ES2255292T3

ES2255292T3 - Composiciones para filtrar luz ultravioleta.

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Publication number: ES2255292T3
Application number: ES99939789T
Authority: ES
Inventors: John Sebastian University of Oxford KNOWLAND; Peter James University of Oxford DOBSON; Gareth University of Oxford WAKEFIELD
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2006-06-16
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: DE69929799D1; JP2002516347A; GB9811377D0; JP4162857B2; AU765456B2; US8642019B2; US20050169857A1; EP1598056A1; DE69929799T2; US20060039875A1; EP1079796A1; AU4273299A; EP1079796B1; US6869596B1; WO1999060994A1

Abstract

Una composición de filtrado de UV que comprende partículas que son capaces de absorber luz UV, de modo que se forman electrones y huecos cargados positivamente dentro de las partículas, caracterizada porque las partículas: están adaptadas para reducir al mínimo la migración a la superficie de las partículas de los electrones y/o los huecos cargados positivamente, cuando dichas partículas están expuestas a luz UV en un entorno acuoso; y comprenden una red cristalina anfitriona de dióxido de titanio u óxido de zinc que incorpora un segundo componente para proporcionar sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia, siendo dicho segundo componente manganeso en el estado 3+ o cromo, teniendo dichas partículas un tamaño medio de partícula primaria desde 1 hasta 100 nm, y un vehículo.

Description

Composiciones para filtrar luz ultravioleta.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a composiciones de filtrado de UV, métodos para su preparación, y su uso. La invención se refiere en particular a, por ejemplo, composiciones que comprenden óxidos en forma de pequeñas partículas, su preparación, y su uso como, por ejemplo, pinturas, plásticos, revestimientos, pigmentos, colorantes y composiciones para aplicación tópica, en particular, por ejemplo, filtros solares.

Los efectos asociados con la exposición a la luz solar son bien conocidos. Por ejemplo, las superficies pintadas pueden volverse descoloridas, y la exposición de la piel a la luz UVA y UVB puede dar como resultado, por ejemplo, eritemas solares, envejecimiento prematuro y cáncer de piel.

Los filtros solares comerciales contienen componentes que son capaces de reflejar y/o absorber luz UV. Estos componentes incluyen, por ejemplo, óxidos inorgánicos tales como óxido de zinc y dióxido de titanio.

El dióxido de titanio en los filtros solares está formulado generalmente como partículas "micronizadas" o "ultrafinas" (20-50 nm) (denominadas microrreflectores), porque dispersan la luz conforme a la ley de Rayleigh, de ese modo, la intensidad de la luz dispersada es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Por consiguiente, dispersan la luz UVB (con una longitud de onda desde 290 hasta 320 nm) y la luz UVA (con una longitud de onda desde 320 hasta 400 nm) más que las longitudes de onda visibles, más largas, impidiendo los eritemas solares mientras permanecen invisibles sobre la piel.

Sin embargo, el dióxido de titanio absorbe también eficazmente la luz UV, catalizando la formación de radicales de superóxido y de hidroxilo que pueden iniciar oxidaciones. Las formas cristalinas de TiO_{2}, anatasa y rutilo, son semiconductores con energías de salto de banda de aproximadamente 3,23 y 3,06 eV respectivamente, que corresponden a una luz de aproximadamente 385 nm y 400 nm (1 eV corresponde a 8066 cm^{-1}).

Un protón incidente es absorbido por dióxido de titanio si su energía es mayor que la energía de salto de banda del semiconductor Eg mostrada en la figura 1. Como resultado, un electrón de la banda de valencia (bv) es promovido a la banda de conducción (bc) (transición [1]). Si la energía del fotón incidente es inferior a Eg, no será absorbido ya que se requeriría que el electrón fuera promovido dentro del salto de banda, y este estado de energía está prohibido. Una vez promovido, el electrón se relaja hasta la parte inferior de la banda de conducción (transición [2]), emitiendo el exceso de energía como calor a la red cristalina.

Cuando el electrón es promovido deja un hueco que actúa como una partícula positiva en la banda de valencia. Tanto el electrón como el hueco son entonces libres para migrar alrededor de la partícula de dióxido de titanio. El electrón y el hueco pueden recombinarse, emitiendo un fotón de energía igual a la energía de salto de banda. Sin embargo, la vida del par electrón/hueco es bastante larga, debido a la naturaleza específica de la estructura de la banda electrónica. De este modo, hay tiempo suficiente (aproximadamente, 10^{-11} s) para que el electrón y el hueco migren a la superficie y reaccionen con especies absorbidas.

En entornos acuosos, los electrones reaccionan con oxígeno, y los huecos con iones de hidroxilo o agua, formando radicales de superóxido y de hidroxilo:

TiO_{2} \ + \ h \nu \rightarrow \ TiO_{2} \ (e^{-}/h^{+}) \rightarrow e^{-} \ (bc) \ + \ h^{+} \ (bv)

e^{-} \ (bc) \ + \ O_{2} \ \rightarrow \ O_{2}{}^{.-} \ \rightarrow \ HO \ ^{.}{}_{2}

h^{+} \ (bv) \ + \ OH^{-} \ \rightarrow \ ^{.}OH

Esto se ha estudiado extensamente en relación con la oxidación total de contaminantes ambientales, especialmente con anatasa, la forma más activa [A. Sclafani et al., J. Phys. Chem., (1996), 100, 13655-13661].

Se ha propuesto que tales foto-oxidaciones pueden explicar la capacidad del dióxido de titanio iluminado para atacar moléculas biológicas. Las partículas de dióxido de titanio de filtros solares están revestidas a menudo con compuestos tales como alúmina, sílice y dióxido de circonio, que forman óxidos hidratados que pueden capturar radicales de hidroxilo, y pueden reducir por lo tanto las reacciones en la superficie. Sin embargo, algunas preparaciones de TiO_{2}/Al_{2}O_{3} y TiO_{2}/SiO_{2} muestran un aumento de actividad [C. Anderson et al., J. Phys. Chem., (1997), 101, 2611-2616].

Como el dióxido de titanio puede penetrar en las células humanas, se ha investigado recientemente la capacidad del dióxido de titanio iluminado para provocar daños en el ADN. Se ha mostrado que el dióxido de titanio en forma de pequeñas partículas, como se extrae de filtros solares, y el óxido de zinc puro, darán lugar, cuando se exponen a una iluminación con un simulador solar, a daños en el ADN tanto in vitro como en células humanas [R. Dunford et al., FEBS Lett., (1997), 418, 87-90].

La presente invención proporciona composiciones de filtrado de UV que se aplican a los problemas descritos anteriormente, y tienen menos tendencia a producir daños en el ADN tras iluminación que las composiciones de filtros solares convencionales.

La presente invención proporciona, de acuerdo con esto, una composición de filtrado de UV que comprende partículas que son capaces de absorber luz UV, especialmente luz UV que tiene una longitud de onda inferior a 390 nm, de modo que se forman electrones y huecos cargados positivamente dentro de las partículas, caracterizada porque las partículas: están adaptadas para reducir al mínimo la migración a la superficie de las partículas de los electrones y/o los huecos cargados positivamente, cuando dichas partículas están expuestas a luz UV en un entorno acuoso; y comprenden una red cristalina anfitriona de dióxido de titanio u óxido de zinc que incorpora un segundo componente para proporcionar sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia, siendo dicho segundo componente manganeso en el estado 3+ o cromo, teniendo dichas partículas un tamaño medio de partícula primaria desde 1 hasta 100 nm, y un vehículo. Se cree que bajo estas circunstancias, la producción de radicales de hidroxilo se reduce sustancialmente. De este modo, puede impedirse sustancialmente la producción de radicales de hidroxilo.

La reducción al mínimo de la migración a la superficie de las partículas de los electrones y/o los huecos cargados positivamente puede ensayarse, por ejemplo, buscando una reducción del número de roturas de cadena infligidas al ADN mediante luz, en presencia de partículas o composiciones de filtrado de UV conforme a la presente invención, comparado con el número de roturas de cadena observadas en ADN tras tratamiento con partículas usadas en composiciones de filtros solares convencionales y luz, o con luz sola.

Las composiciones conforme a la presente invención pueden encontrar aplicación como pinturas, plásticos, revestimientos, pigmentos, colorantes, y son particularmente preferidas para usar en composiciones para aplicación tópica, especialmente, por ejemplo, filtros solares.

El tamaño medio de partícula primaria de las partículas es desde 1 hasta 100 nm, preferiblemente desde aproximadamente 1 hasta 50 nm, y lo más preferiblemente desde aproximadamente 20 hasta 50 nm. Por ejemplo, en filtros solares el tamaño de partícula se elige preferiblemente para evitar la coloración del producto final. Con este fin, pueden preferirse especialmente partículas de aproximadamente 50 nm o menos, por ejemplo, partículas de aproximadamente 3 a 20 nm, preferiblemente de aproximadamente 3 a 10 nm, más preferiblemente de aproximadamente 3 a 5 nm.

Cuando las partículas son sustancialmente esféricas, entonces se considerará que el tamaño de partícula representa el diámetro. Sin embargo, la invención también incluye partículas que no son esféricas, y en tales casos el tamaño de partícula se refiere a la dimensión más grande.

La presente invención proporciona por lo tanto composiciones de filtrado de UV que comprenden partículas que contienen sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia. Se entenderá por sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia iones extraños diseñados para capturar los electrones y huecos cargados positivamente, e inhibir por lo tanto la migración.

Las partículas de la presente invención comprenden una red cristalina anfitriona que incorpora un segundo componente para proporcionar los sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia. La red cristalina anfitriona es de TiO_{2} y ZnO. El segundo componente que puede, por ejemplo, seleccionarse conforme a criterios tales como tamaño iónico, es cromo o manganeso. Preferiblemente, el cromo está en el estado 3+. Las partículas preferidas conforme a la presente invención comprenden una red cristalina anfitriona de dióxido de titanio dopada con iones de manganeso en el estado 3+.

La cantidad óptima del segundo componente en la red cristalina anfitriona puede determinarse mediante una experimentación sistemática. Se apreciará que la cantidad del segundo componente puede depender del uso de la composición de filtrado de UV. Por ejemplo, en composiciones de filtrado de UV para aplicación tópica, puede ser deseable que la cantidad del segundo componente en la red cristalina anfitriona sea baja, para que las partículas no estén coloreadas. En el caso de dióxido de titanio dopado con iones de manganeso en el estado 3+, se ha mostrado que manganeso al 0,5% en la red cristalina anfitriona de dióxido de titanio es eficaz para reducir la tasa de daños en el ADN infligidos por luz solar simulada. Sin embargo, pueden usarse también cantidades tan bajas como 0,1% o inferior, por ejemplo, 0,05%, o tan altas como 1% o superior, por ejemplo 5% o 10%.

Los iones dopantes pueden incorporarse dentro de la red cristalina anfitriona mediante una técnica de cocción típicamente desde 600ºC hasta 1000ºC. De este modo, por ejemplo, pueden obtenerse estas partículas de una manera conocida, combinando una red cristalina anfitriona con un segundo componente para proporcionar sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia.

Se concibe que el mecanismo de desexcitación de estas partículas es la captura de los electrones y los huecos, para que no puedan migrar a la superficie de las partículas y reaccionar con especies absorbidas.

Las partículas de la presente invención pueden tener un revestimiento inorgánico u orgánico. Por ejemplo, las partículas pueden estar revestidas con óxidos de elementos tales como aluminio, circonio o silicio. Las partículas de óxido metálico pueden estar revestidas también con uno o más materiales orgánicos tales como polialcoholes, aminas, alcanolaminas, compuestos orgánicos poliméricos de silicio, por ejemplo, RSi[OSi(Me)_{2}xOR^{1}]_{3}, en los que R es alquilo C_{1}-C_{10}, R^{1} es metilo o etilo, y x es un número entero desde 4 hasta 12, polímeros hidrófilos tales como poliacrilamida, poli(ácido acrílico), carboximetilcelulosa y goma xantana, o tensioactivos tales como, por ejemplo, TOPO.

Como se ha indicado anteriormente, las composiciones de la invención pueden usarse en un amplio intervalo de aplicaciones en las que se desea un filtrado de UV, pero son particularmente preferidas para aplicación tópica. Las composiciones para aplicación tópica pueden ser, por ejemplo, composiciones cosméticas, composiciones para proteger el pelo, o preferiblemente filtros solares. Las composiciones de la presente invención pueden emplearse como cualquier formulación convencional que proporcione protección frente a la luz UV.

En composiciones para aplicación tópica, los óxidos metálicos están presentes preferiblemente en una concentración de aproximadamente 0,5 a 10% en peso, preferiblemente de aproximadamente 3 a 8% en peso, y más preferiblemente de aproximadamente 5 a 7% en peso. Tales composiciones pueden comprender una o más de las composiciones de la presente invención.

Las composiciones para aplicación tópica pueden estar en forma de lociones, por ejemplo, lociones espesas, geles, dispersiones vesiculares, cremas, leches, polvos, barras sólidas, y pueden estar opcionalmente envasadas como aerosoles y proporcionadas en forma de espumas o pulverizaciones.

Las composiciones pueden contener, por ejemplo, sustancias grasas, disolventes orgánicos, siliconas, espesantes, emolientes, otros agentes que son filtros solares de UVA, UVB, o de banda ancha, agentes antiespumantes, agentes hidratantes, perfumes, conservantes, agentes tensioactivos, cargas, secuestrantes, polímeros aniónicos, catiónicos, no iónicos o anfóteros, o sus mezclas, propulsores, agentes alcalinizantes o acidificantes, colorantes o pigmentos de óxido metálico con un tamaño de partícula desde 100 nm a 20000 nm tales como óxidos de hierro.

Los disolventes orgánicos pueden seleccionarse de alcoholes inferiores y polialcoholes tales como etanol, isopropanol, propilenglicol, glicerina y sorbitol.

Las sustancias grasas pueden consistir en un aceite o cera, o sus mezclas, ácidos grasos, ésteres de ácidos grasos, alcoholes grasos, vaselina, parafina, lanolina, lanolina hidrogenada, o lanolina acetilada.

Los aceites pueden seleccionarse de aceites animales, vegetales, minerales, o sintéticos, y especialmente de aceite de palma hidrogenado, aceite de ricino hidrogenado, aceite de vaselina, aceite de parafina, aceite de Purcelina, aceite de silicona e isoparafina.

Las ceras pueden seleccionarse de ceras animales, fósiles, vegetales, minerales, o sintéticas. Tales ceras incluyen ceras de abejas, de Carnauba, de Candelilla, de caña de azúcar o japonesa, ozoqueritas, cera de Montana, ceras microcristalinas, parafinas o ceras de silicona, y resinas.

Los ésteres de ácidos grasos son, por ejemplo, miristato de isopropilo, adipato de isopropilo, palmitato de isopropilo, palmitato de octilo, benzoatos de alcoholes grasos C_{12}-C_{15} ("FINSOLV TN" de FINETEX), alcohol mirístico oxipropilenado que contiene 3 moles de óxido de propileno ("WITCONOL APM" de WITCO), triglicéridos de ácido cáprico y caprílico ("MIGLYOL 812" de HULS).

Las composiciones pueden contener también espesantes que pueden seleccionarse de polímeros de ácido acrílico reticulados o sin reticular, y particularmente poli(ácidos acrílicos) que se reticulan usando un agente polifuncional, tal como los productos vendidos con el nombre "CARBOPOL" por la compañía GOODRICH, celulosa, derivados tales como metilcelulosa, hidroximetilcelulosa, hidroxipropil-metilcelulosa, sales sódicas de carboximetilcelulosa, o mezclas de alcohol cetilestearílico y alcohol cetilestearílico oxietilenado que contiene 33 moles de óxido de etileno.

Cuando las composiciones de la presente invención son filtros solares, pueden estar en forma de suspensiones o dispersiones en disolventes o sustancias grasas, o como emulsiones tales como cremas o leches, en forma de pomadas, geles, barras sólidas o espumas de aerosol. La emulsiones pueden contener además agentes tensioactivos aniónicos, no iónicos, catiónicos o anfóteros. Pueden proporcionarse también en forma de dispersiones vesiculares de lípidos anfifílicos iónicos o no iónicos preparadas conforme a procedimientos conocidos.

Las composiciones de la presente invención pueden prepararse asociando las partículas descritas anteriormente con un vehículo.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra la absorción de un fotón de luz UV por dióxido de titanio como se encuentra en filtros solares convencionales.

(Las figuras 2 y 3 están canceladas).

La figura 4 muestra la relajación de plásmidos provocada por TiO_{2} y ZnO iluminados, y la supresión mediante DMSO y manitol. En ambos cuadros, S, L y R muestran la migración de plásmido superenrollado, lineal y relajado. El cuadro superior muestra la relajación del plásmido encontrada después de iluminación con luz solar sola durante 0, 20, 40 y 60 min (líneas 1-4) y con TiO_{2} en forma de anatasa al 1% (líneas 5-8) o de rutilo al 1% (líneas 9-12) durante los mismos tiempos. Las líneas 13-18 muestran la iluminación con TiO_{2} de filtros solares SN8 durante 0, 5, 10, 20, 40 y 60 min. Los resultados son típicos de los encontrados con diversas muestras. El cuadro inferior muestra la iluminación con ZnO al 2% durante 0, 10, 20, 40 y 60 min antes (líneas 1-5) o después (líneas 6-10) de añadir DMSO; y con TiO_{2} de filtro solar al 0,0125% durante 0, 5, 10, 20, 40 y 60 min después de añadir DMSO 200 mM (líneas 11-16) o manitol 340 mM (líneas 17-22).

La figura 5 muestra el efecto de catalasa en daños infligidos por TiO_{2} iluminado, y la localización de lesiones en el ADN. El cuadro superior muestra ADN plasmídico que fue iluminado (véase figura 4) con TiO_{2} de filtro solar solo, durante 0, 20, 40 y 60 min (líneas 1-4) y durante los mismos tiempos (líneas 8-11) después de añadir 2,5 unidades/\mul de catalasa (0,1 mg/ml de proteína). Las líneas 5-7 muestran plásmido superenrollado, lineal y relajado. El cuadro inferior muestra la iluminación con TiO_{2} de filtro solar como anteriormente, después de añadir catalasa hervida (líneas 1-4) o 0,1 mg/ml de seroalbúmina bovina (líneas 8-11). El cuadro derecho muestra un fragmento de 426 pb de ADN bicatenario marcado en un extremo 5' que fue iluminado con TiO_{2} de filtro solar al 0,0125%, y muestras que se analizaron en un gel de secuenciación. Las líneas 1-4 muestran la iluminación durante 0, 20, 40 y 60 min. Las líneas 5-8 muestran la iluminación durante los mismos tiempos, seguido por tratamiento con N,N'-dimetiletilendiamina durante 30 min a 90ºC antes del análisis. Este reactivo desplaza muchos residuos dañados del ADN, y luego escinde la cadena de azúcar-fosfato, dejando extremos fosforilados homogéneos con una movilidad constante, aclarando de este modo el espectro de las lesiones generadas. Las líneas 9-10 muestran patrones didesoxi de secuenciación G y A.

La figura 6 muestra los daños infligidos en células humanas revelados por análisis de cometas. La fila A muestra cometas obtenidos usando rayos X de una fuente Gavitron RX30. La dosis fue de 8,9 Gy.min^{-1} y las células fueron expuestas sobre hielo durante 0, 15, 30 y 60 s, proporcionando cometas que cayeron en las cinco clases habituales principales mostradas. 1, clase 0; 2, clase I; 3, clase II; 4, clase III; 5, clase IV. Las filas B y C muestran ejemplos de cometas obtenidos usando luz solar simulada, fibroblastos MRC-5 y TiO_{2} de filtro solar (al 0,0125%). Para cada exposición, se puntuaron 100 células, y los cometas se clasificaron por comparación con los patrones (fila A). La fila B muestra: sin tratamiento (1); luz solar sola durante 20, 40 y 60 min (2-4); y el efecto de TiO_{2} en la oscuridad durante 60 min (5). La fila C muestra luz solar con TiO_{2} durante 0, 20, 40 y 60 min (1-4); y durante 60 min con TiO_{2} y DMSO 200 mM (5). Los cuadros resumen resultados de cinco experimentos independientes. D muestra que la luz solar sola inflige pocas roturas de cadena y/o sitios lábiles al álcali, y E que la inclusión de TiO_{2} cataliza estos daños.

(La figura 7 está cancelada)

La figura 8 muestra la degradación de ADN irradiado en presencia de dióxido de titanio dopado con manganeso. La figura muestra el número de roturas de cadena por plásmido encontradas durante iluminación con luz solar simulada, a una intensidad total, entre 290 y 400 nm, de 6 mW/cm^{2}. La luz sola infligió daños significativos (círculos). Con dióxido de titanio en forma de anatasa los daños fueron tan graves que no pudieron ser cuantificados exactamente. Con dióxido de titanio en forma de rutilo los daños fueron menores (cuadrados), pero todavía bastante intensos para sobrepasar la escala a tiempos tempranos. La presencia de manganeso redujo estos daños considerablemente. Tanto el manganeso al 0,1% (triángulos) como al 0,5% (cruces) tuvo efectos muy similares, reduciendo el índice de daños infligidos en aproximadamente 70%, pero un aumento hasta 1% (rombos) tuvo un efecto muy beneficioso, reduciendo los daños a niveles indetectables a las dosis de luz usadas.

Los ejemplos que siguen ilustran más a fondo la presente invención con referencia a las figuras.

Ejemplo comparativo

Oxidación química con preparaciones de dióxido de titanio

Se extrajeron muestras de TiO_{2} de filtros solares sin receta, lavando con disolventes orgánicos (acetonitrilo, acetona, cloroformo), y se determinaron sus contenidos en anatasa y rutilo mediante métodos de difracción de rayos X. Se obtuvieron patrones de anatasa y rutilo de Tioxide Group Services Ltd., Grimsby, UK. Las concentraciones de TiO_{2} se analizaron conforme al método de Codell [M. Codell, (1959), Analytical Chemistry of Titanium Metal and Compounds, Interscience, New York], usando patrones preparados de TiO_{2} puro (Aldrich); el coeficiente de extinción molar para el complejo se determinó como 827 M^{-1}.cm^{-1} a 404 nm. La degradación por foto-oxidación de fenol mediante TiO_{2} iluminado se siguió usando cromatografía líquida de alta presión [N. Serpone et al., (1996), J. Photochem. Photobiol. A: Chem 94, 191-203], para medir su desaparición, empleando procedimientos isocráticos a temperatura ambiente, en un cromatógrafo líquido Waters 501, equipado con un detector Waters 441 ajustado a 214 nm y un registrador HP 3396A. La columna fue Waters \muBONDAPAK C-18 de fase inversa, y la fase móvil fue una mezcla 50:50 de metanol (BDH de grado Omnisolv) y agua destilada/desionizada. Cada TiO_{2} de filtro solar se iluminó al 0,05% en peso en 58 ml de fenol (200 \muM en medio acuoso equilibrado con aire, Ph 5,5; el tiempo de retención del fenol en el cromatograma de HPLC fue de 5 min) usando una lámpara de Hg/Xe de 1000-W y un filtro de interferencia de 365 nm (\pm 10 nm), proporcionando un flujo lumínico, entre 310 y 400 nm, de aproximadamente 32 mW/cm^{-2}.

Se tomaron alícuotas apropiadas (1 ml) de la dispersión irradiada a diversos intervalos, y se filtraron a través de una membrana de 0,1 \mum, para retirar el TiO_{2} antes del análisis.

Iluminación de ADN in vitro

El simulador solar [J. Knowland et al., (1993), FEBS Lett. 324, 309-313] consiste en una lámpara sin ozono de 250-W, un filtro WG 320 y una lente de cuarzo, dando como resultado una fluencia estimada, entre 300 y 400 nm, de 12 mW/m^{-2}. El ADN fue el plásmido pBluescript II SK^{+} (Stratagene), preparado y analizado en geles de agarosa conforme a [T. Maniatis et al., (1982), Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY.]. Los patrones relajados fueron preparados por despurinación del plásmido en acetato sódico 25 mM, pH 4,8, a 70ºC durante 20 min, seguido por escisión con exonucleasa III a 37ºC [N. Serpone, (1997), Photochem. Photobiol. A. 104, 1] en Tris-HCl 50 mM, CaCl_{2} 5 mM (el Ca^{2+} inhibe la exonucleasa pero no la escisión en sitios apurínicos), DTT 0,2 mM, pH 8; los patrones lineales cortando con EcoRI. Los patrones auténticos de TiO_{2} (se confirmó mediante difracción de rayos X que eran anatasa 100% o rutilo 100%) se suspendieron al 2% en agua p/v; ZnO (Aldrich, <1 \mum) al 0,4% p/v. Se añadieron 25 \mul de cada uno a 25 \mul de plásmido (2-3 \mug de ADN) en fosfato sódico 100 mM, pH 7,4, y se iluminaron como gotículas (50 \mul) sobre portaobjetos para microscopio siliconizados situado sobre un bloque de latón incrustado en hielo. Un filtro solar que contenía sólo TiO_{2} (7% p/v) se agitó con agua en una agitadora vorticial y se centrifugó. El sedimento blanco se lavó 3 veces con una mezcla de cloroformo y metanol (1:1), luego con metanol solo, y se secó. El polvo se suspendió al 2% en agua, pero se depositó muy rápidamente, dejando un sobrenadante turbio con un contenido determinado de TiO_{2} de 0,025% p/w. Éste se mezcló con un volumen igual de ADN plasmídico en amortiguador, y se iluminó. Se analizaron roturas directas de cadena a partir de la conversión de plásmido superenrrollado en la forma relajada.

Iluminación de ADN in vivo (análisis de cometas)

Se iluminaron células humanas (fibroblastos MRC-5) sobre hielo, con o sin TiO_{2} de filtro solar (0,0125% en p/v). Se suprimió la lente, proporcionando una intensidad similar a la encontrada bajo el stratum corneum [Knowland, J. et al., (1993), FEBS Lett. 324, 309-313]. Se tomaron muestras a tiempos crecientes, se mantuvieron sobre hielo, y se analizaron al mismo tiempo. Para el análisis, las células se incluyeron en agarosa de bajo punto de fusión, se lisaron con Triton X-100 al 1%, se sometieron a electroforesis alcalina en gel, y se tiñeron con bromuro de etidio [P. W. Doetsch y R. P. Cunningham, (1990), Mutat. Res. 13, 3285-3304], y se clasificaron conforme a las cinco clases habituales principales [V. J. McKelvey-Martin et al., (1993), Mutat. Res. 228, 47-63].

La oxidación de materiales orgánicos con radicales de hidroxilo a partir de TiO_{2} iluminado puede examinarse de manera práctica siguiendo la oxidación de una molécula de ensayo tal como fenol [N. Serpone et al., (1996), J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 94, 191-203]. La tabla siguiente compara la degradación oxidativa del fenol mediante muestras de TiO_{2} de 10 filtros solares diferentes con la oxidación catalizada por rutilo puro y anatasa
pura.

TABLA Fotodegradación de fenol con muestras de TiO_{2}

Muestra	Proporción de	Fotodegradación de	Velocidad
	Anatasa/rutilo (%)	fenol (mmoles.h^{-1})	relativa
SN1^{a}	50/50	0,008 \pm 0,016	1,0
SN2	0/100	0,023 \pm 0,008	2,8
SN3	0/100	0,043 \pm 0,010	5,2
SN4	54/46	0,043 \pm 0,007	5,2
SN5	0/100	0,086 \pm 0,015	10,4
SN6	100/0	0,146 \pm 0,014	17,6
SN7^{a}	0/100	0,189 \pm 0,008	22,7
SN8	100/0	0,44 \pm 0,11	53,3
SN9	63/37	1,11 \pm 0,03	134

TABLA (continuación)

Muestra	Proporción de	Fotodegradación de	Velocidad
	Anatasa/rutilo (%)	fenol (mmoles.h^{-1})	relativa
SN10^{b}	0/100	1,50 \pm 0,04	180
Rutilo puro	0/100	3,55 \pm 0,12	427
Anatasa pura	100/0	31,6 \pm 0,8	3803
SN1-10 son filtros solares sin receta.
^{a}También contiene Al(OH)_{3}.
^{b}También contiene ZnO al 1,95%.

Todas las muestras de TiO_{2} oxidan fenol, pero la actividad no depende solamente del tipo de cristal. La muestra más activa, SN10, contiene también ZnO.

Los radicales de hidroxilo infligen roturas directas de cadena en el ADN, y para ensayar tales daños, se iluminaron plásmidos superenrollados con luz solar simulada y TiO_{2}. La figura 4 muestra que los plásmidos fueron convertidos en primer lugar en la forma relajada, y finalmente en la forma lineal, demostrando roturas de cadena. La luz solar sola tuvo muy poco efecto, mientras que la anatasa es más activa que el rutilo, coherente con las comparaciones fotoquímicas (tabla 1 y [A. Sclafani y J. M. Herrmann, (1996), J. Phys. Chem. 100, 13655-13661]. El TiO_{2} extraído de un filtro solar es también fotoactivo, y también lo es el ZnO puro. Las iluminaciones de los filtros solares contienen mucho menos TiO_{2} que las de anatasa y rutilo, sugiriendo que la variedad de los filtros solares es especialmente activa. Los daños se suprimieron mediante los extintores dimetilsulfóxido (DMSO) y manitol, sugiriendo que están causados en efecto por radicales de hidroxilo.

La figura 5 muestra (cuadro superior) que los daños se suprimieron muy poco mediante catalasa, pero también (cuadro inferior) que la catalasa inactivada por calor y la seroalbúmina bovina tienen efectos similares, sugiriendo que su limitada extinción se debió a la proteína presente más que a la actividad de la catalasa. La superóxido-dismutasa no suprimió tampoco los daños (datos no mostrados). Parece por lo tanto que las roturas de cadena no están provocadas por el superóxido (O_{2}^{.-}), una especie de oxígeno activo formada por reacción entre e^{-} (bc) y O_{2}, y no dependen de la formación intermedia de peróxido de hidrógeno por reacción entre 2 radicales ^{.}OH. Más bien, parecen ser debidas a un ataque directo por radicales de hidroxilo, lo cual es coherente con las indicaciones que los radicales de hidroxilo formados sobre TiO_{2} permanecen sobre la superficie de las partículas. Escindiendo ADN marcado en los extremos, se revelaron otras lesiones (cuadro derecho), principalmente en algunos, pero no todos, restos de guanina. Evidentemente, el daño en el ADN no está confinado a las roturas de cadena.

Los análisis de cometas (figura 6) muestran que el ADN en las células humanas es también dañado por TiO_{2} iluminado, coherente con endocitosis de TiO_{2}. La supresión mediante DMSO quiere decir de nuevo que el daño está provocado por radicales de hidroxilo. Estos análisis detectan roturas directas de cadena y sitios lábiles al álcali, y revelan la atribución de los daños al TiO_{2}.

De este modo, TiO_{2} y ZnO de filtros solares iluminados pueden provocar daños oxidativos al ADN, in vitro y en fibroblastos humanos cultivados. Esto tiene implicaciones importantes para el uso de composiciones convencionales para aplicaciones tópicas. Estudios autorradiográficos que usan ^{65}ZnO han sugerido que pasa a través de la piel de ratas y conejos, probablemente a través de los folículos pilosos, aunque la forma química del ^{65}Zn detectado bajo la piel (y por lo tanto de la forma que cruza la piel) no está clara. Algunos informes han planteado la posibilidad que el ZnO y TiO_{2} pigmentario pasan a través de la piel humana, y uno reciente sugiere que TiO_{2} micronizado en filtros solares también lo hace [M.-H. Tan et al., Austalas. J. Dermatol., (1996), 37, 185-187]. Por lo tanto, es importante caracterizar el destino y comportamiento fotoquímico de filtros solares, que naturalmente impiden los eritemas solares, porque también tienen la finalidad de reducir los cánceres de piel, que últimamente han aumentado de manera rápida.

Ejemplo 1

Se mezclaron dióxido de titanio (25 g) y nitrato de manganeso (II) (0,8 g) en agua desionizada (100 ml). La mezcla resultante se sometió a ultrasonidos durante 10 minutos, y luego se hirvió a sequedad. El material producido se calcinó a 700ºC durante 3 horas, para proporcionar dióxido de titanio dopado con manganeso al 1%. Se prepararon partículas de dióxido de titanio con diferentes niveles de dopante de manera análoga, variando la cantidad de nitrato de manganeso (II).

Se cree que se incorporan iones de manganeso 3+ (oxidados a partir de manganeso 2+ durante el hervor) dentro de la superficie de la red cristalina anfitriona de dióxido de titanio.

Ejemplo 2 Evaluación del efecto de variar el tanto por ciento de manganeso en una red cristalina anfitriona de dióxido de titanio

Se midió la capacidad de diferentes partículas de dióxido de titanio dopado con manganeso para dañar el ADN, usando los ensayos de formación de mellas ("nicking") en plásmidos descritos en el ejemplo comparativo anterior.

La figura 8 muestra que la luz solar simulada sola infligió daños significativos al ADN, como se reveló mediante la generación de roturas de cadena. Cuando aumentó el tanto por ciento de manganeso en la red cristalina anfitriona de dióxido de titanio, disminuyeron los daños en cuanto a roturas de cadena. Con un contenido en manganeso de 1%, los daños se impidieron casi completamente, y fueron significativamente inferiores a los daños infligidos por la luz sola.

De este modo, se cree que tales partículas pueden proteger el ADN de esta forma particular de daño. Las partículas pueden absorber fotones de luz que infligirían daños normalmente, y desvían su energía en procesos no dañinos. Las partículas pueden trabajar por captura del vehículo fotoexcitado o por conversión de la red cristalina anfitriona en tipo p mediante los iones dopantes. Se cree que estos mecanismos pueden estar conectados. Para partículas inferiores a 20 nm, el efecto de tamaño cuántico puede ayudar también en desplazar los potenciales de oxidorreducción.

Claims

1. Una composición de filtrado de UV que comprende partículas que son capaces de absorber luz UV, de modo que se forman electrones y huecos cargados positivamente dentro de las partículas, caracterizada porque las partículas: están adaptadas para reducir al mínimo la migración a la superficie de las partículas de los electrones y/o los huecos cargados positivamente, cuando dichas partículas están expuestas a luz UV en un entorno acuoso; y comprenden una red cristalina anfitriona de dióxido de titanio u óxido de zinc que incorpora un segundo componente para proporcionar sitios de captura y/o sitios de destrucción de luminiscencia, siendo dicho segundo componente manganeso en el estado 3+ o cromo, teniendo dichas partículas un tamaño medio de partícula primaria desde 1 hasta 100 nm, y un vehículo.

2. Una composición conforme a la reivindicación 1, en la que el cromo está en el estado 3+.

3. Una composición conforme a la reivindicación 1 ó 2, en la que las partículas comprenden una red cristalina anfitriona de dióxido de titanio dopada con iones de manganeso en el estado 3+.

4. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el segundo componente está presente en una cantidad desde aproximadamente 0,1 hasta 1%.

5. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el tamaño de las partículas es desde 1 hasta 50 nm.

6. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que las partículas tienen un revestimiento exterior.

7. Una composición conforme a la reivindicación 6, en la que el revestimiento exterior es de un óxido de aluminio, circonio, o silicio.

8. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que las partículas se obtienen cociendo dióxido de titanio y una sal del segundo componente a una temperatura de al menos 600ºC.

9. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el dióxido de titanio está en forma de rutilo.

10. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que es para aplicación tópica.

11. Una composición conforme a la reivindicación 10, que está formulada para uso cosmético.

12. Una composición conforme a la reivindicación 11, que es un filtro solar.

13. Una composición conforme a la reivindicación 11 ó 12, que comprende también al menos un agente que es un filtro solar de UVA, UVB, o de banda ancha.

14. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que es una composición de plásticos.

15. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que es una composición de pigmento o colorante.

16. Una composición conforme a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que es una composición de revestimiento.

17. Una composición conforme a la reivindicación 16, que es una pintura.

18. Las partículas como se definen en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, para uso en una composición de filtro solar para aplicación tópica, para filtrar radiación UV mientras se reduce al mínimo el daño al ADN del anfitrión.