Formulering af clean beauty-produkter med ultralyd

Naturlige, økologiske ingredienser (INCI’er) kombineret med høj effektivitet og biotilgængelighed er kendetegnene ved innovative clean beauty-produkter. Sonikering anvendes som en yderst effektiv og pålidelig teknik til at blande, sammenblande, dispergere, nanoemulgere og nanoindkapsle kosmetiske ingredienser.

Hvorfor bør du bruge sonikering til dine clean beauty-produkter?

Blanding, sammenblanding, dispergering og emulgering af ingredienser samt indkapsling af bioaktive molekyler er centrale processer i fremstillingen af kosmetik-, hudpleje-, skønheds- og kosmeceutiske produkter. En pålidelig, effektiv og homogen udførelse af disse centrale processer er afgørende for at opnå kosmetiske produkter af høj kvalitet med øget virkning, potens og effektivitet i slutproduktet. Moderne højteknologiske ingredienser er højt udviklede stoffer, som kræver avanceret inkorporering i slutproduktet for at opnå de ønskede virkninger.

Sonikering – et bredt spektrum af anvendelser

Sonikering er en yderst effektiv og pålidelig teknik til homogenisering af væske-væske- og faststof-væske-suspensioner. Indkapsling af molekyler i lipidbaserede bærere i nanostørrelse (f.eks. liposomer, niosomer, faste lipidnanopartikler, nanostrukturerede lipidbærere, miceller osv.) er en anden vigtig anvendelse af højtydende ultralyd.
Sonikering kan anvendes i mange trin i produktionen af rene, helt naturlige, økologiske kosmetik-, skønheds- og hudplejeprodukter og forbedre effektiviteten af blandings- og indkapslingsprocesser. Da ultralydsblandere giver intens sammenblanding og homogenisering, kan brugen af kemiske tilsætningsstoffer, som almindeligvis tilsættes for at opnå længerevarende stabilitet og holdbarhed, minimeres eller helt undgås.
Sonikering giver dig en konkurrencefordel ved at levere overlegne resultater i en hurtig og effektiv proces, som resulterer i ensartede, homogene suspensioner. Dette påvirker produktstabilitet, holdbarhed og biokompatibilitet positivt.

Sonikering – en rent mekanisk behandling

Sonikering er en mild, ikke-termisk behandling, som ikke nedbryder råmaterialerne gennem varme. Mange ingredienser såsom lipider, bioaktive molekyler eller æteriske olier er varmefølsomme og har derfor stor gavn af kontrolleret behandling ved lav temperatur. Hielscher Ultrasonics’ apparater kan styres præcist, er nemme at justere og kan overvåges og betjenes via browserbaseret fjernstyring. Den intelligente software registrerer automatisk procesparametrene på et indbygget SD-kort. Disse funktioner letter proces- og kvalitetsstandardisering samt implementeringen af god fremstillingspraksis (GMP).

Sonikeringens funktionsprincip

Da sonikering er en rent mekanisk behandling, tilsættes der ingen kemiske tilsætningsstoffer, som ville være i modstrid med filosofien bag ren kosmetik. Ultralydsanvendelser såsom blanding, sammenblanding, emulgering, indkapsling og ekstraktion er baseret på funktionsprincippet akustisk kavitation.
Ultralydsbølger med høj effekt kobles ind i suspensionen via en ultralydsprocessor med sonde. Ultralydsbølger med høj energi bevæger sig gennem væsken og skaber skiftende højtryks- / lavtrykscyklusser, hvilket resulterer i fænomenet akustisk kavitation. Akustisk kavitation eller ultralydskavitation medfører lokalt ekstreme temperaturer, tryk, opvarmnings-/afkølingshastigheder, trykforskelle og høje forskydningskræfter i mediet. Når kavitationsbobler imploderer på overfladen af partikler eller dråber, skaber mikrostråler og kollisioner mellem partikler virkninger såsom afskalning af overfladen, erosion, partikelnedbrydning, sonoporation samt opbrydning af dråber og celler. Desuden skaber implosionen af kavitationsbobler i flydende medier makroturbulens og mikroblanding. Ultralydsbestråling er en effektiv måde at forbedre masseoverførselsprocesser på, da sonikering medfører kavitation og de tilknyttede mekanismer såsom mikrobevægelser forårsaget af væskestråler, kompression og dekompression i materialet med efterfølgende opbrydning af dråber samt høje opvarmnings- og afkølingshastigheder.
Ultralydsapparater med sonde kan generere meget høje amplituder, hvilket er nødvendigt for at skabe kraftig kavitation. Hielscher Ultrasonic fremstiller højtydende ultralydsprocessorer, som nemt kan skabe amplituder på 200µm ved kontinuerlig 24/7-drift. Til endnu højere amplituder tilbyder Hielscher særlige sonotroder (sonder) til høje amplituder.
Ultralydsreaktorer og flowceller, som kan tryksættes, bruges til at intensivere kavitationen. Med stigende tryk bliver kavitationen og de kavitationsbetingede forskydningskræfter mere destruktive og forbedrer dermed ultralydens virkninger.

