Clean-Label Naturkosmetik mit Ultraschall formulieren

Natürliche, organische Inhaltsstoffe (INCIs) mit hoher Wirksamkeit und Bioverfügbarkeit sind die Merkmale innovativer, clean-label Kosmetikprodukte. Ultraschall wird als hocheffiziente und zuverlässige Technik eingesetzt, um kosmetische Inhaltsstoffe zu mischen, dispergieren, nano-emulgieren und nano-verkapseln.

Warum sollten Sie Ultraschall für die Formulierung Ihrer Clean-Label Kosmetikprodukte einsetzen?

Das Mischen, Vermengen, Dispergieren, Emulgieren von Inhaltsstoffen und die Verkapselung bioaktiver Moleküle sind Kernprozesse bei der Herstellung von Kosmetik- und Hautpflegeprodukten sowie Cosmeceuticals. Die zuverlässige, effektive Ausführung dieser Kernprozesse ist äußerst wichtig, um hochwertige kosmetische Produkte mit erhöhter Wirksamkeit und Effizienz zu herzustellen. Moderne HighTech-Inhaltsstoffe sind hochentwickelte Substanzen, welche eine ausgeklügelte Einarbeitung in das Endprodukt erfordern, um die gewünschten Effekte zu erzielen.

Beschallung – Ein breites Spektrum von Anwendungen

Die Beschallung / Sonifizierung ist eine äußerst effiziente und zuverlässige Technik zur Homogenisierung von Flüssig-Flüssig- und Fest-Flüssig-Suspensionen. Die Einkapselung von Molekülen in nanoskalige Lipidträger (z.B. Liposomen, Niosomen, Solid-Lipid-Nanopartikel, nanostrukturierte Lipid-Carrier, Micellen usw.) ist eine weitere wichtige Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall.
Ultraschall kann in vielen Schritten bei der Herstellung von clean label, rein natürlichen, organischen Kosmetik-, Schönheits- und Hautpflegeprodukten eingesetzt werden, wobei Ultraschall herkömmliche Misch- und Verkapselungstechniken an Effizienz und Effektivität übertrifft. Da Ultraschallmischer äußerst intensives Mischen und Homogenisieren ermöglichen, kann die Zugabe chemischer Additive, welche üblicherweise zur Verbesserung der Stabilität und Haltbarkeit hinzugefügt werden, minimiert oder ganz vermieden werden.
Die Ultraschallbehandlung verschafft Ihnen einen Wettbewerbsvorteil, indem sie in einem schnellen und effizienten Verfahren überlegene Vermischung erzielen, wodurch gleichmäßige, homogene Suspensionen produziert werden. Dies wirkt sich positiv auf die Produktstabilität, Haltbarkeit und Biokompatibilität aus.

Beschallung – Eine rein mechanische Behandlung

Ultraschall ist eine milde, nicht-thermische Behandlung, bei der die Rohstoffe nicht durch Hitze geschädigt und zersetzt werden. Viele Inhaltsstoffe wie Lipide, bioaktive Moleküle oder ätherische Öle sind hitzeempfindlich und profitieren daher sehr von einer kontrollierten Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen. Die Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics sind präzise steuerbar, leicht einstellbar und können über eine Browser-Fernsteuerung überwacht und bedient werden. Die intelligente Software protokolliert automatisch die Verarbeitungsparameter (z.B. Amplitude, Temperatur etc.) auf einer eingebauten SD-Karte. Diese Funktionen erleichtern die Prozess- und Qualitätsstandardisierung sowie die Umsetzung von Good Manufacturing Practices (GMP).

Das Wirkprinzip der Ultraschallverarbeitung

Da es sich bei der Beschallung um eine rein mechanische Behandlung handelt, werden keine chemischen Zusatzstoffe hinzugefügt, welche der Philosophie der clean label Kosmetik widersprechen würden. Ultraschallanwendungen wie Mischen, Emulgieren, Verkapseln und Extrahieren basieren auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation.
Hochleistungs-Ultraschallwellen werden von einen Ultraschallprozessor mittels Sonotrode (Sonde) in die Slurry eingekoppelt. Hochenergetische Ultraschallwellen bewegen sich durch die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen, wodurch das Phänomen der akustischen Kavitation hervorgerufen wird. Die akustische bzw. Ultraschall-Kavitation führt lokal zu extremen Temperaturen, Drücken, Aufheiz-/Abkühlraten, Druckdifferenzen und hohen Scherkräften im Medium. Wenn Kavitationsblasen auf der Oberfläche von Partikeln oder Tröpfchen implodieren, werden durch Flüssigkeitsstrahlen und interpartiklulare Kollisionen Effekte wie Oberflächenabtrag, Erosion, Partikelzerfall, Sonoporation sowie Tröpfchenzerschlagung und Zellaufschluss erzeugt. Zusätzlich erzeugt die Implosion der Kavitationsblasen in flüssigen Medien Makroturbulenzen und Mikrovermischung. Die Beschallung mittels Hochleistungs-Ultraschall stellt eine effiziente Methode der Intensivierung von Stofftransportprozessen dar, da die Beschallung zu Kavitation und den damit verbundenen Mechanismen wie Mikrobewegung durch Flüssigkeitsstrahlen, Kompression und Dekompression im Material mit nachfolgender Zerschlagung der Partikel und Tröpfchen führt.
Ultraschallstabschwinger (Ultraschallgeräte mit Sonotrode) können sehr hohe Amplituden erzeugen, welche notwendig ist, um effektive Kavitation zu erzeugen. Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallprozessoren her, die problemlos Amplituden von 200µm im kontinuierlichen 24/7-Betrieb erzeugen können. Für noch höhere Amplituden bietet Hielscher spezifizierte hochamplitudige Sonotroden (Ultraschallstäbe) an.
Zur Intensivierung der Kavitation werden druckbeaufschlagbare Ultraschallreaktoren und Durchflusszellen eingesetzt. Mit steigendem Druck werden Kavitations- und Kavitationsscherkräfte intensiver und verbessern dadurch die Ultraschalleffekte.

Vorteile des Ultraschall-Mischens und Emulgierens

Die Herstellung von homogenen Suspensionen, Dispersionen, Emulsionen und Nanoemulsionen mittels Ultraschall hat das Interesse der Kosmetikformulierer geweckt. Besonders durch ihre außergewöhnliche Energieeffizienz, ihre hochentwickelte Technologie, einfache Handhabung und die niedrigen Produktions- und Wartungskosten haben Ultraschallgeräte ihren festen Platz in der Kosmetikformulierung gefunden. Das Mischen und Emulgieren mit Ultraschall erhöht die Flexibilität bei der Auswahl von Tensiden und erlaubt die modifizierung der inneren Struktur von Emulsionen. (vgl. Marzuki et al. 2019)

Die Molekülgröße ist entscheidend

Moleküle im Submikron- und Nanobereich weisen eine signifikant erhöhte transdermale Permeationsrate auf. Während große Moleküle auf der Oberseite der Haut sitzen und aufgrund ihrer Größe nicht in die Haut eindringen können, können kleinere Moleküle die Epidermis durchdringen.
Das bedeutet, dass bioaktiven Verbindungen in tiefere Hautschichten transportiert werden, wo sie ihre "Arbeit" erfüllen können, indem sie die Haut nähren oder reparieren.
Ein prominentes Beispiel für die Relevanz der Molekülgröße ist Hyaluronsäure, ein langkettiges Molekül. Wenn die Hyaluronsäure ein hohes Molgewicht hat, kann sie die Hautbarriere nicht durchdringen und bleibt als Film auf der äußeren Hautschicht. Niedermolekulare Hyaluronsäure hingegen wird in tiefere Hautschichten transportiert, wo sie ihre feuchtigkeitsspendende Wirkung entfalten kann.
Weitere Beispiele für die Relevanz der Partikelgröße sind Titandioxid und Zinkoxid. Beide werden als Wirkstoffe in natürlichen Sonnenschutzmitteln (z.B. Lotionen, Feuchtigkeitscremes, Sprays) verwendet. Eine gleichmässig kleine Partikelgrösse ist wichtig, um ein Verstopfen der Hautporen zu vermeiden und dadurch Hautirritationen und Pickel zu verhindern. Darüber hinaus wird bei kleineren Partikeln der Weiß- und Glanzeffekt von Sonnenschutzmitteln reduziert bzw. vermieden.

Die Ultraschall-Nanoemulgierung wird zur Herstellung von beladenen Nanoemulsionen, Liposomen und Solid-Lipid-Nanopartikeln verwendet. Die Beschallung erzeugt eine enge Tröpfchenverteilung und nanostrukturierte Partikel.

Verbesserte Hautdurchdringung

Zu den chemischen Hautpenetrationsförderern gehören Materialien wie l-α-Lezithin, Harnstoff, Fettsäuren, Ethanol und Glykole.

