie cosmetiche attualmente presenti nel territorio italiano con conseguente impulso alla commercializzazione dei materiali e strumenti necessari per realizzarlo. Il servizio innovativo potrebbe incrementare il business dell’industria cosmetica costantemente in espansione, contaminandola con risvolti medico-farmaceutici Gli operatori da contattare sono quindi ovviamente le aziende cosmetiche e gli agenti pubblicitari e dell’informazione di scientifica e di massa Finalità non meno importante della nostra sperimentazione è stata quella di riscattare la reputazione della scienza chimica purtroppo spesso vista-a torto-come causa dei mali dell’ambiente e della salute. Il Chimico assume un ruolo affine a quello del medico o del farmacista poiché certifica il valore intrinseco di un prodotto per la cura della persona. l

19. Il mercato • Guardando alla composizione del mercato cosmetico i prodotti femminili rappresentano il 71,6% rispetto al 28,4% di quelli dedicati al pubblico maschile con una crescita di questi ultimi dello 0,9% annuo. • I canali di vendita principali per una crema di bellezza sono la farmacia e parafarmacia, la profumeria, il supermercato, gli istituti di bellezza

20. Conclusioni e ringraziamenti • Si ringrazia il comitato organizzatore del premio “A scuola di innovazione” per l’opportunità offerta che, al di là dell’esito della presente candidatura (che tutti speriamo essere il migliore possibile), ha stimolato il piacere per una didattica innovativa e propositiva, aderente alle richieste che provengono dalla realtà produttiva e commerciale italiana nonché ha gratificato nell’insegnate e nei ragazzi il pensiero divergente e creativo. I ragazzi hanno partecipato con motivazione e passione allo sviluppo e stesura del progetto sacrificando tempo libero pomeridiano e week-end. • Si ringrazia inoltre L’ITIS MONTANI per aver permesso lo svolgimento delle varie attività indicate che hanno fatto crescere l’autostima e l’orgoglio professionale dei ragazzi. • Si ringraziano le farmacie, i negozi e le ditte cosmetiche che ci hanno fornito i campioni analizzati • Si ringraziano gli altri alunni della classe IV Chimica A per la collaborazione ed in particolare G. M. Marino per averci fornito molti dei campioni analizzati

21. Bibliografia • Per la composizione delle creme di bellezza • Graf, J. (2010) Antioxidants and skin care: The essentials Plastic and Reconstructive Surgery 125, 378-383. • Per l’invecchiamento e i danni da radicali liberi • Arking R (2006) The Biology of Aging: Observations and Principles 3rd edition. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780195167399 • Sies H (1997) Oxidative stress: oxidants and antioxidants. Experimental Physiology82: 291-295: http://ep.physoc.org • Dansen TB et al. (2001) The peroxisome in oxidative stress. IUBMB Life 51: 223-230. doi:10.1080/152165401753311762 • Per il metodo di Briggs Rauscher si veda la letteratura prodotta dal nostro gruppo di lavoro: • Cecchi T et al. (2010) Optimization of the Measurement of Italian Monocultivar Extra Virgin Olive Oil Antioxidant Power Via the Briggs–Rauscher Reaction. Food Analytical methods, 3: 1-6. • Cecchi, T et al. The first application of the Briggs-Rauscher reaction for measurement of antioxidant power of Italian monocultivar extra virgin olive (EVOO) oil hydrophilic polyphenols. Atti del Congresso Internazionale sui Polifenoli, Salamanca, Spagna, Luglio 2008.