Które filtry przeciwsłoneczne chronią skórę lepiej? O rodzajach i mechanizmie działania filtrów UV

Kto z nas pomyślałby kilka lat temu, że największym hitem pielęgnacyjnym i produktem „must have” staną się kremy przeciwsłoneczne? 

Kiedy zaczynałam swoją przygodę z projektowaniem kosmetyków (a było to jakieś siedem lat temu!) w niewielkiej firmie, żaden z klientów nie pytał o taki produkt. Teraz każda marka kosmetyczna posiada w portfolio produkty przeciwsłoneczne, bardzo często o wysokiej ochronie SPF 50+ oraz UVAPF.

Wzrost popularności tych produktów spowodował równocześnie ogromny wysyp mitów dotyczących ochrony przeciwsłonecznej. Wiele z nich opiera się na braku zrozumienia mechanizmu działania. Dlatego w poniższym poście dowiesz się jak działają filtry UV i dlaczego podział na filtry chemiczne i fizyczne powinien być już nieaktualny.

Filtry przeciwsłoneczne to substancje, które przyjmują energię promieniowania UV, dzięki czemu nie dociera ona do powierzchni naszej skóry i nie przenika do wewnątrz. Zadaniem filtrów przeciwsłonecznych jest pozostać na powierzchni skóry i tworzyć pewnego rodzaju zbroję, która będzie tarczą dla promieniowania słonecznego. Szczelność naszej zbroi zależy od filmu, który stworzy produkt przeciwsłoneczny. Im bardziej jednolity film tym mniej przepuszczalna powłoka dla słońca. 

W idealnym świecie krem z filtrem chroniłyby nas w 100%, ale niestety tak to nie wygląda. Zawsze jakaś porcja promieni słonecznych przedostanie się przez barierę, jak na grafice poniżej:

Wyróżniamy dwie kategorie filtrów przeciwsłonecznych:

• organiczne (chemiczne) – to te, które mają skomplikowane nazwy chemiczne i zawierają w cząsteczce wiele połączonych ze sobą atomów węgla.

• nieorganiczne (fizyczne), np.: tlenek cynku i dwutlenek tytanu. Możesz częściej spotykać się z określeniem mineralne filtry przeciwsłoneczne – to też poprawna nazywa.

Zdecydowanie wolę posługiwać się kryterium organiczne/nieorganiczne, ponieważ uważam, że nomenklatura chemiczny/fizyczny jest źródłem najczęściej powielanych mitów dotyczących mechanizmu działania tych związków. 

MIT 1: Filtry chemiczne pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe, filtry fizyczne tylko je rozpraszają.

Najprawdopodobniej powodem rozpowszechnienia tego mitu był fakt, że taka informacja została uwzględniona w monografii FDA z 1978 r., ale usunięto ją w wersji z 1999 r. Mit natomiast nie chce zniknąć i wciąż jest powielany.

Udowodniono, że zarówno filtry chemiczne jak i fizyczne działają poprzez pochłanianie oraz rozpraszanie promieniowania UV. Jedyną różnicą jest to, że w zależności od grupy dzieje się to w różnym stopniu. 

Filtry mineralne działają głównie poprzez pochłanianie promieniowania UV (ok. 95%), a rozpraszają zaledwie 4-5%. Odbijają bardziej efektywnie (30-50%) promieniowanie światła widzialnego. Zostało to udowodnione w dość często cytowanym artykule z 2016 roku “Metal oxide sunscreens protect skin by absorption, not by reflection or scattering”. 

Z błędnego zrozumienia mechanizmu działania rodzą się kolejne mity, który sprawiają, że konsumenci uważają filtry mineralne za te „bezpieczniejsze” dla zdrowia. Czy tak faktycznie jest dowiesz się czytając dalej ;).

Dlaczego filtry organiczne (chemiczne) pochłaniają promieniowanie UV?

W cząsteczkach filtrów występują naprzemienne wiązania podwójne i pojedyncze. W chemii nazywa się to koniugacją lub układem wiązań sprzężonych. Koniugacja pozwala elektronom krążyć w obrębie całej struktury wiązań podwójnych (wiązań sprzężonych), nazywamy te elektrony wtedy elektronami zdelokalizowanymi.

Im więcej wiązań sprzężonych, tym więcej elektronów może krążyć i ulegać delokalizacji, tym samym mniejszą ilość energii może pochłonąć. Większa delokalizacja to mniejsza przerwa energetyczna:

Promieniowanie UVA to promieniowanie o niższej energii, a promieniowanie UVB (jak burning) to promieniowanie o wyższej energii (dlatego już po paru godzinach widzimy jego skutki). Kto nie pamięta to koniecznie niech przeczyta ten post.

Filtry organiczne (chemiczne) pochłaniają energię UV i przekształcają ją w bardziej nieszkodliwe formy energii, głównie w energię cieplną, która nie powoduje raka czy też przyspieszonego starzenia się skóry. Prawo zachowania energii mówi, że energii nie można wytworzyć ani zniszczyć. Można ją po prostu przekształcić w inną formę. To właśnie robią cząsteczki filtrów.

Filtry organiczne mogą przemieniać energię promieniowania UV w inną energię za pomocą elektronów. Elektrony (w zależności od związku chemicznego) mogą absorbować różne rodzaje energii – ciepło, światło, promieniowanie UV – i przekształcać je w inne formy energii.