Fordele ved sammenblanding og emulgering med ultralyd

Produktion af homogene blandinger, dispersioner, emulsioner og nanoemulsioner ved sonikering har vakt interesse hos udviklere af kosmetiske formuleringer på grund af den enestående energieffektivitet, behovet for enkle blandingsinstrumenter, den nemme systembetjening og, vigtigst af alt, de lave produktionsomkostninger. Blanding, sammenblanding og emulgering med ultralyd øger fleksibiliteten ved valg af overfladeaktivt stof og emulsioners indre strukturer. (jf. Marzuki et al. 2019)

Molekylstørrelsen har betydning

Molekyler i submikron- og nanostørrelse udviser en betydeligt øget transdermal permeationshastighed. Mens store molekyler ligger oven på huden og ikke kan trænge ind i huden på grund af deres størrelse, kan mindre molekyler passere gennem epidermis.
Det betyder, at de bioaktive forbindelser transporteres til dybere lag i dermis, hvor de kan udføre deres ”arbejde” ved at nære eller reparere huden.
Et fremtrædende eksempel på molekylstørrelsens betydning er hyaluronsyre, et langkædet molekyle. Hvis hyaluronsyren har en høj molekylvægt, kan den ikke passere gennem hudbarrieren og bliver liggende som en film på dens yderste lag. Hyaluronsyre med lav molekylvægt transporteres derimod til dybere hudlag, hvor den udfolder sine fugtgivende virkninger.
Et andet eksempel på partikelstørrelsens betydning er titandioxid og zinkoxid. Begge bruges som aktive ingredienser i naturlige solbeskyttelsesprodukter (f.eks. lotioner, fugtighedscremer, sprays). En ensartet lille partikelstørrelse er vigtig for at undgå tilstopning af hudens porer og dermed forebygge udbrud af urenheder. Desuden reduceres eller undgås solbeskyttelsesprodukternes hvidgørende og glansgivende effekt med mindre partikler.

Nanoemulgering med ultralyd bruges til at fremstille nanoemulsioner, liposomer og faste lipidnanopartikler med indkapslet indhold. Sonikering giver en snæver dråbestørrelsesfordeling og nanostrukturerede partikler.

Forbedret hudpenetration

Kemiske hudpenetrationsfremmere omfatter stoffer såsom l-α-lecithin, urinstof, fedtsyrer, ethanol og glykoler.

• Vesikulære hudpenetrationsfremmere omfatter vesikulære bærere såsom liposomer og niosomer. Vesikulære bærere er potente leveringssystemer til aktive molekyler. På grund af deres sammensætning har de den fordel, at de kan transportere både hydrofile og lipofile molekyler. Hydrofile molekyler indkapsles i den vandige kerne, og lipofile molekyler inkorporeres i lipidmembranen, som omgiver den vandige kerne. Da vesikelvæggene består af henholdsvis fosfolipiddobbeltlag i liposomer og syntetiske overfladeaktive stoffer i niosomer, er vesiklerne vandopløselige og dermed yderst biokompatible.
  Læs mere om liposomer fremstillet med ultralyd!
• Enzymatiske hudpenetrationsfremmere omfatter enzymer såsom HMGCoA-reduktase og acetyl-CoA-carboxylase, som hæmmer centrale enzymer i epidermal lipidsyntese og ændrer det kritiske molforhold mellem de centrale lipider i stratum corneum.
• Urinstof, også kendt som carbamid, bruges til at øge optagelsen af andre aktive kosmetiske ingredienser, da det øger hudens permeabilitet.

Ultralydsforbedret biotilgængelighed af aktive stoffer i hudpleje

Biotilgængeligheden defineres som den penetrationshastighed, hvormed en aktiv forbindelse når sit virkningssted. Den såkaldte fluxhastighed eller mængden af aktivt stof, der trænger igennem over tid, bestemmes i mikrogram/cm²/time. For aktive ingredienser i kosmetiske produkter er en ingrediens’ tilsigtede virkningssted normalt den nedre epidermis. Undtagelser er aktive stoffer såsom zinkoxid eller titandioxid, almindelige ingredienser i solbeskyttelseslotioner og -sprays, da disse stoffer har deres virkningssted på hudens overflade, hvor partiklerne kan udfolde deres maksimale UV-absorptionskapacitet.
Biotilgængeligheden af aktive ingredienser påvirkes i høj grad af de typer kosmetiske formuleringer, der anvendes. Almindelige formuleringer i skønhedsprodukter og produkter til personlig pleje er olie-i-vand-emulsioner (O/W), vand-i-olie-emulsioner (W/O), vand-i-olie-i-vand-emulsioner (W/O/W), polyol-i-olie-emulsioner samt hydrogeler. (Polyoler, som bruges i naturlige kosmetiske formuleringer, er sorbitol, mannitol osv.).

Fremstilling af en emulsion med ultralyd (rødt vand / gul olie). Få sekunders sonikering omdanner de adskilte vand-/oliefaser til en fin emulsion.

Sonikering til øget hudpermeabilitet

Hudens permeabilitet og dermed biotilgængeligheden af kosmetiske aktive stoffer og kosmeceutiske produkter kan øges enten ved at påvirke hudbarrieren eller ved at øge de aktive molekylers opløselighed.
For at reducere hudbarrieren og lette transporten af de aktive molekyler til den nedre epidermis kan en lang række stoffer såsom opløsningsmidler, fosfolipider og vesikler af overfladeaktive stoffer fremstillet af fosfolipider samt eksfolierende midler forbedre aktive stoffers penetration til dybere hudlag.

• De anvendte opløsningsmidler omfatter dimethylisosorbid, ethoxydiglycol, ethanol og oliesyre. Disse opløsningsmidler er yderst kompatible med blandings-, sammenblandings- og emulgeringsprocesser med ultralyd.
• Fosfolipider er velkendte for at forbedre både olie- og vandopløselige molekylers penetration gennem huden. Almindeligt anvendte fosfolipider er lecithin, hydrogeneret lecithin, lysolecithin og tocopherylfosfat. De har gavn af ultralydsbehandling, da sonikering fordeler fosfolipiderne jævnt i suspensionen.
• Vesikler af overfladeaktive stoffer: Overfladeaktive stoffer kan danne multilamellære og unilamellære vesikler med aktive stoffer. Liposomer og faste lipidnanopartikler er fremtrædende eksempler på hudpenetrerende vesikler, som transporterer bioaktive forbindelser til målsteder. Sonikering er den mest effektive og virkningsfulde metode til at fremstille liposomer, nanoliposomer og faste lipidnanopartikler (SLNs) med et højt indhold af aktive stoffer, høj indkapslingseffektivitet (%EE), stabilitet og biotilgængelighed.
• Kemiske eksfolierende midler omfatter mælkesyre, glykolsyre, salicylsyre og N-acetyl-glucosamin. Mekaniske peelinger omfatter meget små slibende partikler fra trækul, kokosflager eller kaffescrub. Alle disse stoffer kan dispergeres effektivt ved sonikering.

Opløseligheden af aktive ingredienser i kosmetik kan øges ved hjælp af inklusionskomplekser, indkapsling, submikron-/nanoemulsioner samt effektiv solubilisering i formuleringen.

• Inklusionskompleksdannelse med cyclodextriner (såsom alfa-, gamma- og hydroxypropyl-beta-cyclodextrin) opnås ved sonikering. Cyclodextrinkomplekser har et hulrum, hvor bioaktive ingredienser indkapsles. Indkapslingen / kompleksdannelsen gør de aktive forbindelser vandopløselige og dermed biotilgængelige. Læs mere om infusionskompleksdannelse med ultralyd!
• Fytoglykogen er en plantebaseret kulhydratnanopartikel (polysaccharid) med høj densitet og et hulrum, som kan indkapsle mange forskellige typer aktive stoffer. Fytoglykogenoctenylsuccinat (PG-OS) er en amfifil kulhydratnanopartikel, hvis tilsætning giver emulsioner høj oxidativ stabilitet af lipiderne. Emulgering med ultralyd forbedrer dannelsen af homogene, stabile fytoglykogenemulsioner.
• Submikron- og nanoemulsioner bruges som meget små leveringssystemer, som gør forbindelserne vandopløselige og muliggør transport af de aktive ingredienser til målstedet. Dråbernes lille størrelse på nanoskala øger permeabiliteten gennem hudbarrieren til dybere hudlag.
• Stærkt polære blødgørende stoffer bruges almindeligvis i formuleringer til at solubilisere hydrofobe / vanduopløselige ingredienser, da kun få aktive stoffer er upolære. Følgende stærkt polære blødgørende stoffer bruges hyppigt: isopropyllauroylsarcosinat, lauryllactat, phenylethylbenzoat, dioctylmaleat og dioctylisosorbid. Forskellige typer solbeskyttelsesmidler er også kendt som penetrationsfremmere. Blanding og dispergering med ultralyd sikrer en homogen blanding af polære blødgørende stoffer og aktive ingredienser.

Højtydende ultralydsblandere til clean beauty-produkter

Som en rent mekanisk blandingsbehandling kan sonikering bruges til produktion af alle slags certificerede naturlige kosmetiske produkter. Hielscher Ultrasonics’ systemer er pålidelige maskiner, som bruges til produktion af kosmetik og terapeutiske produkter af høj kvalitet for at formulere nanoemulgerede og liposomalt indkapslede bioaktive forbindelser med overlegen optagelseshastighed og biokompatibilitet. For at imødekomme kundernes krav leverer Hielscher ultralydsapparater lige fra den kompakte håndholdte laboratoriehomogenisator og ultralydsapparater til bordbrug til ultralydssystemer i fuld industriel skala til produktion af store mængder kosmetiske formuleringer. Processer til formulering af kosmetik og kosmeceutiske produkter med ultralyd kan udføres batchvis eller som en kontinuerlig inline-proces med en ultralydsgennemstrømningsreaktor. Et bredt udvalg af ultralydssonotroder (sonder) og reaktorbeholdere er tilgængeligt for at sikre en optimal opsætning til din liposomproduktion. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift under høj belastning i krævende miljøer og sikrer en lang levetid for maskinerne.
Den præcise styring af alle vigtige procesparametre såsom amplitude, tryk, temperatur og sonikeringstid gør ultralydsprocessen pålidelig og reproducerbar. Hielscher Ultrasonics kender betydningen af en vedvarende høj produktkvalitet og støtter kosmetikproducenter i at implementere processtandardisering og GMP (god fremstillingspraksis) gennem intelligent software og automatisk dataregistrering. Vores digitale ultralydshomogenisatorer registrerer automatisk alle ultralydsprocesparametre på et indbygget SD-kort. Digitale berøringsskærme og browserbaseret fjernstyring giver mulighed for kontinuerlig procesovervågning og gør det muligt at justere procesparametrene præcist, når det er nødvendigt. Dette letter procesovervågning og kvalitetskontrol betydeligt.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: