Formulace produktů clean beauty pomocí ultrazvuku

Přírodní, organické složky (INCI) v kombinaci s vysokou účinností a biologickou dostupností jsou charakteristickými znaky inovativních produktů clean beauty. Sonikace ultrazvukem se používá jako vysoce účinná a spolehlivá technika k míchání, mísení, dispergaci, nanoemulgaci a nanoenkapsulaci kosmetických složek.

Proč byste měli pro své produkty clean beauty používat sonikaci ultrazvukem?

Míchání, mísení, dispergace a emulgace složek a enkapsulace bioaktivních molekul jsou klíčovými procesy při výrobě kosmetických přípravků, přípravků péče o pleť, skrášlujících přípravků a kosmeceutik. Spolehlivé, účinné a homogenní provedení těchto klíčových procesů je zásadní pro získání vysoce kvalitních kosmetických přípravků se zvýšenými účinky, potencí a účinností finálního produktu. Moderní high-tech složky jsou vysoce vyvinuté látky, které pro dosažení požadovaných účinků vyžadují sofistikované začlenění do finálního produktu.

Sonikace – široké spektrum aplikací

Sonikace je vysoce účinná a spolehlivá technika homogenizace suspenzí kapalina-kapalina a pevná látka-kapalina. Enkapsulace molekul do lipidových nosičů nanometrické velikosti (např. lipozomů, niozomů, pevných lipidových nanočástic, nanostrukturovaných lipidových nosičů, micel atd.) je další důležitou aplikací vysoce výkonného ultrazvuku.
Sonikaci ultrazvukem lze uplatnit v mnoha krocích výroby čistých, zcela přírodních, organických kosmetických a skrášlujících přípravků a přípravků péče o pleť a zvýšit tak účinnost aplikací míchání a enkapsulace. Protože ultrazvukové mixéry zajišťují intenzivní mísení a homogenizaci, lze použití chemických aditiv, která se běžně přidávají k dosažení delší stability a trvanlivosti, minimalizovat nebo se mu zcela vyhnout.
Sonikace Vám poskytuje konkurenční výhodu tím, že v rychlém a účinném procesu přináší vynikající výsledky v podobě jednotných, homogenních suspenzí. To pozitivně ovlivňuje stabilitu produktu, trvanlivost a biokompatibilitu.

Sonikace – čistě mechanické zpracování

Ultrazvukové zpracování je šetrné, netermální zpracování, které suroviny nedegraduje teplem. Mnoho složek, jako jsou lipidy, bioaktivní molekuly nebo esenciální oleje, je citlivých na teplo, a proto velmi těží z řízeného zpracování za nízké teploty. Zařízení Hielscher Ultrasonics jsou přesně řiditelná, snadno nastavitelná a lze je monitorovat a ovládat prostřednictvím dálkového ovládání přes prohlížeč. Inteligentní software automaticky zaznamenává procesní parametry na vestavěnou SD kartu. Tyto vlastnosti usnadňují standardizaci procesů a kvality i zavádění správné výrobní praxe (GMP).

Princip fungování sonikace

Protože sonikace je čistě mechanické zpracování, nepřidávají se žádné chemické přísady, které by byly v rozporu s filozofií čisté kosmetiky. Ultrazvukové aplikace, jako je míchání, mísení, emulgace, enkapsulace a extrakce, jsou založeny na principu akustické kavitace.
Vysoce výkonné ultrazvukové vlny se do suspenze přenášejí pomocí ultrazvukového procesoru sondového typu. Vysoce energetické ultrazvukové vlny procházejí kapalinou a vytvářejí střídavé cykly vysokého/nízkého tlaku, což vede k jevu akustické kavitace. Akustická neboli ultrazvuková kavitace vede lokálně k extrémním teplotám, tlakům, rychlostem ohřevu/ochlazování, tlakovým rozdílům a vysokým smykovým silám v médiu. Když kavitační bubliny implodují na povrchu částic nebo kapiček, mikroproudy a srážky mezi částicemi vyvolávají účinky, jako je odlupování povrchu, eroze, rozpad částic, sonoporace a také rozrušení kapiček a dezintegrace buněk. Imploze kavitačních bublin v kapalných médiích navíc vytváří makroturbulence a mikromíchání. Ultrazvukové ozařování představuje účinný způsob, jak zintenzivnit procesy přenosu hmoty, protože sonikace vede ke kavitaci a s ní souvisejícím mechanismům, jako je mikropohyb vyvolaný proudy kapaliny, komprese a dekomprese v materiálu s následným rozrušením kapiček, jakož i vysoké rychlosti ohřevu a ochlazování.
Sondové sonikátory mohou generovat velmi vysoké amplitudy, které jsou nezbytné k vytvoření účinné kavitace. Hielscher Ultrasonic vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové procesory, které snadno dosahují amplitud 200µm v nepřetržitém provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy nabízí Hielscher speciální vysokoamplitudové sonotrody (sondy).
K zintenzivnění kavitace se používají natlakovatelné ultrazvukové reaktory a průtokové cely. S rostoucím tlakem se kavitace a kavitační smykové síly stávají destruktivnějšími, a tím zlepšují ultrazvukové účinky.

Výhody ultrazvukového mísení a emulgace

Výroba homogenních směsí, disperzí, emulzí a nanoemulzí pomocí sonikace vzbudila zájem formulátorů kosmetiky díky své výjimečné energetické účinnosti, potřebě pouze jednoduchých míchacích přístrojů, snadné manipulaci se systémem a především nízkým výrobním nákladům. Ultrazvukové míchání, mísení a emulgace zvyšují flexibilitu při volbě povrchově aktivní látky a vnitřních struktur emulzí. (srov. Marzuki et al. 2019)

Na velikosti molekul záleží

Submikronové a nanometrické molekuly vykazují výrazně zvýšenou rychlost transdermální permeace. Zatímco velké molekuly zůstávají na povrchu pokožky a kvůli své velikosti do ní nemohou proniknout, menší molekuly jsou schopny projít epidermis.
To znamená, že bioaktivní sloučeniny jsou transportovány do hlubších vrstev kůže, kde mohou plnit svou „práci“ tím, že pokožku vyživují nebo obnovují.
Významným příkladem důležitosti velikosti molekul je kyselina hyaluronová, molekula s dlouhým řetězcem. Má-li kyselina hyaluronová vysokou molekulovou hmotnost, nemůže projít kožní bariérou a zůstává jako film na její vnější vrstvě. Nízkomolekulární kyselina hyaluronová je naopak transportována do hlubších vrstev kůže, kde rozvíjí své hydratační účinky.
Dalším příkladem důležitosti velikosti částic jsou oxid titaničitý a oxid zinečnatý. Oba se používají jako účinné látky v přírodních opalovacích přípravcích (např. mlécích, hydratačních přípravcích, sprejích). Jednotně malá velikost částic je důležitá, aby se zabránilo ucpávání pórů pokožky, a tím vzniku pupínků. Kromě toho se u menších částic bělicí a lesklý efekt opalovacích přípravků snižuje nebo se mu lze zcela vyhnout.

Ultrazvuková nanoemulgace se používá k výrobě plněných nanoemulzí, lipozomů a pevných lipidových nanočástic. Sonikace vytváří úzkou distribuci velikosti kapiček a nanostrukturované částice.

Zlepšená penetrace do pokožky

Mezi chemické látky zlepšující penetraci do pokožky patří materiály jako l-α-lecitin, močovina, mastné kyseliny, ethanol a glykoly.

• Mezi vezikulární látky zlepšující penetraci do pokožky patří vezikulární nosiče, jako jsou lipozomy a niozomy. Vezikulární nosiče jsou účinné transportní systémy pro aktivní molekuly. Díky svému složení nabízejí výhodu, že mohou nést hydrofilní i lipofilní molekuly. Hydrofilní molekuly jsou enkapsulovány do vodného jádra a lipofilní molekuly jsou začleněny do lipidové membrány obklopující vodné jádro. Protože stěny vezikul jsou tvořeny fosfolipidovými dvojvrstvami u lipozomů, resp. syntetickými povrchově aktivními látkami u niozomů, jsou vezikuly rozpustné ve vodě, a tím vysoce biokompatibilní.
  Přečtěte si více o lipozomech vyráběných ultrazvukem!
• Mezi enzymatické látky zlepšující penetraci do pokožky patří enzymy jako HMGCoA reduktáza a acetyl CoA karboxyláza, které inhibují klíčové enzymy syntézy epidermálních lipidů a mění kritický molární poměr klíčových lipidů stratum corneum.
• Močovina, známá také jako karbamid, se používá ke zlepšení absorpce dalších aktivních kosmetických složek, protože zvyšuje propustnost pokožky.

Ultrazvukem zlepšená biologická dostupnost účinných látek v péči o pleť

Biologická dostupnost je definována jako rychlost penetrace, s níž účinná látka dosáhne místa svého působení. Takzvaná rychlost toku neboli množství účinné látky pronikající v čase se stanovuje v mikrogramech/cm²/hodinu. U účinných látek v kosmetických přípravcích je cílovým místem působení složky obvykle spodní epidermis. Výjimkou jsou účinné látky, jako je oxid zinečnatý nebo oxid titaničitý, běžné složky opalovacích mlék a sprejů, protože tyto látky působí na povrchu pokožky, kde mohou částice rozvinout svou maximální schopnost absorpce UV záření.
Biologická dostupnost účinných látek je silně ovlivněna typem použitých kosmetických formulací. Běžnými formulacemi ve skrášlujících přípravcích a přípravcích osobní péče jsou emulze olej ve vodě (O/W), emulze voda v oleji (W/O), emulze voda v oleji ve vodě (W/O/W), emulze polyol v oleji a také hydrogely. (Polyoly používané v přírodních kosmetických formulacích jsou sorbitol, mannitol atd.).

Ultrazvuková příprava emulze (červená voda / žlutý olej). Několik sekund sonikace přemění oddělené fáze voda/olej v jemnou emulzi.

Sonikace pro zvýšení propustnosti pokožky

Propustnost pokožky, a tím i biologickou dostupnost kosmetických účinných látek a kosmeceutik, lze zvýšit buď ovlivněním kožní bariéry, nebo zvýšením rozpustnosti aktivních molekul.
Aby se snížila kožní bariéra a usnadnil transport aktivních molekul do spodní epidermis, mohou penetraci účinných látek do hlubších vrstev kůže zlepšit rozmanité látky, jako jsou rozpouštědla, fosfolipidy a vezikuly povrchově aktivních látek vyrobené z fosfolipidů, jakož i exfolianty.

• Mezi používaná rozpouštědla patří dimethyl isosorbid, ethoxydiglykol, ethanol a kyselina olejová. Tato rozpouštědla jsou vysoce kompatibilní s procesy ultrazvukového míchání, mísení a emulgace.
• Fosfolipidy jsou dobře známé tím, že zlepšují penetraci molekul rozpustných v oleji i ve vodě do pokožky. Běžně používanými fosfolipidy jsou lecitin, hydrogenovaný lecitin, lysolecitin a tokoferylfosfát. Těží z ultrazvukového zpracování, protože sonikace rovnoměrně rozptýlí fosfolipidy v suspenzi.
• Vezikuly povrchově aktivních látek: Povrchově aktivní látky mohou s účinnými látkami vytvářet multilamelární a unilamelární vezikuly. Lipozomy a pevné lipidové nanočástice jsou významnými příklady vezikul pronikajících do pokožky, které transportují bioaktivní sloučeniny do cílových míst. Sonikace ultrazvukem je nejúčinnější a nejefektivnější metodou výroby lipozomů, nanolipozomů a pevných lipidových nanočástic (SLN) s vysokým obsahem účinné látky, účinností enkapsulace (%EE), stabilitou a biologickou dostupností.
• Mezi chemické exfolianty patří kyselina mléčná, glykolová a salicylová a N-acetyl-glukosamin. Mezi mechanické peelingy patří drobné abrazivní částice z dřevěného uhlí, kokosových vloček nebo kávového scrubu. Všechny tyto látky lze účinně dispergovat pomocí ultrazvuku.

Rozpustnost účinných látek v kosmetice lze zvýšit inkluzními komplexy, enkapsulací, submikronovými/nanoemulzemi a také účinnou solubilizací do formulace.

• Inkluzní komplexace pomocí cyklodextrinů (jako je alfa-, gama-, hydroxypropyl beta-cyklodextrin) se dosahuje sonikací ultrazvukem. Komplexy cyklodextrinů mají dutinu, do které jsou enkapsulovány bioaktivní složky. Enkapsulace / komplexace činí účinné sloučeniny rozpustnými ve vodě, a tím biologicky dostupnými. Přečtěte si více o ultrazvukové infuzní komplexaci!
• Fytoglykogen je rostlinná sacharidová (polysacharidová) nanočástice s vysokou hustotou, která má dutinu schopnou enkapsulovat mnoho různých typů účinných látek. Fytoglykogen-oktenylsukcinát (PG-OS) je amfifilní sacharidová nanočástice, jejíž přídavek dodává emulzím vysokou oxidační stabilitu lipidů. Ultrazvuková emulgace zlepšuje tvorbu homogenních, stabilních fytoglykogenových emulzí.
• Submikronové emulze a nanoemulze se používají jako drobné transportní systémy, které činí sloučeniny rozpustnými ve vodě a umožňují transport účinných látek do cílového místa. Malá nanometrická velikost kapiček zvyšuje propustnost kožní bariérou do hlubších vrstev kůže.
• Vysoce polární emoliencia se ve formulacích běžně používají k solubilizaci hydrofobních / ve vodě nerozpustných složek, protože jen málo účinných látek je nepolárních. Často se používají tato vysoce polární emoliencia: isopropyl lauroyl sarkosinát, lauryl laktát, fenyl ethyl benzoát, dioktyl maleát a dioktyl isosorbid. Také různé typy opalovacích přípravků jsou známé jako látky zlepšující penetraci. Ultrazvukové míchání a dispergace zajišťují homogenní směs polárních emoliencií a účinných látek.

Vysoce výkonné ultrazvukové mixéry pro produkty clean beauty

Jako čistě mechanické míchací zpracování lze sonikaci použít při výrobě všech druhů certifikovaných přírodních kosmetických přípravků. Systémy Hielscher Ultrasonics jsou spolehlivé stroje, které se používají při výrobě vysoce kvalitní kosmetiky a terapeutik k formulaci nanoemulgovaných a lipozomálně enkapsulovaných bioaktivních sloučenin s vynikající rychlostí absorpce a biokompatibilitou. Aby vyhověla požadavkům svých zákazníků, dodává společnost Hielscher sonikátory od kompaktních ručních laboratorních homogenizátorů a stolních sonikátorů až po plně průmyslové ultrazvukové systémy pro výrobu velkých objemů kosmetických formulací. Procesy ultrazvukové formulace kosmetiky a kosmeceutik lze provozovat vsádkově nebo jako kontinuální inline proces s použitím ultrazvukového průtokového reaktoru. K dispozici je široká škála ultrazvukových sonotrod (sond) a reaktorových nádob, které zajistí optimální sestavu pro Vaši výrobu lipozomů. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení v náročných prostředích a zajišťuje dlouhou životnost strojů.
Přesné řízení všech důležitých procesních parametrů, jako je amplituda, tlak, teplota a doba sonikace, činí ultrazvukový proces spolehlivým a reprodukovatelným. Společnost Hielscher Ultrasonics si je vědoma významu trvale vysoké kvality produktů a podporuje výrobce kosmetiky při zavádění standardizace procesů a GMP (správné výrobní praxe) pomocí inteligentního softwaru a automatického záznamu dat. Naše digitální ultrazvukové homogenizátory automaticky zaznamenávají všechny parametry ultrazvukového procesu na vestavěnou SD kartu. Digitální dotykové displeje a dálkové ovládání přes prohlížeč umožňují nepřetržité monitorování procesu a přesné nastavení procesních parametrů, kdykoli je to potřeba. To výrazně usnadňuje monitorování procesu a kontrolu kvality.
Níže uvedená tabulka Vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: