Formulierung von Clean-Beauty-Produkten mit Ultraschall

Natürliche Inhaltsstoffe aus biologischem Anbau (INCIs), kombiniert mit hoher Wirksamkeit und Bioverfügbarkeit, zeichnen innovative Clean-Beauty-Produkte aus. Die Ultraschallbehandlung wird als hocheffizientes und zuverlässiges Verfahren zum Mischen, Vermengen, Dispergieren, Nanoemulgieren und Nanoverkapseln kosmetischer Inhaltsstoffe eingesetzt.

Warum sollten Sie Ultraschall für Ihre Clean-Beauty-Produkte einsetzen?

Das Mischen, Vermengen, Dispergieren und Emulgieren von Inhaltsstoffen sowie die Verkapselung bioaktiver Moleküle sind zentrale Prozesse bei der Herstellung von Kosmetik-, Hautpflege-, Beauty- und kosmezeutischen Produkten. Die zuverlässige, effiziente und homogene Durchführung dieser Kernprozesse ist entscheidend, um hochwertige kosmetische Produkte mit gesteigerter Wirkung, Wirkstärke und Effizienz des Endprodukts zu erhalten. Moderne Hightech-Inhaltsstoffe sind hochentwickelte Substanzen, die anspruchsvolle Verfahren zur Einarbeitung in das Endprodukt erfordern, damit sie die gewünschten Wirkungen erzielen.

Ultraschallbehandlung – Ein breites Anwendungsspektrum

Die Ultraschallbehandlung ist ein hocheffizientes und zuverlässiges Verfahren zur Homogenisierung von Flüssig-Flüssig- und Fest-Flüssig-Suspensionen. Die Verkapselung von Molekülen in nanoskalige Lipidträger (z.B. Liposomen, Niosomen, feste Lipidnanopartikel, nanostrukturierte Lipidträger, Mizellen usw.) ist eine weitere wichtige Anwendung von Hochleistungsultraschall.
Ultraschall kann in vielen Schritten der Herstellung von Clean-Beauty-Produkten sowie rein natürlichen und biologischen Kosmetik-, Beauty- und Hautpflegeprodukten eingesetzt werden und die Effizienz von Misch- und Verkapselungsanwendungen verbessern. Da Ultraschallmischer eine intensive Durchmischung und Homogenisierung ermöglichen, lässt sich der Einsatz chemischer Zusatzstoffe, die üblicherweise zur Verlängerung von Stabilität und Haltbarkeit zugesetzt werden, minimieren oder vollständig vermeiden.
Die Ultraschallbehandlung verschafft Ihnen einen Wettbewerbsvorteil, indem sie in einem schnellen und effizienten Prozess überlegene Ergebnisse in Form gleichmäßiger, homogener Suspensionen erzielt. Dies wirkt sich positiv auf Produktstabilität, Haltbarkeit und Biokompatibilität aus.

Ultraschallbehandlung – Eine rein mechanische Behandlung

Die Ultraschallbehandlung ist eine schonende, nichtthermische Behandlung, bei der die Rohstoffe nicht durch Wärme abgebaut werden. Viele Inhaltsstoffe wie Lipide, bioaktive Moleküle oder ätherische Öle sind wärmeempfindlich und profitieren daher besonders von einer kontrollierten Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen. Die Geräte von Hielscher Ultrasonics lassen sich präzise steuern, einfach einstellen und per Browser-Fernsteuerung überwachen und bedienen. Die intelligente Software protokolliert die Verarbeitungsparameter automatisch auf einer integrierten SD-Karte. Diese Funktionen erleichtern die Prozess- und Qualitätsstandardisierung sowie die Umsetzung der Guten Herstellungspraxis (GMP).

Das Wirkprinzip der Ultraschallbehandlung

Da die Ultraschallbehandlung ein rein mechanisches Verfahren ist, werden keine zusätzlichen Chemikalien zugesetzt, die der Philosophie der Clean-Beauty-Kosmetik widersprechen würden. Ultraschallanwendungen wie Mischen, Vermengen, Emulgieren, Verkapseln und Extrahieren beruhen auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation.
Leistungsstarke Ultraschallwellen werden über einen Ultraschallprozessor mit Sonotrode in die Suspension eingekoppelt. Energiereiche Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, die zum Phänomen der akustischen Kavitation führen. Akustische Kavitation oder Ultraschallkavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Aufheiz- und Abkühlraten, Druckdifferenzen und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen an der Oberfläche von Partikeln oder Tröpfchen implodieren, erzeugen Mikrostrahlen und Kollisionen zwischen Partikeln Effekte wie Oberflächenablösung, Erosion, Partikelzerkleinerung, Sonoporation sowie Tröpfchenzerteilung und Zellaufschluss. Darüber hinaus erzeugt die Implosion von Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makroturbulenzen und Mikrovermischung. Die Ultraschalleinkopplung ist eine effiziente Möglichkeit, Stofftransportprozesse zu verbessern, da die Beschallung Kavitation und die damit verbundenen Mechanismen hervorruft, darunter Mikrobewegungen durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit anschließender Tröpfchenzerteilung sowie hohe Aufheiz- und Abkühlraten.
Ultraschallgeräte mit Sonotrode können sehr hohe Amplituden erzeugen, die für eine wirkungsvolle Kavitation erforderlich sind. Hielscher Ultrasonic stellt Hochleistungs-Ultraschallprozessoren her, die im kontinuierlichen 24/7-Betrieb problemlos Amplituden von 200µm erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezielle Sonotroden für hohe Amplituden an.
Druckbeaufschlagbare Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen werden eingesetzt, um die Kavitation zu verstärken. Mit zunehmendem Druck wirken Kavitation und kavitationsbedingte Scherkräfte stärker zerstörend und verbessern dadurch die Ultraschalleffekte.

Vorteile des Mischens und Emulgierens mit Ultraschall

Die Herstellung homogener Mischungen, Dispersionen, Emulsionen und Nanoemulsionen durch Ultraschall hat aufgrund ihrer außergewöhnlichen Energieeffizienz, des Bedarfs an lediglich einfachen Mischgeräten, der einfachen Systembedienung und vor allem der niedrigen Produktionskosten das Interesse von Entwicklern kosmetischer Formulierungen geweckt. Mischen, Vermengen und Emulgieren mit Ultraschall erhöhen die Flexibilität bei der Auswahl von Tensiden und inneren Strukturen der Emulsionen. (vgl. Marzuki et al. 2019)

Die Molekülgröße ist entscheidend

Moleküle im Submikron- und Nanobereich weisen eine deutlich erhöhte transdermale Permeationsrate auf. Während große Moleküle auf der Hautoberfläche verbleiben und aufgrund ihrer Größe nicht in die Haut eindringen können, können kleinere Moleküle die Epidermis durchdringen.
Das bedeutet, dass die bioaktiven Verbindungen in tiefere Hautschichten transportiert werden, wo sie ihre „Arbeit“ verrichten können, indem sie die Haut nähren oder reparieren.
Ein bekanntes Beispiel für die Bedeutung der Molekülgröße ist Hyaluronsäure, ein langkettiges Molekül. Hat die Hyaluronsäure ein hohes Molekulargewicht, kann sie die Hautbarriere nicht passieren und verbleibt als Film auf der äußeren Hautschicht. Niedermolekulare Hyaluronsäure hingegen wird in tiefere Hautschichten transportiert, wo sie ihre feuchtigkeitsspendende Wirkung entfaltet.
Weitere Beispiele für die Bedeutung der Partikelgröße sind Titandioxid und Zinkoxid. Beide werden als Wirkstoffe in natürlichen Sonnenschutzprodukten (z.B. Lotionen, Feuchtigkeitscremes, Sprays) eingesetzt. Eine gleichmäßig geringe Partikelgröße ist wichtig, um ein Verstopfen der Hautporen und damit Hautunreinheiten zu verhindern. Darüber hinaus wird bei kleineren Partikeln der weißelnde und glänzende Effekt von Sonnenschutzmitteln reduziert oder vermieden.

Die Nanoemulgierung mit Ultraschall wird zur Herstellung beladener Nanoemulsionen, Liposomen und fester Lipidnanopartikel eingesetzt. Die Beschallung erzeugt eine enge Tröpfchengrößenverteilung und nanostrukturierte Partikel.

Verbesserte Hautpenetration

Zu den chemischen Hautpenetrationsverstärkern gehören Stoffe wie l-α-Lecithin, Harnstoff, Fettsäuren, Ethanol und Glykole.

• Zu den vesikulären Hautpenetrationsverstärkern gehören vesikuläre Träger wie Liposomen und Niosomen. Vesikuläre Träger sind leistungsfähige Transportsysteme für Wirkstoffmoleküle. Aufgrund ihrer Zusammensetzung bieten sie den Vorteil, sowohl hydrophile als auch lipophile Moleküle transportieren zu können. Hydrophile Moleküle werden im wässrigen Kern verkapselt, während lipophile Moleküle in die Lipidmembran eingelagert werden, die den wässrigen Kern umgibt. Da die Vesikelwände bei Liposomen aus Phospholipid-Doppelschichten und bei Niosomen aus synthetischen Tensiden bestehen, sind die Vesikel wasserlöslich und dadurch hochgradig biokompatibel.
  Lesen Sie mehr über die Herstellung von Liposomen mit Ultraschall!
• Zu den enzymatischen Hautpenetrationsverstärkern gehören Enzyme wie HMG-CoA-Reduktase und Acetyl-CoA-Carboxylase, die Schlüsselenzyme der epidermalen Lipidsynthese hemmen und das entscheidende molare Verhältnis der wichtigsten Lipide des Stratum corneum verändern.
• Harnstoff, auch als Carbamid bezeichnet, wird eingesetzt, um die Aufnahme anderer kosmetischer Wirkstoffe zu verbessern, da er die Hautdurchlässigkeit erhöht.

Durch Ultraschall verbesserte Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen in der Hautpflege

Die Bioverfügbarkeit ist als die Penetrationsrate definiert, mit der ein Wirkstoff seinen Wirkort erreicht. Die sogenannte Flussrate beziehungsweise die über die Zeit eindringende Wirkstoffmenge wird in Mikrogramm/cm²/Stunde bestimmt. Bei Wirkstoffen in kosmetischen Produkten ist der angestrebte Wirkort in der Regel die untere Epidermis. Ausnahmen sind Wirkstoffe wie Zinkoxid oder Titandioxid, die häufig in Sonnenschutzlotionen und -sprays enthalten sind, da diese Substanzen an der Hautoberfläche wirken, wo die Partikel ihre maximale UV-Absorptionskapazität entfalten können.
Die Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen wird stark von der Art der verwendeten kosmetischen Formulierung beeinflusst. Häufige Formulierungen in Beauty- und Körperpflegeprodukten sind Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W), Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O), Wasser-in-Öl-in-Wasser-Emulsionen (W/O/W), Polyol-in-Öl-Emulsionen sowie Hydrogele. (In Naturkosmetikformulierungen verwendete Polyole sind Sorbit, Mannit usw.)

Herstellung einer Emulsion mit Ultraschall (rotes Wasser / gelbes Öl). Wenige Sekunden Beschallung verwandeln die getrennten Wasser- und Ölphasen in eine feine Emulsion.

Ultraschallbehandlung für eine erhöhte Hautdurchlässigkeit

Die Hautdurchlässigkeit und damit die Bioverfügbarkeit kosmetischer Wirkstoffe und Kosmezeutika lassen sich entweder durch eine Beeinflussung der Hautbarriere oder durch eine Erhöhung der Löslichkeit der Wirkstoffmoleküle steigern.
Um die Barrierewirkung der Haut zu verringern und den Transport der Wirkstoffmoleküle in die untere Epidermis zu erleichtern, können zahlreiche Substanzen wie Lösungsmittel, Phospholipide und aus Phospholipiden bestehende Tensidvesikel sowie Peelingsubstanzen das Eindringen von Wirkstoffen in tiefere Hautschichten verbessern.

• Zu den verwendeten Lösungsmitteln gehören Dimethylisosorbid, Ethoxydiglykol, Ethanol und Ölsäure. Diese Lösungsmittel sind sehr gut mit ultraschallgestützten Misch-, Vermengungs- und Emulgierprozessen kompatibel.
• Phospholipide sind dafür bekannt, die Hautpenetration sowohl öl- als auch wasserlöslicher Moleküle zu verbessern. Häufig verwendete Phospholipide sind Lecithin, hydriertes Lecithin, Lysolecithin und Tocopherylphosphat. Sie profitieren von der Ultraschallverarbeitung, da die Beschallung die Phospholipide gleichmäßig in der Suspension verteilt.
• Tensidvesikel: Tenside können multilamellare und unilamellare Vesikel mit Wirkstoffen bilden. Liposomen und feste Lipidnanopartikel sind bekannte Beispiele für hautpenetrierende Vesikel, die bioaktive Verbindungen zu ihren Zielorten transportieren. Die Ultraschallbehandlung ist die effizienteste und wirksamste Methode zur Herstellung von Liposomen, Nanoliposomen und festen Lipidnanopartikeln (SLNs) mit hoher Wirkstoffbeladung, Verkapselungseffizienz (%EE), Stabilität und Bioverfügbarkeit.
• Zu den chemischen Peelingsubstanzen gehören Milchsäure, Glykolsäure, Salicylsäure und N-Acetylglucosamin. Mechanische Peelings enthalten winzige abrasive Partikel aus Holzkohle, Kokosraspeln oder Kaffeepeeling. Alle diese Substanzen lassen sich mit Ultraschall effizient dispergieren.

Die Löslichkeit von Wirkstoffen in Kosmetika lässt sich durch Einschlusskomplexe, Verkapselung, Submikron- und Nanoemulsionen sowie durch eine effiziente Solubilisierung in der Formulierung erhöhen.

• Die Bildung von Einschlusskomplexen mit Cyclodextrinen (wie Alpha-, Gamma- und Hydroxypropyl-Beta-Cyclodextrin) wird durch Ultraschallbehandlung erreicht. Cyclodextrinkomplexe weisen einen Hohlraum auf, in dem bioaktive Inhaltsstoffe verkapselt werden. Die Verkapselung beziehungsweise Komplexierung macht die Wirkstoffe wasserlöslich und damit bioverfügbar. Lesen Sie mehr über die ultraschallgestützte Einschlusskomplexierung!
• Phytoglykogen ist ein pflanzliches Kohlenhydrat-Nanopartikel (Polysaccharid) mit hoher Dichte und einem Hohlraum, in dem viele unterschiedliche Arten von Wirkstoffen verkapselt werden können. Phytoglykogen-Octenylsuccinat (PG-OS) ist ein amphiphiles Kohlenhydrat-Nanopartikel, dessen Zugabe Emulsionen eine hohe oxidative Stabilität der Lipide verleiht. Die Ultraschallemulgierung verbessert die Herstellung homogener, stabiler Phytoglykogenemulsionen.
• Submikron- und Nanoemulsionen werden als winzige Transportsysteme eingesetzt, die Verbindungen wasserlöslich machen und den Transport der Wirkstoffe zum Zielort ermöglichen. Die geringe, nanoskalige Größe der Tröpfchen erhöht die Durchlässigkeit durch die Hautbarriere bis in tiefere Hautschichten.
• Hochpolare Emollienzien werden häufig in Formulierungen eingesetzt, um hydrophobe beziehungsweise wasserunlösliche Inhaltsstoffe zu solubilisieren, da nur wenige Wirkstoffe unpolar sind. Häufig werden die folgenden hochpolaren Emollienzien verwendet: Isopropyllauroylsarcosinat, Lauryllactat, Phenylethylbenzoat, Dioctylmaleat und Dioctylisosorbid. Auch verschiedene Arten von Sonnenschutzmitteln sind als Penetrationsverstärker bekannt. Mischen und Dispergieren mit Ultraschall gewährleisten eine homogene Mischung aus polaren Emollienzien und Wirkstoffen.

Hochleistungs-Ultraschallmischer für Clean-Beauty-Produkte

Als rein mechanisches Mischverfahren kann die Ultraschallbehandlung zur Herstellung aller Arten zertifizierter Naturkosmetikprodukte eingesetzt werden. Die Systeme von Hielscher Ultrasonics sind zuverlässige Anlagen, die bei der Herstellung hochwertiger Kosmetika und Therapeutika eingesetzt werden, um nanoemulgierte und liposomal verkapselte bioaktive Verbindungen mit überlegener Aufnahmerate und Biokompatibilität zu formulieren. Um den Anforderungen seiner Kunden gerecht zu werden, liefert Hielscher Ultraschallgeräte vom kompakten handgeführten Laborhomogenisator über Ultraschall-Tischgeräte bis hin zu vollständig industriellen Ultraschallsystemen für die Herstellung großer Mengen kosmetischer Formulierungen. Ultraschallgestützte Formulierungsprozesse für Kosmetika und Kosmezeutika können als Chargenprozess oder als kontinuierlicher Inline-Prozess mit einem Ultraschall-Durchflussreaktor durchgeführt werden. Eine breite Auswahl an Ultraschallsonotroden und Reaktorgefäßen steht zur Verfügung, um eine optimale Ausstattung für Ihre Liposomenproduktion zu gewährleisten. Die Robustheit der Ultraschallanlagen von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung in anspruchsvollen Umgebungen und gewährleistet eine lange Maschinenlebensdauer.
Die präzise Steuerung aller wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Beschallungsdauer macht den Ultraschallprozess zuverlässig und reproduzierbar. Hielscher Ultrasonics kennt die Bedeutung einer gleichbleibend hohen Produktqualität und unterstützt Kosmetikhersteller mit intelligenter Software und automatischer Datenaufzeichnung bei der Umsetzung von Prozessstandardisierung und GMP (Guter Herstellungspraxis). Unsere digitalen Ultraschallhomogenisatoren zeichnen sämtliche Ultraschallprozessparameter automatisch auf einer integrierten SD-Karte auf. Digitale Touchdisplays und die Browser-Fernsteuerung ermöglichen eine kontinuierliche Prozessüberwachung und bei Bedarf eine präzise Anpassung der Prozessparameter. Dies erleichtert die Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle erheblich.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: