Rickmeyer, Christiane : Penetrationseigenschaften von beschichtetem mikrofeinem Titandioxid

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Kapitel 1. EINLEITUNG

Der Anstieg der Hautkrebserkrankungen wird in erheblichem Maße zurückgeführt auf fehlerhaften Umgang mit Sonnenlicht, im speziellen auf ungenügenden Sonnenschutz [47,52]. Die Kenntnis der Wirkung von Sonnenschutzmitteln ist daher von großer Bedeutung für die Gesundheit des Menschen.

Beschichtete Titandioxidpartikel werden in vielen kommerziellen Sonnenschutzprodukten eingesetzt. Ohne diesen physikalischen UV-Filter sind ein hoher Lichtschutzfaktor und ein sicherer Schutz im UVA-Bereich nur schwer zu erreichen [77].

Trotz der breiten Verwendung gibt es nur wenige Publikationen, die sich mit den Penetrationseigenschaften von Titandioxid auseinandersetzen.

Um die protektive Wirkung eines Sonnenschutzmittels zuverlässig beurteilen zu können, muss man den Wirkort und die Penetrationskinetik an der Haut kennen. Das ist für Titandioxid von besonderer Bedeutung, da für diese Verbindung photokatalytische Reaktionen unter UV-Bestrahlung diskutiert werden [11, 91]. Bei Kontakt der Partikel mit lebenden Zellen wären UV-induzierte Veränderungen nicht auszuschließen.

Daher war es Ziel dieser Arbeit, das Penetrationsverhalten unterschiedlich beschichteter Titandioxidpartikel zu untersuchen.

1.1 UV-Licht

Die nichtionisierende elektromagnetische Sonnenstrahlung kann man in ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung einteilen. UV-Strahlung in zu hohen Dosen schadet dem menschlichen Organismus. Sie wird abhängig von der Wellenlänge in UVA, UVB und UVC unterteilt. Die UVA-Strahlung lässt sich weiter in UVA1 und UVA2 untergliedern (Tabelle 1) [29]. Da Wellenlängen unter 290 nm von der Ozonschicht der Atmosphäre absorbiert werden und so die Erdoberfläche nicht erreichen, ist die UVC-Strahlung und der kurzwellige Anteil der UVB-Strahlung des Sonnenlichts für den menschlichen Organismus nicht relevant [29]. Die UVA-Intensität der natürlichen Sonnenstrahlung ist um das 10 - 20-fache höher als die UVB-Intensität [36, 84]. Die Zusammensetzung der UV-Strahlung ist abhängig von der Jahreszeit, der geographischen Lage und der Tageszeit. Auch die meteorologischen und atmosphärischen Bedingungen haben einen Einfluss auf die spektrale Intensitätsverteilung der Sonnenstrahlung


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in Erdnähe, insbesondere auf das UV-Licht [29].

Durch die Änderung der Lebens- und Freizeitgewohnheiten setzt sich die Bevölkerung heute bewusst einer wesentlich höheren Dosis der UV-Strahlung aus als noch vor Jahren [82].

Tabelle 1: Elektromagnetische Strahlung der Sonne [29].

Wellenlänge [nm]

Strahlung

100 - 400

UV-Strahlung

 

100 - 290

UVC

290 - 320

UVB

320 - 400

UVA

 

320 - 340

UVA1

340 - 400

UVA2

400 - 780

Sichtbares Licht

780 - 5000

Infrarotstrahlung

UV-Licht wird bei zahlreichen dermatologischen Erkrankungen therapeutisch eingesetzt. Es hat einen positiven Einfluss auf die Vitamin-D-Synthese und damit auf den Knochenstoffwechsel [16, 52].

Die Zielorgane der UV-Strahlung beim Menschen sind die Grenzorgane zur Außenwelt, die Haut und die Augen.

Am Auge kann es durch UV-Strahlung zur Kataraktbildung kommen [82].

Nach erhöhter UV-Exposition bildet sich an der Haut akut ein Erythem, besonders leicht bei Menschen mit sensibler Haut. Bei abnorm reagierender Haut kann eine Photodermatose ausgelöst werden [3, 27, 30, 48, 71].

UV-Strahlung ist ein direktes Karzinogen und induziert Hautmalignome. Das Wachstum und die Ausbreitung werden durch die gleichzeitige Unterdrückung der Schutz- und Reparaturmechanismen gefördert [27, 48, 71, 92].