• Zu den vesikulären Stoffen, welche die Hautpenetration verbessern, gehören vesikuläre Carrier wie Liposomen und Niosomen. Vesikuläre Carrier sind potente Abgabesysteme für bioaktive Moleküle. Aufgrund ihrer Zusammensetzung bieten sie den Vorteil, sowohl hydrophile als auch lipophile Moleküle zu verkapseln. Hydrophile Moleküle sind im wässrigen Kern eingekapselt, und lipophile Moleküle werden in die Lipidmembran, welche den wässrigen Kern umgibt, eingelagert. Da die Vesikelwände der Liposomen aus Phospholipid-Doppelschichten bzw. bei Niosomen aus synthetischen Tensiden bestehen, sind die Vesikel wasserlöslich und dadurch hoch biokompatibel.
  Lesen Sie mehr über ultraschall-produzierte Liposomen!
• Zu den enzymatischen Hautpenetrationsförderern gehören Enzyme wie HMGCoA-Reduktase und die Acetyl-CoA-Carboxylase, welche die Schlüsselenzyme der epidermalen Lipidsynthese hemmen und das kritische Molverhältnis der Lipide des Stratum corneum verändern.
• Urea bzw. Harnstoff, auch als Carbamid bekannt, wird verwendet, um die Absorption anderer kosmetischer Wirkstoffe zu verbessern, da es die Hautdurchlässigkeit erhöht.

Durch Ultraschall verbesserte Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen in der Hautpflege

Die Bioverfügbarkeit wird definiert als die Penetrationsrate, mit der ein Wirkstoff seinen Wirkort erreicht. Die sogenannte Fluxrate bzw. die Menge des Wirkstoffs, die im Laufe der Zeit eindringt, wird in Mikrogramm/cm²/Stunde angegeben. Bei Wirkstoffen in kosmetischen Produkten ist der Zielort der Wirkung eines Inhaltsstoffes in der Regel die untere Epidermis. Ausnahmen sind Wirkstoffe wie Zinkoxid oder Titandioxid, übliche Inhaltsstoffe in Sonnenschutzlotionen und -sprays, da diese Substanzen ihren Wirkort auf der Hautoberfläche haben, wo die Partikel ihr maximales UV-Absorptionsvermögen entfalten.
Die Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen wird stark durch die Art der verwendeten kosmetischen Formulierungen beeinflusst. Gängige Formulierungen in Kosmetik- 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. (Gängige in Naturkosmetikformulierungen verwendete Polyole sind z.B. Sorbitol und Mannitol).

Ultraschallproduktion einer Emulsion (rot angefärbtes Wasser / gelbes Öl). Nach einigen Sekunden der Ultraschallbehandlung werden die Wasser- und Öl-Phase in eine feine Emulsion umgewandelt.

Ultraschall für verbesserte Hautpermeabilität

Die Hautpermeabilität und damit die Bioverfügbarkeit von kosmetischen Wirkstoffen und Cosmeceuticals kann entweder durch Beeinflussung der Hautbarriere oder durch erhöhte Löslichkeit der aktiven Moleküle verbessert werden.
Um die Hautbarriere zu senken und den Transport der Wirkstoffe in die untere Epidermis zu erleichtern, können verschiedene Substanzen wie Lösungsmittel, Phospholipide sowie aus Phospholipiden hergestellte Tensidvesikel oder Peelings das Eindringen der Wirkstoffe in tiefere Hautschichten verbessern.

• Zu den verwendeten Lösungsmitteln gehören Dimethylisosorbid, Ethoxydiglykol, Ethanol und Ölsäure. Diese Lösungsmittel sind mit Ultraschall-gestützten Misch-, Dispergier- und Emulgierprozessen äußerst kompatibel.
• Es ist bekannt, dass Phospholipide die Hautpenetration sowohl öl- als auch wasserlöslicher Moleküle verbessern. Häufig verwendete Phospholipide sind Lecithin, hydriertes Lecithin, Lysolecithin und Tocopherylphosphat. Sie profitieren von der Ultraschallverarbeitung, da die Phospholipide mittels Ultraschall gleichmäßig in der Suspension verteilt werden.
• Surfactant vesicles: Surfactants can form multilamellar and unilamellar vesicles with actives. Liposomes and solid-lipid nanoparticles are prominent examples for skin penetrating vesicles transporting bioactive compounds to target sites. Ultrasonication is the most efficient and effective method to produce liposomes, nanoliposomes and solid-lipid nanoparticles (SLNs) with a high active load, encapsulation efficiency (%EE), stability and bioavailability.
• Zu den chemischen Peelings zählen Milchsäure, Glykol, Salicylsäure, und N-Acetylglucosamin. Winzige abrasive Partikel aus Aktivkohle, Kokosflocken oder Kaffeepartikel gehören zu den mechanischen Peelings. All diese Stoffe können mittels Ultraschall effizient dispergiert werden.

Die Löslichkeit von Wirkstoffen in Kosmetika kann durch Einschlusskomplexe, Verkapselung, Submikron-/Nano-Emulsionen sowie die effiziente Solubilisierung in der Formulierung erhöht werden.

• Durch Ultrascahall wird auch eine effiziente Einschlusskomplexierung in Cyclodextrinen (wie Alpha-, Gamma-, Hydroxypropyl-beta-Cyclodextrin) erzielt. Cyclodextrin-Komplexe weisen einen Hohlraum auf, in den bioaktive Inhaltsstoffe eingekapselt werden. Die Verkapselung/Komplexierung macht die Wirkstoffe wasserlöslich und damit bioverfügbar. Lesen Sie mehr über die Ultraschall-gestützte Cyclodextrin-Komplexierung!
• Phytoglykogen ist ein pflanzlicher, hochdichter Kohlenhydrat- (Polysaccharid-) Nanopartikel mit einem Hohlraum, der viele verschiedene Arten von Wirkstoffen einkapseln kann. Phytoglykogen-Octenylsuccinat (PG-OS) ist ein amphiphiler Kohlenhydrat-Nanopartikel, durch dessen Zugabe Emulsionen eine hohe Lipidoxidationsstabilität verliehen wird. Die Ultraschall-Emulgierung verbessert die Herstellung homogener, stabiler Phytoglykogen-Emulsionen.
• Submikron- und nano-skalige Emulsionen werden als winzige Delivery Systeme verwendet, um die aktiven Verbindungen wasserlöslich zu machen und den Transport der Wirkstoffe zum Zielort zu ermöglichen. Die geringe Größe der nanoskaligen Tröpfchen erhöht die Permeabilität durch die Hautbarriere in tiefere Hautschichten.
• Hochpolare Emollients werden häufig in Formulierungen verwendet, um hydrophobe / wasserunlösliche Inhaltsstoffe zu lösen, da generell nur wenige Wirkstoffe unpolar sind. Häufig werden die folgenden hochpolaren Emollients verwendet: Isopropyllauroylsarcosinat, Lauryllactat, Phenylethylbenzoat, Dioctylmaleat und Dioctylisosorbid. Verschiedene Arten von Sonnenschutzmitteln sind ebenfalls als penetrationsfördernd bekannt. Das Mischen und Dispergieren mittels Ultraschall gewährleistet eine homogene Vermischung von polaren Emollients und Wirkstoffen.

Hochleistungs-Ultraschallmischer für Clean Label Kosmetikprodukte

Als rein mechanische Mischbehandlung kann die Beschallung zur Herstellung aller Arten zertifizierter Naturkosmetikprodukte eingesetzt werden. Die Ultraschallsysteme von Hielscher Ultrasonics sind zuverlässige Maschinen, die bei der Herstellung von hochwertigen Kosmetika und Cosmeceuticals eingesetzt werden, um nano-emulgierte und liposomal verkapselte bioaktive Verbindungen mit überlegener Absorptionsrate und Biokompatibilität zu formulieren. Um den Anforderungen seiner Kunden gerecht zu werden, liefert Hielscher Ultraschallgeräte vom kompakten, handgehaltenen Labor-Homogenisatoren über Technikums-Ultraschallgeräte bis hin zu voll-industriellen Ultraschallsystemen für die Herstellung von kosmetischen Formulierungen in großen Mengen. Ultraschall-Formulierungsprozesse von Kosmetika und Cosmeceuticals können als Batch- oder als kontinuierlicher Inline-Prozess unter Verwendung eines Ultraschall-Durchflussreaktors durchgeführt werden. Eine breite Palette von Ultraschall-Sonotroden (Sonden) und Reaktorbehältern steht zur Verfügung, um ein optimales Setup für Ihre Kosmetik- und Liposomenproduktion zu gewährleisten. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7 Betrieb unter hoher Beanspruchung in anspruchsvollen Umgebungen und gewährleistet eine lange Lebensdauer der Maschinen.
Die präzise Kontrolle über alle wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Druck, Temperatur und Beschallungszeit machen den Ultraschallprozess zuverlässig und reproduzierbar. Hielscher Ultrasonics weiß um die Bedeutung einer gleichbleibend hohen Produktqualität und unterstützt Kosmetikhersteller bei der Umsetzung von Prozessstandardisierung und GMP (Good Manufacturing Practices) durch intelligente Software und automatische Datenaufzeichnung. Unsere digitalen Ultraschall-Homogenisatoren zeichnen automatisch alle Ultraschall-Prozessparameter auf einer eingebauten SD-Karte auf. Digitale Touch-Displays und Browser-Fernbedienung ermöglichen eine kontinuierliche Prozessüberwachung und erlauben es, die Prozessparameter bei Bedarf jederzeit präzise einzustellen. Dies erleichtert die Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle erheblich.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: