Erid: 2RanyktJE9f

О.И. Яблонская¹, Е.В. Буравлева², В.Л. Воейков^2
1 Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук
² Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Введение

Вода является неотъемлемым компонентом большинства косметических формул. В традиционных эмульсиях ее содержание может достигать 80–90%, и на первый взгляд она играет лишь вспомогательную роль: служит растворителем, снижает агрессивность активных веществ, повышает комфорт при нанесении средства. При этом сама по себе вода практически не проникает через гидролипидный барьер и не оказывает прямого увлажняющего действия на кожу [1, 2]. Косметическая промышленность активно исследует способы повышения эффективности водной фазы. Все чаще вместо очищенной воды используют термальную, ледниковую, морскую или родниковую воду [3–5], а также подбирают рН, приближенный к рН кожи, — это позволяет улучшить переносимость и повысить стабильность формулы косметического средства [6, 7]. Однако современные представления о воде выходят за рамки ее растворяющих свойств. Вода способна образовывать устойчивые кластеры вокруг молекул, участвовать в межмолекулярных взаимодействиях и даже замедлять или блокировать определенные биохимические реакции. Например, плотная гидратная оболочка может препятствовать агрегации молекул и менять их биодоступность [8–11].

Внешнее физическое воздействие на воду путем вибрационной обработки способно изменять ее физико-химические и биологические свойства (табл. 1), что, в свою очередь, может влиять на поведение веществ, растворенных в водной среде, — их распределение в объеме, растворимость и взаимодействие с кожей.

Таблица 1. Биологические и физико-химические эффекты модификации высокоочищенной воды в результате внешнего физического воздействия

Одним из примеров внешнего физического воздействия на воду может служить недавно разработанная и запатентованная технология последовательной (градуальной) вибрационной обработки, именуемой также кроссингом, которая позволяет получать из исходной субстанции, в том числе воды, ее модификаторы (нормализаторы) [16].

В данной работе исследовали следующие образцы:

• Очищенная вода Milli-Q с удельной проводимостью ~0,06 мкСм/см (Millipore, Франция) (далее — Контроль).
• Активный компонент Aquanativ, разработанный [16] и предоставленный компанией ООО «НПФ «Материа Медика Холдинг» (далее — Aquanativ).

Традиционно вода в косметических формулах воспринимается как неотъемлемая, но инертная субстанция, то есть своеобразный фон для действия активных ингредиентов. Результаты нашего исследования Aquanativ показывают, что вода может выступать в роли мишени косметического препарата.

Новая российская научно-косметическая разработка — крем Nanomedica — содержит инновационный активный компонент Aquanativ. Исследования показали, что структурная модификация водной фазы данным компонентом создаетблагоприятную среду для нормализации физиологических процессов в коже. Вследствие чего крем оказывает регенерирующее, омолаживающее действие и усиливает действие активных компонентов, входящих в иные уходовые средства.

Чтобы оценить влияние градуальной технологии на структуру воды в активном компоненте Aquanativ, мы провели визуальную оценку результатов экспериментов, демонстрирующих, что Aquanativ оказывает значимое влияние на распределение растворенных веществ (на примере упрощенной модели распределения активных компонентов в косметических средствах).

Кристаллы под микроскопом: что расскажет высохшая капля

Изменение структуры воды — процесс, который сложно зафиксировать напрямую. Однако есть простой и наглядный способ «заглянуть внутрь» — наблюдать, как высыхают капли растворов на стекле. Такой метод позволяет визуализировать скрытые свойства воды и ее взаимодействие с растворенными веществами. Для анализа влияния растворителя (Контроль и Aquanativ) на поведение растворенных веществ при кристаллизации использовали вещества, различающиеся по природе и способности к кристаллизации:

• глицин — низкомолекулярное органическое вещество [17];
• хлорид натрия (NaCl) — неорганическое вещество [18–20];
• микросферы — инертные частицы, не образующие кристаллов [21, 22].

