Toda ciencia tiene puntos de inflexión, y si hablamos de fotoprotección, los descubrimientos clave que precedieron a lo que conocemos hoy como protectores solares fueron la identificación de la radiación ultravioleta (UV) en 1801 por J.M. Ritter y posteriormente, la demostración de que esta radiación causaba eritema (quemadura solar) por Widmark en 1889. Unos 40 años más tarde, en 1928, se comercializazó una de las primeras cremas solares en Estados Unidos. Curiosamente, esta no fue concebida plenamente a proteger la piel de la radiación UV, sino más bien a fomentar el bronceado disminuyendo el riego de quemaduras. Poco después, en 1935, se comercializaría el conocido “Ambre Solaire” por el farmacéutico y emprendedor Eugène Schueller, fundador de la empresa L’Oréal.
En la actualidad, en el centro de cualquier protector solar se encuentran los filtros solares como principales ingredientes activos. Estos filtros protegen la piel del daño de la radiación UV, principalmente en el rango UVB (280-320 nm) como en el UVA (320-400 nm). Están clasificados en dos grandes grupos, orgánicos (“químicos”) o inorgánicos (“físicos”) y su uso en cremas solares está regulado internacionalmente por varias agencias (en total hay alrededor de 55 aprobados según datos de 2017). Estas regulaciones se aplican de forma diferente según el país y tan solo 11 filtros UV están aprobados de forma global. Así, por ejemplo, con menor número de filtros UV aprobados (16) están Estados Unidos, seguidos por Canadá (20), la Unión Europea y Asia (28) y Latinoamérica (33).
En 1978, la agencia americana FDA (Food and Drug Administration), propuso la descripción los filtros inorgánicos como el TiO2 como “filtros físico” por “reflejar y dispersar rayos ultravioleta y visibles proporcionando una barrera para individuos sensibles al sol”. En la actualidad, y según varios artículos publicados en la literatura como el publicado en el Journal of Photodermatology, Photoimmunology & Photomedicine en 2016 con la cooperación de Johnson & Johnson, hay evidencias que el modo de acción de los óxidos metálicos semiconductores como el TiO2 o el ZnO (que actualmente se aplican en protectores solares), se debe principalmente por absorción y no por reflexión de la luz UV.
Para entender este mecanismo de absorción, no hay más que adentrarse en el mundo de la fotoquímica y analizar el proceso de interacción de la luz con la materia. Así pues, hay dos mecanismos diferentes para los compuestos orgánicos e inorgánicos.
El mecanismo de absorción de estos óxidos metálicos es diferente al de las moléculas orgánicas, ya que estos óxidos están formados por un gran número de átomos (clústers), por lo que existen un gran número de niveles de energía disponibles para un electrón (Figura 1).
Figura 1. Mecanismo de absorción óxidos metálicos semiconductores.
Estos niveles están tan cerca que se habla más de “bandas” de energía: la banda de valencia para el estado fundamental y la banda de conducción para los estados excitados. Al absorber la luz (con energía igual o superior a la diferencia de energía entre las dos bandas o lluz£ Dlbandgap), los electrones son capaces de “saltar” desde la banda de valencia a la banda de conducción. Esto se traduce en espectros con curvas de absorción con cortes pronunciados a una longitud de onda determinada (~400 nm para ZnO y TiO2).
Por otra parte, las moléculas orgánicas utilizadas como filtros UV deben su mecanismo de acción a la absorción de la luz, aunque de un modo diferente a los filtros inorgánicos. Estas moléculas orgánicas presentan en parte de su estructura (o en toda su estructura) cromóforos, que son los responsables de la absorción de la luz UV-visible. Por cromóforos entendemos dobles enlaces, (C=C, C=O,N=N…) anillos aromáticos, etc.
Figura 2. (Izquierda) Diagrama de Jablonski para un filtro orgánico “ideal”. (Derecha) representación de los grupos funcionales de una molécula orgánica responsables de la absorción de la radiación UV-visible.
Cuando una molécula absorbe un fotón (con energía suficiente, Figura 2), un electrón se promueve de un estado con menor energía (estado fundamental) a un estado de mayor energía (estado excitado). En estos casos se dice que la molécula pasa del estado fundamental al estado excitado. Una vez en el estado excitado, hay varios caminos por los que la molécula puede perder el exceso de energía. Para un filltro UV orgánico ideal, este camino de vuelta al estado fundamental es preferible que sea de forma no radiativa (por relajación vibracional, VR), liberando la energía en forma de calor al medio. Además de este “requerimiento”, idealmente los filtros orgánicos UV deben tener una fuerte absorción en el rango UV (normalmente estas moléculas absorben UVB o UVA, pero no los dos) sin degradación o formación de fotoproductos (estados excitados de corta duración).
En definitiva, la investigación fotoquímica es un campo clave para entender la protección solar y los mecanismos asociados a ella. En la literatura actual, por lo tanto, se habla de mecanismos de absorción para filtros inorgánicos como los óxidos metálicos de TiO2 y ZnO, además de mecanismos fotoquímicos de absorción y idealmente de relajación no radiativa para filtros orgánicos.
Patricia Gisbert
Innovation Manager del Beauty Cluster Barcelona.
innovacio@beautyclusterbarcelona.com