Das Immunsystem wird zunächst lokal und bei höheren Dosen auch systemisch supprimiert.

Bis vor einiger Zeit ging man davon aus, dass die UVA-Strahlung keine große Relevanz für die beschriebenen Schädigungen besitzt [28]. Inzwischen wurde gezeigt, dass UVA sehr wohl signifikant an der Induktion von Hautkrebs, der Beeinträchtigung der Immunfunktion der Haut und der Auslösung bestimmter Photodermatosen wie z.B. der polymorphen Lichtdermatose beteiligt ist [15, 48].


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Langfristig führt UVA-Strahlung im Bindegewebe zur vorzeitigen Hautalterung, da die langwellige, energieärmere UVA-Strahlung tiefer in die Haut eindringt als das kurzwellige UVB-Licht [48, 55, 71]. Dadurch wird die Elastin- und Kollagenfaserstruktur des Bindegewebes geschädigt und die Lichtalterung der Haut ausgelöst [52].

Tabelle 2: Photobiologische Hauttypen der Europäer [14].

Hauttyp

Phänotyp

Reaktion auf UV-Licht

Sonnenbrand

Bräunung

I

Helle Haut

Rötliche bis rotblonde Haare

Blaue oder grüne Augen.

immer

nie

II

Helle Haut

Blonde bis hellbraune Haare

Blaue, graue oder braune Augen

immer

wenig

III

Hellbraune Haut

Dunkelblonde bis braune Haare

Braune Augen

selten

gut

IV

Hellbraune bis mittelbraune Haut

Dunkelbraune Haare

Braune Augen

nie

immer

Es gibt einen weitgehenden Konsens darüber, dass die schützende Ozonschicht der Atmosphäre abnimmt. Folge davon ist eine Erhöhung der UVB-Strahlung , die die Biosphäre erreicht [13, 61, 71, 92].

Auch unter diesem Gesichtspunkt haben die Erforschung und Weiterentwicklung von Sonnenschutzprodukten eine große Bedeutung.

1.2 Natürlicher Sonnenschutz

Es gibt grundsätzlich zwei Prinzipien, die Haut vor Schäden durch die Sonne zu schützen:

Diese Prinzipien werden durch unterschiedliche körpereigene Schutzmechanismen realisiert.

Das Melanin der Haut und die Bildung der Lichtschwiele vermindern die Dosis der UV-Strahlung, die die Zellen erreicht. Die DNS-Reparaturmechanismen und der programmierte


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Zelltod bei Überlastung dieser Mechanismen treten bei bereits entstandenen Schäden in Kraft [72].

Melanin wird in den Melanozyten der Basalschicht gebildet, über deren Dendriten in Melanosomen an die basalen Keratinozyten herangebracht und von diesen aufgenommen [14]. Die Relation von Eumelanin (braun) und Phaeomelanin (gelbrötlich), die Größe der Melanosomen und deren Zahl und Gruppierung spielen eine Rolle für den Pigmentierungstyp [14].

Der Bräunung der Haut liegen zwei unterschiedliche Reaktionen zugrunde. Die Sofortpigmentierung, v. a. durch UVA- und sichtbares Licht ausgelöst, beruht auf der Photooxidation ungefärbter Melaninvorstufen [75]. Sie tritt innerhalb von Minuten ein und hält ca. 24 Stunden an.

Die Spätpigmentierung erfolgt durch eine Steigerung der Melanogenese und der Synthese der Vorstufen. Sie wird durch UVA- und UVB-Strahlung ausgelöst und innerhalb von 1-4 Tagen sichtbar [14].

Durch die Aktivierung des melanozytären Systems kann ein zusätzlicher UVB-Schutz entsprechend LSF 2-4 (s.u.) erreicht werden. Im Gegensatz dazu bewirkt die Lichtschwielenbildung der Hornhaut durch Hyperkeratose und Akanthose, die nach längerer UV-Exposition aktiviert wird, einen Lichtschutzfaktor bis zu 20 [78].

Die Schädigung der DNS durch UV-Licht kann durch drei verschiedene körpereigene Mechanismen repariert werden (Photoreaktivierung, Exzisionsreparatur, Postreplikationsreparatur) [44, 62, 79]. Gelingt der Zelle die Reparatur nicht, gibt es einen weiteren Schutzmechanismus, der den Zelltod herbeiführt (Apoptose), um so die Gefahr der malignen Entartung zu umgehen [75].

Der Schutz vor der Sonne, der durch adäquates Verhalten und geeignete Kleidung erreicht wird, ist weitaus größer als der Effekt durch das Auftragen von Lichtschutzmitteln [83]. Daher sollte man vorrangig darauf achten, die Sonne insbesondere in den Mittagsstunden zu meiden und die UV-Strahlung durch lichtundurchlässige Kleidung, eine schützende Kopfbedeckung und eine Sonnenbrille abzuhalten [83].

Zusätzlich sollten Sonnenschutzmittel appliziert werden, insbesondere wenn direkte Sonnenstrahlung nicht vermieden werden kann, z. B. beim Baden im Meer und bei der Arbeit in der Sonne [29, 78, 84].


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1.3 Künstliche Lichtschutzmittel

Die ideale Substanz zum Schutz vor der UV-Strahlung ist ein Material, das für UVA- und UVB-Licht undurchlässig, biologisch und chemisch stabil und kosmetisch akzeptabel ist [28].

Seit über 60 Jahren gibt es kommerzielle Lichtschutzmittel. Sie wurden ursprünglich zum Schutz gegen den Sonnenbrand entwickelt [10, 84]. Da dieser vor allem durch den UVB-Anteil des Sonnenlichtes verursacht wird, kamen hauptsächlich Substanzen auf den Markt, die in diesem Bereich schützen, die organischen UVB-Filter [10]. Diese Moleküle absorbieren Teile des UV-Lichts und geben die aufgenommene Energie in Form von Wärme oder Licht oder durch Bereitstellung von Energie für unbedenkliche chemische Reaktionen wieder ab [83]. In seltenen Fällen kann diese erhöhte chemische Reaktivität jedoch Kontaktallergien, Photoallergien oder phototoxische Lichtreaktionen verursachen [72]. Da diese Substanzen relativ enge Absorptionsspektren besitzen und einzeln nicht in der Lage sind, einen hohen Lichtschutzfaktor zu erzeugen, werden sie heute grundsätzlich mit anderen organischen und zunehmend mit physikalischen Filtern kombiniert [29].

Die zweite große Gruppe der Lichtschutzmittel sind die physikalischen Filter, auch anorganische oder mineralische Filter genannt. Es handelt sich um Metalloxide, die das UV-Licht vor allem durch Reflexion und Streuung filtern. Die Hauptvertreter dieser Gruppe sind Titandioxid (TiO2) und Zinkoxid (ZnO). Sie sind biologisch und chemisch stabil und führen extrem selten zu Irritationen und phototoxischen oder photoallergischen Reaktionen [65]. Insbesondere beim Titandioxid können allerdings photokatalytische Wirkungen nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden.

Es handelt sich um weiße Pulver, die auch das sichtbare Licht streuen und auf der Haut weiß erscheinen. Durch die Reduktion der Größe wurden Partikel entwickelt, die das sichtbare Licht praktisch nicht streuen und vermehrt im UV-Bereich reflektieren und absorbieren [65]. Diese mikronisierten Partikel haben stark an Bedeutung gewonnen und sind heute in den meisten Sonnenschutzprodukten enthalten.

Da die Mikropartikel in Formulierungen leicht agglomerieren, werden sie mit Materialien wie z.B. Silikonen, Fettsäuren oder Aluminiumoxid beschichtet, um eine gleichmäßige Verteilung in der Formulierung zu erzielen. Zusätzlich wird dadurch einer potentiellen photokatalytischen Wirkung dieser Substanzen entgegengewirkt [29, 84, 88].

Organische und anorganische Filter werden in Sonnenschutzprodukten gewöhnlich kombiniert, um im kompletten Spektrum des ultravioletten Lichts zu filtern, die Nachteile der Einzelsubstanzen auszugleichen und die kumulativen Effekte auszunutzen [77].


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Die photoprotektive Wirkung von Antioxidantien, z. B. Vitamin A, C und E oder Zink und Selen, beruht auf einem anderen Prinzip. Die Neutralisierung der von der UV-Strahlung hervorgerufenen toxischen Radikale verhindert die Schädigung der DNS. Für diese Substanzen konnte bisher noch kein substantieller UV-Schutz nachgewiesen werden. Sie werden allerdings trotzdem vielen Sonnenschutzprodukten zugesetzt, auch um die Inhaltsstoffe vor Oxidation zu bewahren [84].

Betakarotin wirkt ebenfalls als Antioxidans und hat bei täglicher Einnahme einer Dosis von 30 bis 100 mg eine deutlich nachweisbare protektive Wirkung [83].

Die gebräuchlichste Formulierung von Sonnenschutzmitteln ist die Öl-in-Wasser-Milch. Aber auch Wasser-in-Öl-Emulsionen, Hydrogels und Öle sind üblich. Insbesondere die Wasserfestigkeit wird von der Formulierung beeinflusst [83].

Entsprechend des Standards nach COLIPA wird empfohlen, Sonnenschutzmittel in der Konzentration von 2 mg/cm² aufzutragen. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass Lichtschutzmittel meist ungleichmäßig appliziert werden und dieser Standard nicht erreicht wird [4, 52, 58, 83].

Um die Effektivität von Sonnenschutzmitteln zu bewerten, wird der Lichtschutzfaktor (LSF) ermittelt. Man teilt die Zeit, die zur Erzeugung eines Erythems auf behandelter Haut benötigt wird, durch die entsprechende Zeit auf unbehandelter Haut. Diese Zeit wird unter standardisierten Bedingungen gemessen und Erythemschwelle oder mittlere Erythemdosis (MED) genannt [83].

Da der Lichtschutzfaktor sich auf die Erythembildung bezieht, ist er nur ein Maß für den Schutz gegen die UVB-Strahlung. Es sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, um den UVA-Schutz zu bewerten, bisher gibt es dafür allerdings noch keinen Standard [80, 84].

Ein hoher Lichtschutzfaktor und ein sicherer Schutz im kompletten UV-Spektrum lässt sich ohne den Zusatz von Titandioxid nur schwer erreichen [77].

1.4 Titandioxid

Titandioxid (TiO2) ist ein Metalloxid und kommt in der Natur meist als Anatas oder Rutil vor


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[25, 33, 65]. Es ist ein unlösliches weißes Pulver und ist chemisch und biologisch stabil. Titandioxid wird seit ca. 60 Jahren in der Industrie als Farbpigment eingesetzt, vor allem in Farben, Papier, Kunststoff, Kosmetika, Pharmaka und Nahrungsmitteln (Lebensmittelfarbstoff E171) [10, 28]. Die Pigmente wurden also jahrelang so optimiert, dass sie für das sichtbare Licht möglichst wenig durchlässig sind, um besonders weiß zu erscheinen [10]. Die Lichtdurchlässigkeit ist abhängig von der Größe und der Form der Partikel [10]. Diese Farbpigmente haben Größen von ca. 180 - 250 nm [28]. Sie filtern zwar auch im UV-Bereich, sind aber in Sonnenschutzmitteln kosmetisch inakzeptabel, weil sie auf der Haut einen weißen Film hinterlassen [10]. Partikel mit Größen zwischen 10 und 100 nm und einer mehr nadelförmigen Struktur streuen das sichtbare Licht sehr reduziert und das UV-Licht im gesamten Bereich verstärkt [10, 28, 42, 65]. Diese Partikel werden in Sonnenschutzprodukten eingesetzt und haben erst in hohen Dosen einen weißenden Effekt [28]. Sie werden daher meist mit UV-Filtern kombiniert.

Titandioxid ist heute in den meisten Sonnenschutzprodukten enthalten. Es wird für seine guten Filtereigenschaften im gesamten UV-Bereich und seine Verträglichkeit geschätzt [17, 65]. Berichte über Nebenwirkungen sind selten, allerdings wird die kutane Exposition mit Hautpapeln [21], granulomatöser Entzündung und Fibrose in Zusammenhang gebracht [20].

Nach oraler und systemischer Gabe von Titandioxid konnte im Tierversuch keine Toxizität nachgewiesen werden [7, 8]. Über die Folgen inhalativer Exposition gibt es unterschiedliche Aussagen. Es wurde einerseits von Entzündungsreaktionen [19, 56, 64, 81], Oberflächenveränderungen der Alveolarmakrophagen [26] und der Induktion von Tumoren bei Ratten berichtet [34, 56]. Andererseits traten bei weiteren Untersuchungen diese Veränderungen nicht auf [59, 73, 76].

Es konnte gezeigt werden, dass Titandioxid in vitro proliferationshemmend auf menschliche Fibroblasten wirkt. Dieser Effekt trat auch bei beschichteten Partikeln auf [91]. Titandioxid wird wegen seiner photokatalytischen Eigenschaften z. B. zur Beseitigung organischer Verunreinigungen bei der Wasseraufbereitung verwendet [6]. Dieser photokatalytische Effekt hat ebenfalls Auswirkungen auf menschliche Zellen [11, 66, 91, 93]. Die Beschichtung der Partikel kann diese Wirkung drastisch reduzieren, aber nicht grundsätzlich verhindern [91].

Um die Relevanz der potentiellen Schädigungen für den Einsatz in Sonnenschutzmitteln beurteilen zu können, muss man wissen, mit welchen Strukturen der Haut die Partikel in Kontakt kommen und daher das Penetrationsverhalten von Titandioxid eingehender untersuchen.


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1.5 Penetrationsmechanismen

Die Untersuchung des Penetrationsverhaltens topisch applizierter Substanzen ist die Grundlage für eine Optimierung ihrer Anwendung und der Reduzierung der Nebenwirkungen.

Die möglichen Penetrationsmechanismen lassen sich leicht nachvollziehen, wenn man sich den Aufbau der Haut vergegenwärtigt.

Abbildung 1: Der Aufbau der menschlichen Haut.

aus: Skin Care Forum, Ausgabe 20, März 1999. © Henkel KgaA, Care Chemicals, Düsseldorf

Die oberste Schicht der Epidermis, das Stratum corneum, besteht aus kernlosen, abgestorbenen Keratinozyten, den Korneozyten. Sie trägt zur mechanischen Festigkeit bei und übernimmt den Hauptanteil der Barrierefunktion der Haut, schützt den Körper also vor allem gegen Austrocknung und das Eindringen von Substanzen von außen. Die Korneozyten werden an allen Seiten von einem Lipidfilm umgeben, wie Steine einer Mauer vom Mörtel. Diese Barriere wird nur von den Hautanhangsgebilden unterbrochen, den Haarfollikeln (mit Talgdrüsen) und den Schweißdrüsen. Sie reichen bis tief in die Dermis und stehen in Kontakt mit dem Gefäßsystem der Haut [14].

Der Penetrationsprozess entspricht der Diffusion einer Substanz in die Haut. Das ist in drei verschiedenen Formen denkbar und auch beschrieben worden.

  1. Direkt durch die Korneozyten: Transzelluläre Penetration.
  2. Entlang der Korneozyten in der Lipidschicht: Interzelluläre Penetration.

Entlang der Hautanhangsgebilde, insbesondere der Haarfollikel: Follikuläre Penetration [86].


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Zusätzlich muss die Verteilung der Substanzen entlang der Hautoberfläche, das Spreiten, berücksichtigt werden.

Bisher ging man meist von flächiger Diffusion aus, denn die Hautanhangsgebilde nehmen nur 0,1% der Hautoberfläche ein. Zahlreiche Studien untersuchen inzwischen die follikuläre Penetration, deren überraschend großer Einfluss auf das Penetrationsverhalten nachgewiesen werden konnte [38].

Erwartungsgemäß penetrieren großmolekulare Substanzen oder Substanzen mit hohem Molekulargewicht schlechter. Auch besonders hydrophile (vor allem Salze) oder lipophile Stoffe dringen weniger in die Haut ein. Die Penetration von Substanzen ist stark abhängig von ihrem Vehikel. Sie kann z. B. durch Hitze, Okklusion und Lösungsmittel beschleunigt werden [86].

1.6 Penetrationsmessungen

Im Laufe vieler Jahre sind einige Methoden zur Penetrationsuntersuchung in der Literatur beschrieben worden und haben sich etabliert:

Nachweis radioaktiver Substanzen in Exkrementen und Blut [41]

Biopsien der Haut [39]

Saugblasentechnik [24, 74]

Abrissmethode [18, 70]

Oberflächenwiedergewinnung von Substanzen [46]

Biologische oder pharmakologische Reaktionen [90]

Autoradiographie und Fluoreszenzmessungen [96]

Penetrationsuntersuchungen mit Franz-Zellen [67]

Die qualitative und quantitative Penetration in vivo kann prinzipiell nur mit den vier zuerst genannten Methoden getestet werden. Der Einsatz radioaktiver Substanzen ist beim Menschen ethisch problematisch. Die Entnahme von Biopsien und das Setzen von Saugblasen hinterlässt Narben, daher sollte man den wissenschaftlichen Nutzen sorgfältig abwägen. Insbesondere für Untersuchungen der Penetrationskinetik, die mehrere Proben erfordern, kommen diese Methoden nicht in Frage.


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Die Abrissmethode ist ein relativ einfaches und nicht-invasives Verfahren und sollte daher für die Versuche dieser Arbeit benutzt werden.

1.7 Abrissmethode

Die Abrissmethode ist eine Technik zur Untersuchung der Hornschicht. Diese wird sukzessive mittels Klebestreifen schichtweise abgetragen und die Tapes anschließend untersucht.

Sie wurde 1939 von Wolf das erste Mal beschrieben [95].

Die Methoden der Abrissentnahme, die geschildert wurden, variieren stark. Sie unterscheiden sich unter anderem durch den verwendeten Klebefilm, die Art des Andrückens, die Applikationsstelle und die Anzahl der entnommenen Abrisse [45, 57, 70].

Die Abrissmethode wird häufig für Penetrationsuntersuchungen benutzt. Wird die gemessene Substanzmenge zur Abrissnummer ins Verhältnis gesetzt, ergeben sich bestenfalls semiquantitative Aussagen.

Für quantitative Penetrationsuntersuchungen muss die Menge der Korneozytenaggregate auf den Abrissen ermittelt werden. Darüber hinaus ist für den interindividuellen Vergleich die Bestimmung der lokalen Position des Abrisses im Profil der Hornschicht nötig.

Es wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, das Hornschichtprofil durch das Abrissverfahren zu bestimmen:

Die klassische Methode ist die Gravimetrie, das Wiegen der Klebestreifen [18, 60, 94]. Sie hat den Nachteil, dass sie aufwendig und störanfällig ist. Es konnte gezeigt werden, dass das Gewicht durch Bestandteile, die man zusätzlich zu den Hornschichtpartikeln auf den Abrissen gefunden hat, wie z. B. Talg und Schweiß, verfälscht wird. Bei Penetrationsuntersuchungen erhöhen die topisch applizierten Substanzen das Gewicht besonders der ersten Abrisse. [51].

Eine weitere Technik ist die Messung des transepidermalen Wasserverlustes (TEWL). Es wurde ein Zusammenhang zwischen der Anzahl der entfernten Abrisse und dem Anstieg des TEWL gefunden [43]. Diese Vorgehensweise ist zwar unkompliziert, führt aber vor allem bei den ersten Abrissen zu einem relativ großen Messfehler [51].

Des weiteren kommen spektroskopische Verfahren zum Einsatz.

Marttin et al. haben die UV-Absorption durch die Proteine in den Korneozyten bestimmt. Die Absorptionsbanden waren recht schwach und wurden durch andere Substanzen, wie z. B. Emulsionsbestandteile, überlagert [60].

Die Messung der Absorption spezifischer Korneozytenfärbungen auf den Abrissen ergab nur


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unbefriedigende Korrelationen. Die Abrisse sind nach der Färbung für weitere Untersuchungen nicht mehr geeignet und die Bestimmung der Menge der applizierten Substanz nicht möglich [18].

Weigmann beschreibt ein Verfahren, das die optische Absorption von Korneozytenaggregaten im sichtbaren Spektralbereich (bei 430 nm) misst. Er konnte zeigen, dass zwischen dem Wiegen und der Absorptionsmessung der Abrisse eine sehr exakte Korrelation gegeben ist. Auch die Untersuchung behandelter Haut ist möglich, da die topisch applizierten Substanzen in der Regel im sichtbaren Spektralbereich keine Absorptionsbanden aufweisen [94].

So kann die relative Menge der Hornschicht auf den einzelnen Abrissen bestimmt und daraus ein Hornschichtprofil erstellt werden. Dazu wird die Extinktion durch die Korneozyten aufsummiert und auf die Extinktion der gesamten Hornschicht bezogen (100%). Das lässt einen Vergleich zwischen verschiedenen Probanden zu und ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse, da die Zuordnung eines Abrisses zur Tiefe innerhalb des Hornschichtprofils gelingt. Diese Methode ist einfach zu handhaben und führt nicht zur Zerstörung der Abrisse, so dass sie für Folgeuntersuchungen weiterverwendet werden können.

Die inhomogene Verteilung der Korneozyten auf den Abrissen wird ausgeglichen durch die Wahl eines großen Messspots.

In der Literatur gibt es Hinweise darauf, dass die Abrissmethode die Korneozyten nicht vollständig entfernt [37], sondern dass Hornschuppen in den Furchen verbleiben [63].

Dieser Nachteil muss überwunden werden, wenn die Methode für quantitative Messungen eingesetzt werden soll. Das ist auch Bestandteil der vorliegenden Arbeit.

1.8 Penetrationsverhalten von Titandioxid

Die Effekte und Nebenwirkungen von Sonnenschutzmitteln werden von den Herstellerfirmen ausführlich untersucht, um eine Zulassung der Filtersubstanzen zu erhalten. Weniger Informationen gibt es über das Penetrationsverhalten. Es ist wichtig, die Verteilung einer Substanz in der Haut zu kennen, da die Effizienz und das Ausmaß der Nebenwirkungen davon abhängen. Weiterhin wird die Wasserfestigkeit eines Sonnenschutzmittels entscheidend durch die Penetrationstiefe bestimmt.

Die ideale Lichtschutzsubstanz bildet nach dem Auftragen eine gleichmäßige dünne Schicht im obersten Teil des Stratum corneum. So hat sie keinen Kontakt mit den lebenden Zellen der Epidermis, wo Nebenwirkungen eintreten könnten, dringt aber doch tief genug ein, um nicht


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durch normales Verhalten (Kontakt mit Textilien, Abtrocknen, Bewegung, evtl. Wasserkontakt) wieder entfernt zu werden.

Trotz des breiten Einsatzes von mikrofeinem Titandioxid ist das Penetrationsverhalten erst wenig untersucht worden.

Tan et al. haben 1996 anhand von Biopsien menschlicher Haut, die über mehrere Wochen mit Titandioxid behandelt worden war, zeigen können, dass die Dermis erhöhte Titandioxid-Konzentrationen aufwies. Daraus wurde geschlossen, dass Titandioxid bis in die Dermis penetriert. Diese Studie weist einige Limitationen auf [89].

Castiel-Higuonenc publizierte 1995 die Ergebnisse ihrer In-vitro-Untersuchungen an Diffusionszellen zur Penetration von Titandioxid in menschliche Haut. Es fand sich kein Titandioxid in der Rezeptor-Flüssigkeit. In elektronenmikroskopischen Untersuchungen wurde Titandioxid nur in den obersten Lagen der Hornschicht gefunden [12].

Letzteres bestätigten Untersuchungen von Dussert und Hemmerle [22, 35].

Lansdown kam im Tierversuch am Hasen ebenfalls zum gleichen Ergebnis. Zusätzlich weist er auf Reste von Titandioxid in den äußeren Anteilen der Haarfollikel hin [54].

1.9 Ziele und Problemstellungen

Die bisherigen Untersuchungen zur Penetration von Titandioxid sind offensichtlich nicht ausreichend. Es gibt unterschiedliche Angaben zur Penetrationstiefe von Titandioxid. Nur in den Studien von Tan et al. ist die Substanz über mehrere Tage appliziert worden, die anderen beschriebenen Versuche wurden nach einmaliger Applikation von Titandioxid durchgeführt. Die weitere Penetrationskinetik über mehrere Tage wurde nicht beachtet. Der Einfluss verschiedener Beschichtungen auf das Penetrationsverhalten ist nicht bekannt. In den bisherigen Untersuchungen wurde von flächiger Penetration ausgegangen. Die Rolle der Hautanhangsgebilde für die Penetration von Titandioxid ist noch unklar.


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In der vorliegenden Arbeit sollten daher folgende Fragen geklärt werden:

  1. Penetriert Titandioxid in die Haut und wenn ja, wie tief?
  2. Wie ist die Penetrationskinetik über mehrere Tage?
  3. Welchen Einfluss haben unterschiedliche Beschichtungen auf das Penetrations-verhalten?
  4. Welche Penetrationswege sind relevant? Welche Rolle spielen die Follikel?

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