	Рис. 1. Микрофотографии высохших капель Aquanativ (А) и Контроля (Б) с добавлением 0,15 М глицина (ув. 32×)
	Рис. 2. Микрофотографии высохших капель Aquanativ (А) и Контроля (Б) с добавлением 0,15 М NaCl (ув. 32×)
	Рис. 3. Микрофотографии высохших капель Aquanativ (А) и Контроля (Б) с добавлением микросфер (ув. 125×)

На первый взгляд, все высохшие капли (рис. 1–3) имели характерный вид для очищенной воды: вещество концентрируется по краю, образуя своеобразную кайму. Однако при сравнении высушенных капель растворов всех указанных веществ, приготовленных с использованием Контроля и Aquanativ, были обнаружены устойчивые различия в структурной эволюции кристаллизации, что указывает на различную динамику испарения воды в растворе вещества в Aquanativ и Контроле.

Наиболее выраженные отличия были выявлены у высушенных капель с глицином. Так, в высушенных каплях раствора глицина в Aquanativ были сформированы более явные и разнообразные узоры — тонкие «иголки», разветвленные «веточки», мягкие «пушинки» (см. рис. 1, табл. 2). В отличие от этого, высушенные капли раствора глицина в Контроле чаще содержали резкие, угловатые структуры с меньшим разнообразием форм. Это может свидетельствовать о различной структуре водных кластеров, формирующихся в Aquanativ и Контроле.

Кристаллизация NaCl также имела отличия: при высушивании капель раствора соли, приготовленного с использованием Aquanativ, образовывались более крупные агрегаты по краю, чем в случае использования Контроля в качестве растворителя (см. рис. 2, см. табл. 2).

Таблица 2. Сравнение морфологических особенностей высохших капель с 0,15 М глицина или NaCl

Примечание. В скобках указано относительное количество капель с выявленным эффектом.

Таким образом, полученный по технологии градуирования Aquanativ модифицирует образование водных кластеров и центров кристаллизации. Вероятно, способность Aquanativ увеличивать эффективность активных компонентов других препаратов, о которой заявляет производитель, обусловлена возможностью образовывать крупные паттерны из растворенных (активных) веществ. Кроме того, образование длинных игольчатых структур, отсутствующих в высушенных каплях Контроля, может указывать на возможность перераспределения в объеме Aquanativ веществ с различным зарядом. Данная особенность может найти применение в многокомпонентных кремах и флюидах.

Испарение и самоорганизация: как вода «запоминает» структуру

Хотя вода кажется простой жидкостью, ее поведение при испарении может рассказать о ней гораздо больше, чем предполагает внешняя простота. Структура молекул воды влияет не только на ее взаимодействие с другими веществами, но и на такие фундаментальные параметры, как вязкость, плотность и скорость испарения. Когда кинетическая энергия одной или группы молекул воды превышает энергию связей, удерживающих их в жидкой фазе, происходит испарение. Ключевая роль в этом принадлежит ориентации молекул воды у поверхности раздела фаз [23]. Чтобы убедиться в различной ориентации молекул (по-другому — различной кластеризации, или структуры, воды в образцах), мы провели сравнение скорости естественного испарения образцов Aquanativ и Контроля при комнатной температуре. В результате Aquanativ испарялся медленнее, чем Контроль, — в среднем на 12% за 18 дней наблюдений.

Другим наглядным способом визуализации зон со свободной и связанной водой (то есть водой, обладающей различной энергией водородных связей) является характер осаждения полистирольных микросфер, которые, в отличие от NaCl и глицина, не растворяются в воде, а образуют суспензию. При высыхании капель суспензии микросфер главную роль стоит отвести взаимодействию гидрофильной их поверхности с водными кластерами (см. рис. 3, табл. 3). Вероятно, именно этим фактором обусловлен различный характер осаждения полистирольных отрицательно заряженных микросфер (диаметр 1 мкм) в Aquanativ и в Контроле. В отличие от растворимых веществ (NaCl и глицин), микросферы позволяют проследить не кристаллизацию, а именно осаждение и распределение в капле при испарении воды. Как показали наблюдения, при высушивании капель суспензии микросфер в Aquanativ формируются вытянутые гроздевидные структуры вдоль периферии, в то время как капли суспензии микросфер в Контроле выглядели менее организованными — с разрозненным рисунком осаждения и менее выраженной границей. Вероятно, такая зависимость паттернов от используемой воды указывает на различия тепловых потоков внутри капель при сушке, что согласуется с другими работами [18, 21].

Таблица 3. Сравнение морфологических особенностей высохших капель с добавлением полистирольных 1 мкм микросфер

Примечание. В скобках указано относительное количество капель с выявленным эффектом.

Особое внимание привлекли светлые участки вокруг скоплений микросфер в высушенных каплях, приготовленных с использованием Aquanativ. Эти зоны, предположительно, соответствуют так называемым зонам исключения (exclusion zone; EZ) [24] — областям воды с более плотной структурой, плохо испаряющейся и обладающей особыми физическими свойствами [25]. Присутствие EZ свидетельствует о формировании упорядоченных участков жидкости, в которых могут активно структурироваться молекулы и взвеси.

Высыхание капли — это не только переход жидкости в пар, это фазовый переход, сопровождающийся сложными процессами самоорганизации. Внутри капли возникают градиенты температуры, концентрации и поверхностного натяжения, что запускает гидродинамические потоки и диффузионные процессы. Эти микродвижения определяют, как распределятся частицы и какие структуры сформируются в финале после высыхания капли.

Финальный рисунок высохшей капли — так называемая фация — становится своего рода «отпечатком» внутренней динамики раствора (например, EZ, гидратные оболочки, водные кластеры, оказывающие влияние на образование центров кристаллизации, и т.д. [26]). Эти процессы с точки зрения синергетики относятся к классу самоорганизующихся систем и могут наблюдаться при неравновесных фазовых переходах, таких как переход из жидкого состояния в твердое во время высыхания [27]. Такой переход фиксирует нестабильные межмолекулярные связи, обеспечивая более высокий уровень организации системы.

Структура фации начинает формироваться на раннем этапе дегидратации, когда жидкость представляет собой слабый раствор и компоненты распределяются по площади фации в зависимости от их физико-химических свойств [28]. В процессе высыхания возникают градиенты температуры, концентрации растворенных веществ и поверхностного натяжения, что вызывает диффузионный перенос и гидродинамические потоки внутри капли [29].

Таким образом, изменение структуры воды даже без добавления новых веществ способно кардинально повлиять на характер осаждения. Для косметических формул это открывает новые возможности: регулируя структуру водной среды, можно влиять на распределение, проникновение и совместимость активных компонентов. Это особенно важно в сложных составах, где стабильность и согласованность компонентов напрямую влияют на эффективность и переносимость средства.

Когда вода замерзает: лед как зеркало внутренней структуры

Исследование структуры воды не ограничивается анализом испарения. Другой информативный метод для визуализации структурных изменений воды — частичное замораживание, предложенный исследователями Austin V. [30] и Emoto M. [31]. Данный метод основан на наблюдении за формированием многослойных структур из монослоев воды (формирование ледяных узоров) при неполном замерзании жидкости [32].

В нашем эксперименте чашки Петри заполняли на треть исследуемыми образцами и выдерживали на протяжении получаса при −16 °С. При анализе сформировавшихся многослойных структур было заметно их различие (рис. 4).

	Рис. 4. Фотографии отдельных чашек Петри после частичного замораживания Aquanativ (А) и Контроля (Б). В и Г — отдельные фрагменты льда после частичного замораживания Aquanativ. Отчетливо видны структуры и наслоение слоев льда

В образцах Контроля лед формировал прямолинейные узоры с ограниченным количеством ветвлений. Узоры были крупными, простыми по форме, часто изолированными или слабосоединенными. У Aquanativ наблюдали более изящные и сложные структуры льда: тонкие «иглы» разной толщины, спиралевидные формы, ветвления с большей протяженностью, а также неровные рельефные участки на поверхности льда. Особенно интересно то, что узоры в Aquanativ имели меньше точек ветвления, но ветви были длиннее и более структурированными. Кроме того, площадь, занятая узорами льда, была меньше — но сами узоры были крупнее и реже. Все это может свидетельствовать о более упорядоченной структуре монослоев воды в Aquanativ, меньшем количестве случайных дефектов и ином распределении водородных связей.

