Formulación limpia de productos de belleza con ultrasonidos

Los ingredientes naturales y orgánicos (INCI) combinados con una alta eficacia y biodisponibilidad son las características de los productos de belleza innovadores y limpios. La ultrasonicación es una técnica muy eficaz y fiable para mezclar, homogeneizar, dispersar, nanoemulsionar y nanoencapsular ingredientes cosméticos.

¿Por qué utilizar ultrasonidos para limpiar los productos de belleza?

La mezcla, la combinación, la dispersión, la emulsión de ingredientes y la encapsulación de moléculas bioactivas son procesos fundamentales en la fabricación de productos cosméticos, para el cuidado de la piel, de belleza y cosmecéuticos. La ejecución fiable, eficiente y homogénea de estos procesos básicos es esencial para obtener productos cosméticos de alta calidad con elevados efectos, potencia y eficacia del producto final. Los ingredientes modernos de alta tecnología son sustancias muy desarrolladas, que requieren una incorporación sofisticada al producto final para obtener los efectos deseados.

Sonicación – Un amplio espectro de aplicaciones

La sonicación es una técnica muy eficaz y fiable para homogeneizar suspensiones líquido-líquido y sólido-líquido. La encapsulación de moléculas en soportes lipídicos de tamaño nanométrico (por ejemplo, liposomas, niosomas, nanopartículas de lípidos sólidos, soportes lipídicos nanoestructurados, micelas, etc.) es otra aplicación importante de los ultrasonidos de alto rendimiento.
La ultrasonicación puede aplicarse a muchos pasos de la producción de productos cosméticos, de belleza y de cuidado de la piel limpios, totalmente naturales y orgánicos, y mejorar la eficacia de las aplicaciones de mezclado y encapsulado. Dado que los mezcladores ultrasónicos proporcionan una mezcla y homogeneización intensas, puede minimizarse o evitarse por completo el uso de aditivos químicos que suelen añadirse para lograr una estabilidad y vida útil prolongadas.
La sonicación le proporciona una ventaja competitiva al producir resultados superiores en un proceso rápido y eficaz que da lugar a suspensiones uniformes y homogéneas. Esto afecta positivamente a la estabilidad del producto, la vida útil y la biocompatibilidad.

Sonicación – Un tratamiento puramente mecánico

La ultrasonificación es un tratamiento suave, no térmico, que no degrada las materias primas por el calor. Muchos ingredientes, como los lípidos, las moléculas bioactivas o los aceites esenciales, son sensibles al calor, por lo que se benefician enormemente de un tratamiento controlado a baja temperatura. Los dispositivos de Hielscher Ultrasonics se pueden controlar con precisión, son fáciles de ajustar y se pueden supervisar y manejar a través de un navegador. El software inteligente protocoliza automáticamente los parámetros de procesamiento en una tarjeta SD integrada. Estas características facilitan la estandarización del proceso y la calidad, así como la aplicación de las Buenas Prácticas de Fabricación (BPF).

El principio de funcionamiento de la sonicación

Dado que la sonicación es un tratamiento puramente mecánico, no se añaden aditivos químicos, que interferirían con la filosofía de los cosméticos limpios. 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.
Un procesador de ultrasonidos tipo sonda acopla ondas ultrasónicas de alta potencia al lodo. Las ondas ultrasónicas altamente energéticas viajan a través del líquido creando ciclos alternos de alta y baja presión, lo que da lugar al fenómeno de cavitación acústica. La cavitación acústica o ultrasónica provoca localmente temperaturas, presiones, velocidades de calentamiento/enfriamiento, diferenciales de presión y elevadas fuerzas de cizallamiento extremas en el medio. Cuando las burbujas de cavitación implosionan en la superficie de partículas o gotas, los microchorros y la colisión interparticlular generan efectos como el pelado de la superficie, la erosión, la rotura de partículas, la sonoporación, así como la disrupción de gotas y células. Además, la implosión de burbujas de cavitación en medios líquidos crea macroturbulencias y micromezclas. La irradiación ultrasónica representa una forma eficaz de potenciar los procesos de transferencia de masa, ya que la sonicación da lugar a la cavitación y sus mecanismos relacionados, como el micromovimiento por chorros de líquido, la compresión y descompresión en el material con la consiguiente disrupción de las gotitas, así como altas velocidades de calentamiento y enfriamiento.
Los ultrasonidos de tipo sonda pueden generar amplitudes muy elevadas, necesarias para generar una cavitación impactante. Hielscher Ultrasonic fabrica procesadores ultrasónicos de alto rendimiento, que pueden crear fácilmente amplitudes de 200µm en funcionamiento continuo 24/7. Para amplitudes aún mayores, Hielscher ofrece sonotrodos (sondas) específicos de gran amplitud.
Para intensificar la cavitación se utilizan reactores ultrasónicos presurizables y celdas de flujo. Al aumentar la presión, la cavitación y las fuerzas de cizallamiento cavitacional se vuelven más destructivas y mejoran así los efectos ultrasónicos.

Ventajas de la mezcla y emulsificación por ultrasonidos

La producción de mezclas homogéneas, dispersiones, emulsiones y nanoemulsiones mediante sonificación ha despertado el interés de los formuladores de cosméticos debido a su excepcional eficiencia energética, la necesidad de instrumentos de mezcla de gama baja, la fácil manipulación del sistema y, lo que es más importante, su bajo coste de producción. El mezclado, la combinación y la emulsificación por ultrasonidos aumentan la flexibilidad a la hora de seleccionar el tensioactivo y las estructuras internas de las emulsiones. (cf. Marzuki et al. 2019)

El tamaño de la molécula importa

Las moléculas de tamaño submicrónico y nano presentan una tasa de permeación transdérmica significativamente mayor. Mientras que las moléculas grandes se asientan en la parte superior de la piel y no pueden penetrar en ella debido a su tamaño, las moléculas más pequeñas son capaces de atravesar la epidermis.
Esto significa que los compuestos bioactivos se transportan a las capas dérmicas más profundas, donde pueden realizar su "trabajo" nutriendo o reparando la piel.
Un ejemplo destacado de la relevancia 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 las capas más profundas de la piel, donde despliega sus efectos hidratantes.
Otro ejemplo de la importancia del tamaño de las partículas son el dióxido de titanio y el óxido de zinc. Ambos se utilizan como ingredientes activos en productos naturales de protección solar (por ejemplo, lociones, cremas hidratantes, sprays). Un tamaño de partícula uniformemente pequeño es importante para no obstruir los poros de la piel y evitar así brotes. Además, con partículas más pequeñas se reduce o evita el efecto blanqueador y brillante de los protectores solares.

La nanoemulsificación ultrasónica se utiliza para producir nanoemulsiones cargadas, liposomas y nanopartículas de lípidos sólidos. La sonicación produce una distribución estrecha de las gotas y partículas nanoestructuradas.

Penetración cutánea mejorada

Los potenciadores químicos de la penetración cutánea incluyen materiales como la l-α-lecitina, la urea, los ácidos grasos, el etanol y los glicoles.

• Los potenciadores de la penetración vesicular en la piel incluyen portadores vesiculares como los liposomas y los niosomas. Los portadores vesiculares son potentes sistemas de administración de moléculas activas. Debido a su composición, ofrecen la ventaja de transportar moléculas tanto hidrofílicas como lipofílicas. Las moléculas hidrofílicas se encapsulan en el núcleo acuoso, y las moléculas lipofílicas se incorporan a la membrana lipídica que rodea el núcleo acuoso. Dado que las paredes de las vesículas están formadas por bicapas de fosfolípidos en el caso de los liposomas y por tensioactivos sintéticos en el de los niosomas, respectivamente, las vesículas son hidrosolubles y, por tanto, altamente biocompatibles.
  Más información sobre los liposomas producidos por ultrasonidos.
• Los potenciadores enzimáticos de la penetración cutánea incluyen enzimas como la HMGCoA reductasa y la acetil CoA carboxilasa, que inhiben enzimas clave de la síntesis lipídica epidérmica y alteran la relación molar crítica de los lípidos clave 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 ultrasónica de la biodisponibilidad de los activos para el cuidado de la piel

La biodisponibilidad se define como la velocidad de penetración de un compuesto activo para alcanzar su lugar de acción. La llamada tasa de flujo o la cantidad de activo que penetra a lo largo del tiempo se determina en microgramos/cm²/hora. En el caso de los principios activos de los productos cosméticos, el lugar de acción de un ingrediente suele ser la epidermis inferior. Las excepciones son activos como el óxido de zinc o el dióxido de titanio, ingredientes habituales en lociones y sprays de protección solar, ya que estas sustancias tienen su lugar de acción en la superficie de la piel, donde las partículas pueden desarrollar su máxima capacidad de absorción de los rayos UV.
La biodisponibilidad de los principios activos depende en gran medida de los tipos de formulaciones cosméticas utilizadas. Las formulaciones habituales en productos de belleza y cuidado personal son emulsiones de aceite en agua (O/W), emulsiones de agua en aceite (W/O), emulsiones de agua en aceite en agua (W/O/W), emulsiones de poliol en aceite, así como hidrogeles. (Los polioles utilizados en formulaciones cosméticas naturales son el sorbitol, el manitol, etc.).

Preparación por ultrasonidos 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 cutánea

La permeabilidad cutánea y, por tanto, la biodisponibilidad de los activos cosméticos y cosmecéuticos pueden aumentarse influyendo en la barrera cutánea o aumentando la solubilidad de las moléculas activas.
Para reducir la barrera cutánea y facilitar el transporte de las moléculas activas a la epidermis inferior, múltiples sustancias como disolventes, fosfolípidos y vesículas tensioactivas hechas de fosfolípidos, así como exfoliantes, pueden mejorar la penetración de los activos en las capas más profundas de la piel.

• Entre los disolventes utilizados se encuentran la dimetilisorbida, el etoxidiglicol, el etanol y el ácido oleico. Estos disolventes son muy compatibles con los procesos de mezcla, combinación y emulsificación por ultrasonidos.
• Es bien sabido que los fosfolípidos mejoran la penetración en la piel de moléculas solubles tanto en aceite como en agua. Los fosfolípidos más utilizados son la lecitina, la lecitina hidrogenada, la lisolecitina y el fosfato de tocoferilo. Se benefician del procesado por ultrasonidos, ya que la sonicación distribuye los fosfolípidos uniformemente en la suspensión.
• Vesículas de tensioactivos: Los tensioactivos pueden formar vesículas multilamelares y unilamelares con activos. Los liposomas y las nanopartículas de lípidos sólidos son ejemplos destacados de vesículas que penetran en la piel y transportan compuestos bioactivos a las zonas diana. La ultrasonicación es el método más eficiente y eficaz para producir liposomas, nanoliposomas y nanopartículas de lípidos sólidos (SLN) con una elevada carga activa, eficiencia de encapsulación (�), estabilidad y biodisponibilidad.
• Los exfoliantes químicos incluyen los ácidos láctico, glicólico y salicílico, y la N-acetil-glucosamina. Los exfoliantes mecánicos incluyen partículas abrasivas minúsculas de carbón vegetal, copos de coco o exfoliante de café. Todas estas sustancias pueden dispersarse eficazmente mediante ultrasonidos.

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

• La formación de complejos de inclusión con ciclodextrinas (como la alfa-, gamma-, hidroxipropil beta-ciclodextrina) se consigue mediante ultrasonidos. Los complejos de ciclodextrina presentan una cavidad en la que se encapsulan los ingredientes bioactivos. La encapsulación/complejización hace que los compuestos activos sean hidrosolubles y, por tanto, biodisponibles. Más información sobre la complejación por infusión ultrasónica
• El fitoglicógeno es una nanopartícula de carbohidrato (polisacárido) de origen vegetal y alta densidad con una cavidad que puede encapsular muchos tipos diferentes de activos. El octenil succinato de fitoglicógeno (PG-OS) es una nanopartícula anfifílica de hidratos de carbono, cuya adición confiere a las emulsiones una gran estabilidad oxidativa de los lípidos. La emulsificación ultrasónica mejora la generación de emulsiones homogéneas y estables de fitoglicógeno.
• Las submicronas y nanoemulsiones se utilizan como sistemas de administración diminutos, que hacen que los compuestos sean hidrosolubles y permiten transportar los principios activos al lugar de destino. El pequeño tamaño a nanoescala de las gotas aumenta la permeabilidad a través de la barrera cutánea hasta las capas más profundas de la piel.
• Los emolientes altamente polares se utilizan habitualmente en formulaciones para solubilizar ingredientes hidrófobos / insolubles en agua, ya que sólo unas pocas sustancias activas son apolares. Los emolientes altamente polares más utilizados son: lauroil sarcosinato de isopropilo, lauril lactato, fenil etil benzoato, maleato de dioctilo e isosorbida de dioctilo. También se sabe que varios tipos de filtros solares potencian la penetración. La mezcla y dispersión por ultrasonidos garantiza una mezcla homogénea de emolientes polares y principios activos.

Mezcladores ultrasónicos de alto rendimiento para productos de belleza limpios

Como tratamiento de mezcla puramente mecánico, la sonicación puede utilizarse para la producción de todo tipo de productos cosméticos naturales certificados. Los sistemas de Hielscher Ultrasonics son máquinas fiables utilizadas en la producción de cosméticos y terapéuticos de alta calidad para formular compuestos bioactivos nanoemulsionados y encapsulados en liposomas con una tasa de absorción y biocompatibilidad superiores. Para satisfacer las demandas de sus clientes, Hielscher suministra ultrasonicadores desde el compacto homogeneizador de laboratorio manual y los ultrasonicadores de sobremesa hasta sistemas ultrasónicos totalmente industriales para la producción de grandes volúmenes de formulaciones cosméticas. Los procesos de formulación por ultrasonidos de cosméticos y cosmecéuticos pueden realizarse por lotes o como proceso continuo en línea utilizando un reactor de flujo ultrasónico. Disponemos 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 de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido 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 es consciente de la importancia de una alta calidad continua del producto y ayuda a los fabricantes de cosméticos a aplicar la estandarización de procesos y las GMP (Buenas Prácticas de Fabricación) mediante un software inteligente y el 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 mediante navegador permiten supervisar el proceso de forma continua y ajustar los parámetros del proceso con precisión siempre que sea necesario. Esto facilita considerablemente la supervisión del proceso y el control de calidad.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: