Moisturizing mechanism of glycerol and diglycerol on human stratum corneum studied by synchrotron X‐ray diffraction

Polyols are moisturizers used in cosmetics. Using X-ray diffraction, we studied the moisturizingmechanism of polyol solutions in the stratum corneum (SC). We examined whether glycerol disrupts the ordered hydrocarbon chain packing structure in isolated SC, as previously proposed in an SC lipid model.The SC samples were prepared by treatment with water and aqueous solutions of glycerol, diglycerol and glycerol/diglycerol. To examine the differences in the water-retention efficiency of polyols, using a solution cell, we performed dynamic X-ray diffraction to analyse the structural changes that occurred during water removal from the hydrated samples by a stream of dry nitrogen gas. We focused on two structures, the orthorhombic hydrocarbon chain packing structure in the intercellular lipids and the soft keratin in the corneocytes where most of the water is stored.The spacing formed by the soft keratin in the corneocytes immersed in a solution of water and diglycerol solution decreased rapidly by water removal. In contrast, it decreased gradually in the corneocytes immersed in a solution of glycerol and glycerol/diglycerol, indicating that the glycerol-containing solutions maintained the hydrated state of the corneocytes for longer. Furthermore, the characteristic change of the spacing in the orthorhombic hydrocarbon chain packing structure over time was observed during the drying process. The hydrated state was maintained longer, in water, followed by glycerol, diglycerol and glycerol/diglycerol, in increasing order. This is the first study to report such characteristic properties that could be indicators of the capacity of the SC to regulate water.The dynamic X-ray diffraction experiment on the structure of the soft keratin and the orthorhombic hydrocarbon chain packing structure during the drying of the hydrated SC provides an insight into the moisturizing mechanism of the polyol solutions in the SC. The results show that the glycerol/diglycerol solution functions as an effective SC moisturizer at the molecular level. Further, it was confirmed that the behaviour of glycerol in the isolated SC varies from that proposed in the SC lipid model, wherein glycerol was proposed to prevent the formation of a regular hydrocarbon chain packing structure.OBJECTIF: les polyols sont des hydratants utilisés dans les cosmétiques. À l’aide de la diffractions des rayons X, nous avons étudié le mécanisme d’hydratation des solutions de polyols dans la couche cornée (stratum corneum, SC).Notre étude avait pour but de déterminer si le glycérol perturbe la structure d’empilement de la chaîne d’hydrocarbures ordonnée dans les SC isolés, comme proposé précédemment dans un modèle lipidique de SC. MÉTHODES: les échantillons de SC ont été préparés avec de l’eau et des solutions aqueuses de glycérol, de diglycérol et de glycérol/diglycérol. Pour examiner les différences d’efficacité de rétention d’eau des polyols à l’aide d’une cellule de solution, nous avons effectué une diffraction dynamique des rayons X pour analyser les changements structurels qui se sont produits pendant l’élimination de l’eau des échantillons hydratés par un flux d’azote sec. Nous avons mis l’accent sur deux structures, la structure d’empilement des chaînes d’hydrocarbures orthorhombiques dans les lipides intercellulaires et la kératine molle dans les cornéocytes où la majeure partie de l’eau est stockée. RÉSULTATS: l’espacement causé par la kératine molle dans les cornéocytes immergés dans une solution d’eau et de diglycérol a diminué rapidement en raison de l’élimination de l’eau. En revanche, il a diminué progressivement dans les cornéocytes immergés dans une solution de glycérol et de glycérol/diglycérol, ce qui indique que les solutions contenant du glycérol ont maintenu l’état hydraté des cornéocytes plus longtemps. De plus, la modification caractéristique de l’espacement dans la structure d’empilement de la chaîne d’hydrocarbures orthorhombique au fil du temps a été observée au cours du processus de séchage. L’état hydraté a été maintenu plus longtemps, dans l’eau, suivi par le glycérol, le diglycérol et le glycérol/diglycérol, dans un ordre croissant. C’est la première étude à faire état de telles propriétés caractéristiques qui pourraient être des indicateurs de la capacité du SC à réguler l’eau. CONCLUSION: l’expérience de diffraction dynamique des rayons X sur la structure de la kératine molle et la structure d’empilement de la chaîne d’hydrocarbures orthorhombique pendant le séchage du SC hydraté donne un aperçu du mécanisme hydratant des solutions de polyols dans le SC. Les résultats montrent que la solution de glycérol/diglycérol agit comme un hydratant de SC efficace au niveau moléculaire. De plus, il a été confirmé que le comportement du glycérol dans le SC isolé varie par rapport à celui proposé dans le modèle lipidique SC, où le glycérol a été proposé pour prévenir.