Важно понимать, зачем необходима упорядоченность монослойных структур в жидкости. Дело в том, что переход воды в твердое состояние фиксирует ее внутреннюю организацию.

Наблюдаемые нами отличия в образовании льда Aquanativ и Контроля указывают на различный характер формирования неоднородностей при замораживании этих жидкостей вследствие их различной динамической структуры. Эти неоднородности проявляются в виде устойчивых морфологических отличий: характер осаждения микросфер, форма и распределение кристаллов глицина и NaCl, сложность ледяных узоров. Такие различия возможны в том случае, если жидкая вода изначально обладает различной степенью организации, то есть формирует разные по плотности и архитектуре водные кластеры, а также EZ, влияющие на движение и распределение растворенных и взвешенных веществ. В процессе замораживания (и испарения) эти микроструктуры «фиксируются» в виде различий в фациях (см. рис. 1–3) высохших капель или в форме льда (см. рис. 4). Так, вода Aquanativ и Контроля по-разному взаимодействует с растворенными веществами, испаряется с различной скоростью в разных частях объема, формирует различные температурные, ионные и электромагнитные градиенты. Эти особенности могут влиять на поведение воды на молекулярном уровне при замораживании, хранении, тряске и в ходе технологических процессов приготовления фармацевтических и косметических препаратов, а также при совместном их хранении. Кроме того, температурные колебания встречаются повсеместно — например, в процессе транспортировки, сушки, производства косметики или из-за сезонных и суточных колебаний. Различная упорядоченность водных кластеров может влиять на стабильность эмульсий, растворимость компонентов и совместимость активных веществ. Таким образом, вода с различной динамической структурой способна проявлять различные свойства при одинаковом химическом составе. Несмотря на то что эти отличия весьма умеренны по силе, их использование является инновационным и может дать преимущества в косметологии и фармацевтике.

Для сложных косметических формул, особенно тех, где важны стабильность активных компонентов и однородность текстуры, это может играть решающую роль.

Растворитель или активный компонент? Что внешнее физическое воздействие меняет в структуре воды

Очищенная вода (например, Milli-Q) традиционно считается нейтральной основой косметических и фармацевтических препаратов. Однако все больше научных данных указывает на то, что структура воды и способ ее подготовки могут играть не менее важную роль, чем активные ингредиенты косметических и фармацевтических препаратов [3]. Один из таких способов — внешнее физическое воздействие (в том числе градуальная технология), при котором происходят микроскопические процессы, которые сложно увидеть, но легко зафиксировать по последствиям. В жидкости возникают пузырьки газа, которые схлопываются с образованием локальных увеличений температуры до 5000 K и локальных ударных волн. Это явление, называемое кавитацией, запускает цепь изменений в воде [23, 24, 33, 34]:

• выделяются активные формы кислорода (например, пероксиды и радикалы);
• меняется pH, особенно при выходе растворенного CO₂;
• изменяются физико-химические параметры: поверхностное натяжение, вязкость, диэлектрическая проницаемость.

Но главное — происходит переорганизация сети водородных связей. Эти связи формируют водные кластеры, которые определяют, как вода взаимодействует с другими молекулами. Именно эти кластеры участвуют в процессе самоорганизации при испарении, влияют на кристаллизацию, растворимость и даже на стабильность многокомпонентных растворов [24, 33].

Одной из ключевых концепций в современных представлениях о воде стала так называемая EZ-вода — особый структурированный слой воды, который формируется у гидрофильных поверхностей, например у границ частиц или пузырьков газа. Согласно данным Pollack G.H. [24], EZ-вода отличается плотностью, способностью отталкивать ионы и измененными электрическими свойствами. Она ведет себя иначе, чем обычная жидкая вода, и участвует в создании центров кристаллизации и организации раствора.

Наши данные показывают, что после внешнего физического воздействия (как в случае Aquanativ) вода может формировать более выраженные EZ, что сказывается на кристаллизации, испарении и распределении частиц. Даже такие «незаметные» изменения, как организация микросфер по краю высохшей капли или скорость испарения, дают устойчивые различия между обработанной и необработанной водой. Важно отметить, что с химической точки зрения оба исследованных нами образца являются очищенной водой, но при этом имеют различные физические свойства и различную функциональную активность.

Эти наблюдения подводят к важному выводу: вода может быть использована не только как базовый носитель для косметических композиций. Предварительная обработка воды приводит к созданию нового активного компонента, который будет принимать активное участие в работе косметической формулы, усиливая действие других компонентов, оказывая влияние на их совместимость, управляя их распределением в формуле.

Таким образом, Aquanativ может способствовать более мягкому и равномерному распределению активных веществ в косметических формулах. Такой механизм воздействия позволит снизить нагрузку на эпидермис, минимизировать риск воспалений в коже.

В будущем это открывает путь к совершенно новому поколению косметических средств — интеллектуальным формулам, где активную роль играют не только традиционные, но и инновационные компоненты, полученные с применением градуальной технологии. Благодаря возможности контролируемого структурирования и предсказуемого поведения вода превращается в управляемую среду, способную благоприятно воздействовать на кожу — как самостоятельно, так и усиливая, направляя и модулируя действие других веществ. Это принципиально новый подход к созданию эффективных, биосовместимых и «разумных» косметических препаратов.

Литература

1. Аравийская Е.Р., Соколовский Е.В. Барьерные свойства кожи и базовый уход: инновации в теории и практике. Вестник дерматологии и венерологии 2010; (6): 135–140.
2. Юсупова Л.А., Мингазетдинова Н.И. Современное состояние проблемы сухой кожи. Лечащий врач 2014; (5): 41.
3. Евсеева С.Б., Сысуев Б.Б. Использование природных минеральных солей в современных косметических рецептурах: ассортимент продукции, характеристика сырья и особенности технологии. Фармация и фармакология 2016; 4(2): 4–25.
4. Киреева Н.Е., Кувардин Н.В. Изучение химического состава мицеллярной воды. В кн.: Фундаментальные и прикладные исследования в области химии и экологии: сборник трудов конференции. Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. С. 87–91.
5. Двадненко М.В., Привалова Н.М., Носорева М.В. и др. Влияние косметических средств на кожу человека. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований 2009; (4): 99–100.
6. Бец Ю.А., Наумова Н.Л. Экспертиза качества косметических кремов импортного и отечественного производства. Modern Science 2020; (10-2): 30–33.
7. Конотоп Н.В., Силаева А.И. Сравнительный анализ термальной воды, представленной на рынке аптечной селективной косметики. В кн.: Молодежь, наука, медицина: материалы 68-й Всероссийской межвузовской студенческой научной конференции с международным участием. Тверь: Тверская государственная медицинская академия, 2022. С. 445–447.
8. Власов В.А., Мышкин В.Ф., Хан В.А. и др. Анализ процессов, обуславливающих влияние магнитного поля на структуру и свойства воды. Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ 2012; (81): 47–159.
9. Penkov N., Yashin V., Fesenko E. Jr., et al. A study of the effect of a protein on the structure of water in solution using terahertz time-domain spectroscopy. Appl Spectrosc 2018; 72(2): 257–267.
10. Takano K., Yamagata Y., Yutani K. Buried water molecules contribute to the conformational stability of a protein. Protein Eng2003;16(1): 5–9.
11. Носков С.Ю., Киcелев М.Г., Колкеp А.М. Роль связанной воды в процессах ассоциации белок-лиганд. Биофизика 2010; 55(1): 39–45.
12. Gudkov S.V., Penkov N.V., Baimler I.V., et al. Effect of mechanical shaking on the physicochemical properties of aqueous solutions. Int J Mol Sci 2020; 21(21): 8033.
13. Bunkin N.F., Shkirin A.V., Ninham B.W., et al. Shaking-induced aggregation and flotation in immunoglobulin dispersions: Differences between water and water-ethanol mixtures. ACS Omega 2020; 5(24): 14689–14701.
14. Kiese S., Papppenberger A., Friess W., Mahler H.C. Shaken, not stirred: Mechanical stress testing of an IgG1 antibody. J Pharm Sci 2008; 97(10): 4347–4366.
15. Penkov N. Antibodies processed using high dilution technology distantly change structural properties of IFNγ aqueous solution. Pharmaceutics 2021; 13(11): 1864.
16. Petrova A., Tarasov S., Gorbunov E., et al. Phenomenon of post-vibration interactions. Symmetry 2024; 16(8): 958.
17. Федосеева Е.Н., Федосеев В.Б. Возможности и особенности спрей-технологии в органическом синтезе. Конденсированные среды и межфазные границы 2020; 22(3): 397–405.
18. Яхно Т.А., Яхно В.Г. Основы структурной эволюции высыхающих капель биологических жидкостей. Журнал технической физики 2009; 79(8): 141–145.
19. Бирзуль А.Н., Белковский П.В., Леник Е.А. Микрокристаллизация как метод индикации активированных вод. В кн.: VI Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». СПб., 2012. С. 119.
20. Тарасевич Ю.Ю. Механизмы и модели дегидратационной самоорганизации биологических жидкостей. Успехи физических наук 2024; 174(7): 779–790.
21. Молчанов С.П., Ролдугин В.И., Чернова-Хараева И.А. Начальный краевой угол капель дисперсии и структура кольцевых осадков, формирующихся при капиллярной самосборке частиц. Коллоидный журнал 2015; 77(6): 755–755.
22. Серхачева Н.С., Прокопов Н.И., Гервальд А.Ю. и др. Гетерофазная полимеризация стирола в присутствии наночастиц оксида цинка. Пластические массы 2016; (9-10): 10–14.
23. Caupin F., Herbert E. Cavitation in water: a review. C R Phys 2006; 7(9-10): 1000–1017.
24. Pollack G.H. The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor. Seattle: Ebner and Sons; 2013.
25. Chen C.S., Chung W.J., Hsu I.C., et al. Force field measurements within the exclusion zone of water. J Biol Phys 2012; 38(1): 113–120.
26. Hwang S.G., Hong J.K., Sharma A., et al. Exclusion zone and heterogeneous water structure at ambient temperature. PLoS One 2018; 13(4): e0195057.
27. Яхно Т.А., Яхно В.Г., Санин А.Г. и др. Некоторые особенности дегидратационной самоорганизации. Журнал технической физики 2004; 49(8): 1055.
28. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том VI: Гидродинамика. 3-е изд. М.: Наука, 1986.
29. Brutin D. Droplet Wetting and Evaporation: From Pure to Complex Fluids. 1st edn. Amsterdam: Elsevier; 2015.
30. Austin V. The Secret Intelligence of Water. https://www.vedaaustin.com.
31. Emoto M. The Hidden Messages in Water. New York: Simon & Schuster; 2011.
32. Трушков Ю.Ю., Макарова Л.Е., Шевченко А.Ф. и др. К вопросу о слоистости бытовой воды. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение 2011; 13(1): 121–129.
33. Chaplin M.F. Structuring and behaviour of water in nano-confined environments. Biophysical Chemistry 2006; 124(3): 199–207.
34. Astashev M.E., Serov D.A., Sarimov R.M. Gudkov S.V. Influence of the vibration impact mode on the spontaneous chemiluminescence of aqueous protein solutions. Physics of Wave Phenomena 2023; 31(3):189–199.

Реклама. ООО «НПФ «МАТЕРИА МЕДИКА ХОЛДИНГ»