Po pochłonięciu promieniowania UV elektrony cząsteczki filtra przeciwsłonecznego posiadają więcej energii i przechodzą w stan wzbudzony (ang. exited). Cząsteczki nie lubią posiadać dużej ilości energii, ponieważ są wtedy niestabilne. Chcą się jej pozbyć. Aby do tego doprowadzić elektrony w cząsteczce filtra przeciwsłonecznego muszą wyemitować tą samą ilość energii, ale w innej formie. Po emisji cząsteczka wraca do poprzedniego stanu energetycznego, czyli stanu relaksacji (ang. relaxation), jest gotowa do wchłonięcie kolejnej porcji promieniowania UV i powtórzenia procesu. 

Filtry mineralne działają w bardzo podobny sposób, jedyną różnicą jest kwestia budowy cząsteczki i braku układu wiązań sprzężonych. Mechanizm również polega na absorpcji energii UV przez elektrony, które przechodzą na wyższy poziom, a następnie te same elektrony mogą uwolnić energię w mniej szkodliwej formie. W cząsteczce filtra mineralnego mamy do czynienia ze strukturą pasmową przerwy energetycznej. Teoria pasmowa ciał stałych opisuje różnicę energetyczną między dwoma istotnymi pasmami elektronowymi.

W cząsteczkach filtrów mineralnych zamiast niższego poziomu energii (stanu relaksacji) i wyższego poziomu energii (stanu wzbudzonego) występuje pasmo niższej i wyższej energii, a każde z nich składa się z wielu poziomów. Przerwa pomiędzy górnym a dolnym pasmem pozwala na absorpcję energii UV.

MIT 2: Ciepło, które wytwarza się w trakcie przemiany energii przez cząsteczkę filtra jest niebezpieczne dla skóry z melasmą lub rozszerzonymi naczyniami

Ilość ciepła wytwarzana w procesie przemiany energii jest niewielka w porównaniu z resztą ciepła uzyskiwanego z innych procesów. Pamiętaj, że promieniowanie UV to jakieś 3-7% całego promieniowania słonecznego. Ciepło, które odczuwasz przebywając na słońcu spowodowane jest padaniem promieniowania podczerwonego IR, które stanowi aż ok. 53% promieniowania słonecznego. 

MIT 3: Filtry mineralne są bezpieczniejsze i lepiej chronią

Spójrz na powyższe dwa widma absorpcji. Wiem, że zrobiło się dość naukowo, ale obiecuję, że to nic trudnego ;). Pomiar ten pozwala ocenić „moc” filtra UV.

Poniżej widzisz widma absorpcji kilku filtrów: mineralnych (TiO2 oraz ZnO) oraz wybranych filtrów chemicznych. E1%/1cm na osi pionowej oznacza zdolność pochłaniania padającego promieniowania UV przez jednoprocentowy roztwór lub jednoprocentową dyspersję filtra. Im większa ilość energii promieniowania zostanie zaabsorbowana, tym bardziej wzrasta mierzona wartość absorbancji. W miejscach największego pochłaniania promieniowania powstaje tzw. maksimum absorpcyjne. Im wyższa krzywa absorbancji tym lepsza ochrona UV.

Filtry chemiczne, czyli te organiczne są 2-3 razy skuteczniejsze od filtrów mineralnych. Na przedstawionych widmach wykonanych przed BASF możemy odczytać, że filtry chemiczne pochłaniają zdecydowanie więcej promieniowania UV niż tlenek cynku czy dwutlenek tytanu. 

Jeżeli więcej promieniowania pochłaniane jest przez filtry chemiczne to tym samym zapewniają one lepszą ochronę UV, a tym samym bezpieczeństwo.

Wielkość cząstek filtra ma znaczenie w przypadku efektywnej ochrony

Badania mierzące zdolność pochłaniania promieniowania UV pokazują, że efektywność jest powiązana ściśle z rozmiarem cząstek filtrów. Im mniejsze cząstki tym wyższa efektywność. Dlatego w składzie INCI często możesz spotkać się z dopiskiem „nano” przy nazwie substancji promieniochronnej.

Rozpraszanie promieniowania przez filtry mineralne jest proporcjonalne do średnicy cząstek tych filtrów – większe cząstki rozpraszają więcej promieniowania, a absorbują mniej. Rozpraszane jest nie tylko promieniowanie UV, ale także światło widzialne – to tłumaczy efekt bielenia na skórze. Zatem im mniejsza cząstka, tym mniejsze jest rozproszenie światła, a większa absorpcja. Również im mniejsza cząstka tym mniejsze prawdopodobieństwo pojawienie się efektu bielenia skóry. 

W 2023 roku globalna branża kosmetyczna odnotowała znaczący wzrost, o około 7,3% w porównaniu z rokiem poprzednim​, a ochrona przeciwsłoneczna jest promowana jako najważniejszy aspekt w pielęgnacji skóry – co według mnie jest prawdą. Nic więcej dziwnego, że chcemy wiedzieć więcej na temat produktów przeciwsłonecznych. Chcemy o nich rozmawiać i przede wszystkim chcemy umieć samemu wybrać produkt najlepszy dla nas. Okazuje się wtedy, że ta nieznośna, niezrozumiała chemia ze szkoły ma całkiem spore przełożenie na nasze życie, a zrozumienie mechanizmów i praw nią rządzących jest kluczowe w podejmowaniu codziennych, czasem trywialnych decyzji zakupowych. Mam nadzieję, że choć trochę ułatwię Wam trudne wybory kosmetyczne. Życzę Wam udanej końców wakacji, bo dla mnie jest ona bardzo pracowita!

Źródła wykorzystane w artykule:

Cole C, Shyr T, Ou-Yang H. Metal oxide sunscreens protect skin by absorption, not by reflection or scattering.Photodermatol Photoimmunol Photomed. 2016;32(1):5-10.

Bielański, A. (1987). Postawy chemii nieorganicznej (część 1). PWN.