Formulación de productos de cosmética limpia con ultrasonidos

Los ingredientes naturales y orgánicos (INCIs), combinados con una elevada eficacia y biodisponibilidad, caracterizan a los productos innovadores de cosmética limpia. La ultrasonicación se utiliza como técnica altamente eficiente y fiable para mezclar, combinar, dispersar, nanoemulsionar y nanoencapsular ingredientes cosméticos.

¿Por qué utilizar la ultrasonicación para sus productos de cosmética limpia?

La mezcla, la combinación, la dispersión y la emulsificación de ingredientes, así como la encapsulación de moléculas bioactivas, son procesos fundamentales en la fabricación de productos cosméticos, de cuidado de la piel, de belleza y cosmecéuticos. La ejecución fiable, eficiente y homogénea de estos procesos fundamentales es esencial para obtener productos cosméticos de alta calidad con efectos, potencia y eficiencia superiores en el producto final. Los ingredientes modernos de alta tecnología son sustancias altamente desarrolladas que requieren una incorporación técnicamente avanzada al producto final para lograr los efectos deseados.

Sonicación – Un amplio espectro de aplicaciones

La sonicación es una técnica altamente eficiente y fiable para homogeneizar suspensiones líquido-líquido y sólido-líquido. La encapsulación de moléculas en vehículos lipídicos de tamaño nanométrico (p. ej., liposomas, niosomas, nanopartículas lipídicas sólidas, vehículos lipídicos nanoestructurados, micelas, etc.) es otra aplicación importante de los ultrasonidos de alto rendimiento.
La ultrasonicación puede aplicarse en muchas etapas de la producción de productos cosméticos, de belleza y de cuidado de la piel limpios, totalmente naturales y orgánicos, y mejorar la eficiencia de las aplicaciones de mezcla y encapsulación. Como los mezcladores ultrasónicos proporcionan una mezcla y una homogeneización intensas, el uso de aditivos químicos que suelen añadirse para prolongar la estabilidad y la vida útil puede reducirse al mínimo o evitarse por completo.
La sonicación le proporciona una ventaja competitiva al producir resultados superiores mediante un proceso rápido y eficiente que da lugar a suspensiones uniformes y homogéneas. Esto influye positivamente en la estabilidad, la vida útil y la biocompatibilidad del producto.

Sonicación – Un tratamiento puramente mecánico

La ultrasonicación es un tratamiento suave y no térmico que no degrada las materias primas por efecto del calor. Muchos ingredientes, como los lípidos, las moléculas bioactivas o los aceites esenciales, son termosensibles y, por tanto, se benefician considerablemente de un procesamiento controlado a baja temperatura. Los equipos de Hielscher Ultrasonics permiten un control preciso, son fáciles de ajustar y pueden supervisarse y manejarse mediante control remoto desde un navegador. El software inteligente registra automáticamente los parámetros de procesamiento en una tarjeta SD integrada. Estas funciones facilitan la estandarización del proceso y de la calidad, así como la implementación de buenas prácticas de fabricación (GMP).

El principio de funcionamiento de la sonicación

Como la sonicación es un tratamiento puramente mecánico, no se añaden aditivos químicos que pudieran interferir con la filosofía de la cosmética limpia. Las aplicaciones ultrasónicas, como la mezcla, la combinación, la emulsificación, la encapsulación y la extracción, se basan en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica.
Las ondas ultrasónicas de alta potencia se acoplan a la suspensión mediante un procesador ultrasónico de tipo sonda. Las ondas ultrasónicas de elevada energía se propagan por el líquido y generan ciclos alternos de alta presión / baja presión, que dan lugar al fenómeno de cavitación acústica. La cavitación acústica o ultrasónica produce localmente temperaturas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento y diferencias de presión extremas, así como elevadas fuerzas de cizallamiento en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan sobre la superficie de partículas o gotas, los microchorros y las colisiones entre partículas generan efectos como el desprendimiento de capas superficiales, la erosión, la fragmentación de partículas, la sonoporación, así como la ruptura de gotas y la ruptura celular. Además, la implosión de las burbujas de cavitación en medios líquidos genera macroturbulencias y micromezcla. La irradiación ultrasónica constituye una forma eficiente de mejorar los procesos de transferencia de masa, ya que la sonicación produce cavitación y sus mecanismos asociados, como los micromovimientos provocados por chorros de líquido, la compresión y descompresión del material con la consiguiente ruptura de gotas, así como elevadas velocidades de calentamiento y enfriamiento.
Los ultrasonicadores de tipo sonda pueden generar amplitudes muy elevadas, necesarias para producir una cavitación de gran efecto. Hielscher Ultrasonic fabrica procesadores ultrasónicos de alto rendimiento que pueden generar fácilmente amplitudes de 200 µm en funcionamiento continuo 24/7. Para amplitudes aún mayores, Hielscher ofrece sonotrodos (sondas) específicos de alta amplitud.
Para intensificar la cavitación se utilizan reactores ultrasónicos y celdas de flujo que pueden presurizarse. Al aumentar la presión, la cavitación y las fuerzas de cizallamiento cavitacionales se vuelven más destructivas, lo que mejora los efectos ultrasónicos.

Ventajas de la combinación y la emulsificación ultrasónicas

La producción de mezclas homogéneas, dispersiones, emulsiones y nanoemulsiones mediante sonicación ha despertado el interés de los formuladores cosméticos por su excepcional eficiencia energética, la necesidad de instrumentos de mezcla básicos, la facilidad de manejo del sistema y, sobre todo, su bajo coste de producción. La mezcla, la combinación y la emulsificación ultrasónicas aumentan la flexibilidad para seleccionar los tensioactivos y las estructuras internas de las emulsiones. (cf. Marzuki et al. 2019)

El tamaño de las moléculas importa

Las moléculas de tamaño submicrométrico y nanométrico presentan una tasa de permeación transdérmica significativamente mayor. Mientras que las moléculas grandes permanecen sobre la superficie de la piel y no pueden penetrar en ella debido a su tamaño, las moléculas más pequeñas pueden atravesar la epidermis.
Esto significa que los compuestos bioactivos se transportan a capas dérmicas más profundas, donde pueden cumplir su «función» nutriendo o reparando la piel.
Un ejemplo destacado de la importancia del tamaño molecular es el ácido hialurónico, una molécula de cadena larga. Si el ácido hialurónico tiene un peso molecular elevado, no puede atravesar la barrera cutánea y permanece como una película en su capa externa. En cambio, el ácido hialurónico de bajo peso molecular se transporta a capas más profundas de la piel, donde despliega sus efectos hidratantes.
Otro ejemplo de la importancia del tamaño de partícula son el dióxido de titanio y el óxido de zinc. Ambos se utilizan como ingredientes activos en productos de protección solar naturales (p. ej., lociones, hidratantes y aerosoles). Un tamaño de partícula uniformemente pequeño es importante para evitar la obstrucción de los poros de la piel y prevenir así los brotes de acné. Además, con partículas más pequeñas se reduce o evita el efecto blanqueador y de brillo de los protectores solares.

La nanoemulsificación ultrasónica se utiliza para producir nanoemulsiones, liposomas y nanopartículas lipídicas sólidas cargados. La sonicación produce una distribución estrecha del tamaño de las gotas y partículas nanoestructuradas.

Mejora de la penetración cutánea

Los promotores químicos de la penetración cutánea incluyen sustancias como l-α-lecitina, urea, ácidos grasos, etanol y glicoles.

• Los promotores vesiculares de la penetración cutánea incluyen vehículos vesiculares como los liposomas y los niosomas. Los vehículos vesiculares son potentes sistemas de administración de moléculas activas. Debido a su composición, ofrecen la ventaja de transportar tanto moléculas hidrófilas como lipófilas. Las moléculas hidrófilas se encapsulan en el núcleo acuoso, y las moléculas lipófilas se incorporan a la membrana lipídica que rodea el núcleo acuoso. Como las paredes de las vesículas están compuestas por bicapas de fosfolípidos en los liposomas y por tensioactivos sintéticos en los niosomas, respectivamente, las vesículas son hidrosolubles y, por tanto, altamente biocompatibles.
  ¡Más información sobre los liposomas producidos mediante ultrasonidos!
• Los promotores enzimáticos de la penetración cutánea incluyen enzimas como la reductasa HMGCoA y la carboxilasa de acetil CoA, que inhiben enzimas clave de la síntesis de lípidos epidérmicos y alteran la proporción molar crítica de los principales lípidos del estrato córneo.
• La urea, también conocida como carbamida, se utiliza para mejorar la absorción de otros ingredientes cosméticos activos, ya que aumenta la permeabilidad de la piel.

Mejora mediante ultrasonidos de la biodisponibilidad de los activos para el cuidado de la piel

La biodisponibilidad se define como la tasa de penetración de un compuesto activo hasta alcanzar su lugar de acción. La denominada tasa de flujo, o cantidad de activo que penetra a lo largo del tiempo, se determina en microgramos/cm²/hora. En el caso de los ingredientes activos de los productos cosméticos, el lugar de acción objetivo de un ingrediente suele ser la parte inferior de la epidermis. Las excepciones son activos como el óxido de zinc o el dióxido de titanio, ingredientes habituales en lociones y aerosoles de protección solar, ya que estas sustancias actúan sobre la superficie de la piel, donde las partículas pueden desplegar su máxima capacidad de absorción UV.
La biodisponibilidad de los ingredientes activos está muy influida por los tipos de formulaciones cosméticas utilizados. Entre las formulaciones habituales de los productos de belleza y cuidado personal se encuentran las emulsiones de aceite en agua (O/W), las emulsiones de agua en aceite (W/O), las emulsiones de agua en aceite en agua (W/O/W), las emulsiones de poliol en aceite y los hidrogeles. (Los polioles utilizados en las formulaciones cosméticas naturales son el sorbitol, el manitol, etc.).

Preparación ultrasónica de una emulsión (agua roja / aceite amarillo). Unos segundos de sonicación convierten las fases separadas de agua/aceite en una emulsión fina.

Sonicación para aumentar la permeabilidad de la piel

La permeabilidad de la piel y, por tanto, la biodisponibilidad de los activos cosméticos y los cosmecéuticos pueden aumentarse actuando sobre la barrera cutánea o incrementando la solubilidad de las moléculas activas.
Para reducir la resistencia de la barrera cutánea y facilitar el transporte de las moléculas activas a la parte inferior de la epidermis, diversas sustancias, como los disolventes, los fosfolípidos y las vesículas tensioactivas formadas a partir de fosfolípidos, así como los exfoliantes, pueden mejorar la penetración de los activos en capas más profundas de la piel.

• Los disolventes utilizados incluyen dimetil isosorbida, etoxidiglicol, etanol y ácido oleico. Estos disolventes son altamente compatibles con los procesos ultrasónicos de mezcla, combinación y emulsificación.
• Es bien sabido que los fosfolípidos mejoran la penetración cutánea de moléculas tanto liposolubles como hidrosolubles. Los fosfolípidos utilizados habitualmente son la lecitina, la lecitina hidrogenada, la lisolecitina y el fosfato de tocoferilo. Se benefician del procesamiento ultrasónico, ya que la sonicación distribuye los fosfolípidos uniformemente en la suspensión.
• Vesículas tensioactivas: los tensioactivos pueden formar vesículas multilamelares y unilamelares con activos. Los liposomas y las nanopartículas lipídicas sólidas son ejemplos destacados de vesículas que penetran en la piel y transportan compuestos bioactivos a los lugares objetivo. La ultrasonicación es el método más eficiente y eficaz para producir liposomas, nanoliposomas y nanopartículas lipídicas sólidas (SLNs) con una elevada carga de activos, eficiencia de encapsulación (%EE), estabilidad y biodisponibilidad.
• Los exfoliantes químicos incluyen los ácidos láctico, glicólico y salicílico, así como la N-acetil-glucosamina. Los exfoliantes mecánicos incluyen partículas abrasivas minúsculas procedentes del carbón, de copos de coco o de exfoliantes de café. Todas estas sustancias pueden dispersarse de forma eficiente mediante ultrasonicación.

La solubilidad de los ingredientes activos en los cosméticos puede aumentarse mediante complejos de inclusión, encapsulación, emulsiones submicrométricas/nanoemulsiones, así como mediante una solubilización eficiente en la formulación.

• La formación de complejos de inclusión mediante ciclodextrinas (como alfa-ciclodextrina, gamma-ciclodextrina e hidroxipropil beta-ciclodextrina) se consigue mediante ultrasonicación. Los complejos de ciclodextrina presentan una cavidad en la que se encapsulan los ingredientes bioactivos. La encapsulación / complejación hace que los compuestos activos sean hidrosolubles y, por tanto, biodisponibles. ¡Más información sobre la complejación por infusión mediante ultrasonidos!
• El fitoglucógeno es una nanopartícula de carbohidrato (polisacárido) de origen vegetal y alta densidad, con una cavidad que puede encapsular muchos tipos diferentes de activos. El octenilsuccinato de fitoglucógeno (PG-OS) es una nanopartícula de carbohidrato anfifílica cuya adición confiere a las emulsiones una elevada estabilidad oxidativa de los lípidos. La emulsificación ultrasónica mejora la generación de emulsiones de fitoglucógeno homogéneas y estables.
• Las emulsiones submicrométricas y las nanoemulsiones se utilizan como sistemas de administración diminutos que hacen que los compuestos sean hidrosolubles y permiten transportar los ingredientes activos al lugar objetivo. El pequeño tamaño nanométrico de las gotas aumenta la permeabilidad a través de la barrera cutánea hacia capas más profundas de la piel.
• Los emolientes altamente polares se utilizan habitualmente en las formulaciones para solubilizar ingredientes hidrófobos / insolubles en agua, ya que solo unas pocas sustancias activas son apolares. Los siguientes emolientes altamente polares se utilizan con frecuencia: lauroil sarcosinato de isopropilo, lactato de laurilo, benzoato de feniletilo, maleato de dioctilo e isosorbida de dioctilo. También se sabe que diversos tipos de protectores solares actúan como promotores de la penetración. La mezcla y la dispersión ultrasónicas garantizan una mezcla homogénea de emolientes polares e ingredientes activos.

Mezcladores ultrasónicos de alto rendimiento para productos de cosmética limpia

Como tratamiento de mezcla puramente mecánico, la sonicación puede utilizarse para producir todo tipo de productos cosméticos naturales certificados. Los sistemas de Hielscher Ultrasonics son máquinas fiables utilizadas en la producción de cosméticos y productos terapéuticos de alta calidad para formular compuestos bioactivos nanoemulsionados y encapsulados en liposomas con una tasa de absorción y una biocompatibilidad superiores. Para satisfacer las necesidades de sus clientes, Hielscher suministra ultrasonicadores que abarcan desde el homogeneizador compacto de laboratorio de mano y los ultrasonicadores de sobremesa hasta sistemas ultrasónicos totalmente industriales para producir grandes volúmenes de formulaciones cosméticas. Los procesos de formulación ultrasónica de cosméticos y cosmecéuticos pueden realizarse por lotes o como proceso continuo en línea mediante un reactor ultrasónico de flujo continuo. Se dispone de una amplia gama de sonotrodos ultrasónicos (sondas) y recipientes de reactor para garantizar una configuración óptima para su producción de liposomas. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo en entornos exigentes y garantiza una larga vida útil de la máquina.
El control preciso de todos los parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la presión, la temperatura y el tiempo de sonicación, hace que el proceso ultrasónico sea fiable y reproducible. Hielscher Ultrasonics conoce la importancia de mantener una calidad elevada y constante del producto y ayuda a los fabricantes de cosméticos a implementar la estandarización de los procesos y las GMP (buenas prácticas de fabricación) mediante software inteligente y registro automático de datos. Nuestros homogeneizadores ultrasónicos digitales registran automáticamente todos los parámetros del proceso ultrasónico en una tarjeta SD integrada. Las pantallas táctiles digitales y el control remoto desde un navegador permiten supervisar continuamente el proceso y ajustar con precisión sus parámetros siempre que sea necesario. Esto facilita considerablemente la supervisión del proceso y el control de calidad.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: