Clean beauty -tuotteiden formulointi ultraäänellä

Luonnolliset, luomuperäiset ainesosat (INCI-ainesosat) yhdistettyinä korkeaan tehokkuuteen ja biologiseen hyötyosuuteen ovat innovatiivisten clean beauty -tuotteiden ominaisuuksia. Ultraäänikäsittelyä käytetään erittäin tehokkaana ja luotettavana menetelmänä kosmeettisten ainesosien sekoittamiseen, yhdistämiseen, dispergointiin, nanoemulgointiin ja nanokapselointiin.

Miksi clean beauty -tuotteiden valmistuksessa kannattaa käyttää ultraäänikäsittelyä?

Ainesosien sekoittaminen, yhdistäminen, dispergointi ja emulgointi sekä bioaktiivisten molekyylien kapselointi ovat keskeisiä prosesseja kosmetiikka-, ihonhoito-, kauneudenhoito- ja kosmeseuttisten tuotteiden valmistuksessa. Näiden keskeisten prosessien luotettava, tehokas ja homogeeninen toteutus on välttämätöntä korkealaatuisten kosmetiikkatuotteiden valmistamiseksi siten, että lopputuotteen vaikutukset, vaikuttavuus ja tehokkuus ovat tavallista suuremmat. Nykyaikaiset huipputeknologiset ainesosat ovat pitkälle kehitettyjä aineita, joiden sisällyttäminen lopputuotteeseen edellyttää kehittyneitä menetelmiä haluttujen vaikutusten saavuttamiseksi.

Ultraäänikäsittely – laaja valikoima käyttökohteita

Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas ja luotettava menetelmä neste–neste- ja kiinteä aine–neste-suspensioiden homogenointiin. Molekyylien kapselointi nanokokoisiin lipidipohjaisiin kantajiin (esim. liposomeihin, niosomeihin, kiinteisiin lipidinanohiukkasiin, nanorakenteisiin lipidikantajiin, miselleihin jne.) on toinen tärkeä tehokkaan ultraäänitekniikan käyttökohde.
Ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää puhtaiden, täysin luonnollisten ja luomuperäisten kosmetiikka-, kauneudenhoito- ja ihonhoitotuotteiden valmistuksen monissa vaiheissa, ja se voi parantaa sekoitus- ja kapselointisovellusten tehokkuutta. Koska ultraäänisekoittimet sekoittavat ja homogenoivat voimakkaasti, pitkäaikaisen stabiiliuden ja säilyvyyden saavuttamiseksi tavallisesti lisättävien kemiallisten lisäaineiden käyttö voidaan minimoida tai välttää kokonaan.
Ultraäänikäsittely antaa kilpailuedun tuottamalla erinomaisia tuloksia nopeassa ja tehokkaassa prosessissa, jonka tuloksena syntyy tasalaatuisia, homogeenisia suspensioita. Tämä vaikuttaa myönteisesti tuotteen stabiiliuteen, säilyvyyteen ja bioyhteensopivuuteen.

Ultraäänikäsittely – puhtaasti mekaaninen käsittely

Ultraäänikäsittely on hellävarainen, ei-terminen käsittely, joka ei hajota raaka-aineita lämmön vaikutuksesta. Monet ainesosat, kuten lipidit, bioaktiiviset molekyylit ja eteeriset öljyt, ovat lämpöherkkiä ja hyötyvät siksi suuresti hallitusta käsittelystä alhaisessa lämpötilassa. Hielscher Ultrasonics -laitteita voidaan ohjata tarkasti ja säätää helposti, ja niitä voidaan valvoa ja käyttää selaimen kautta etäohjauksella. Älykäs ohjelmisto tallentaa käsittelyparametrit automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Nämä ominaisuudet helpottavat prosessin ja laadun standardointia sekä hyvien tuotantotapojen (GMP) käyttöönottoa.

Ultraäänikäsittelyn toimintaperiaate

Koska ultraäänikäsittely on puhtaasti mekaaninen käsittely, siihen ei lisätä kemiallisia lisäaineita, jotka olisivat ristiriidassa puhtaan kosmetiikan periaatteiden kanssa. Ultraäänisovellukset, kuten sekoittaminen, yhdistäminen, emulgointi, kapselointi ja uutto, perustuvat akustisen kavitaation toimintaperiaatteeseen.
Suuritehoiset ultraääniaallot kytketään lietteeseen anturityyppisen ultraääniprosessorin välityksellä. Erittäin energiapitoiset ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi ja synnyttävät vuorottelevia korkean ja matalan paineen jaksoja, mikä johtaa akustiseen kavitaatioon. Akustinen eli ultraäänikavitaatio aiheuttaa väliaineessa paikallisesti äärimmäisiä lämpötiloja, paineita, lämpenemis- ja jäähtymisnopeuksia, paine-eroja ja suuria leikkausvoimia. Kun kavitaatiokuplat luhistuvat hiukkasten tai pisaroiden pinnalla, mikrosuihkut ja hiukkasten väliset törmäykset aiheuttavat muun muassa pinnan kuoriutumista, eroosiota, hiukkasten hajoamista, sonoporaatiota sekä pisaroiden ja solujen hajotusta. Lisäksi kavitaatiokuplien luhistuminen nestemäisissä väliaineissa synnyttää makroturbulenssia ja mikrosekoittumista. Ultraäänisäteilytys on tehokas tapa tehostaa aineensiirtoprosesseja, sillä ultraäänikäsittely aiheuttaa kavitaatiota ja siihen liittyviä mekanismeja, kuten nestesuihkujen synnyttämää mikroliikettä, materiaalin puristumista ja laajenemista sekä näitä seuraavaa pisaroiden hajoamista, samoin kuin suuria lämpenemis- ja jäähtymisnopeuksia.
Anturityyppiset ultraäänilaitteet voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja, joita tarvitaan voimakkaan kavitaation synnyttämiseen. Hielscher Ultrasonic valmistaa tehokkaita ultraääniprosessoreita, jotka voivat helposti tuottaa 200 µm:n amplitudeja jatkuvassa ympärivuorokautisessa käytössä viikon jokaisena päivänä (24/7). Vielä suurempia amplitudeja varten Hielscher tarjoaa erityisiä suuren amplitudin sonotrodeja (antureita).
Kavitaation voimistamiseen käytetään paineistettavia ultraäänireaktoreita ja virtauskennoja. Paineen kasvaessa kavitaation ja kavitaation aiheuttamien leikkausvoimien hajottava vaikutus voimistuu, mikä tehostaa ultraäänen vaikutuksia.

Ultraäänisekoituksen ja -emulgoinnin edut

Homogeenisten seosten, dispersioiden, emulsioiden ja nanoemulsioiden valmistaminen ultraäänikäsittelyllä on herättänyt kosmetiikan formuloijien kiinnostuksen poikkeuksellisen energiatehokkuutensa, perustason sekoituslaitteiden tarpeen, järjestelmän helpon käytön ja ennen kaikkea alhaisten tuotantokustannustensa ansiosta. Ultraäänisekoitus, ainesosien yhdistäminen ja ultraääniemulgointi lisäävät joustavuutta pinta-aktiivisten aineiden ja emulsioiden sisäisten rakenteiden valinnassa. (vrt. Marzuki et al. 2019)

Molekyylikoolla on merkitystä

Submikronisten ja nanokokoisten molekyylien ihon läpäisynopeus on huomattavasti suurempi. Suuret molekyylit jäävät ihon pinnalle eivätkä kokonsa vuoksi pysty tunkeutumaan ihoon, kun taas pienemmät molekyylit pystyvät kulkemaan orvaskeden läpi.
Tämä tarkoittaa, että bioaktiiviset yhdisteet kulkeutuvat syvempiin ihokerroksiin, joissa ne voivat tehdä ”työnsä” ravitsemalla tai korjaamalla ihoa.
Keskeinen esimerkki molekyylikoon merkityksestä on hyaluronihappo, joka on pitkäketjuinen molekyyli. Jos hyaluronihapon molekyylipaino on suuri, se ei pysty läpäisemään ihon suojakerrosta vaan jää kalvoksi sen ulkopinnalle. Pienimolekyylinen hyaluronihappo puolestaan kulkeutuu syvempiin ihokerroksiin, joissa se vaikuttaa kosteuttavasti.
Toinen esimerkki hiukkaskoon merkityksestä ovat titaanidioksidi ja sinkkioksidi. Molempia käytetään vaikuttavina ainesosina luonnollisissa aurinkosuojatuotteissa (esim. emulsioissa, kosteusvoiteissa ja suihkeissa). Tasaisen pieni hiukkaskoko on tärkeä ihohuokosten tukkeutumisen välttämiseksi ja siten epäpuhtauksien muodostumisen ehkäisemiseksi. Lisäksi pienemmät hiukkaset vähentävät aurinkosuojatuotteiden valkaisevaa ja kiiltoa aiheuttavaa vaikutusta tai poistavat sen.

Ultraääninanoemulgointia käytetään vaikuttavilla aineilla ladattujen nanoemulsioiden, liposomien ja kiinteiden lipidinanohiukkasten valmistamiseen. Ultraäänikäsittely tuottaa kapean pisarakokojakauman ja nanorakenteisia hiukkasia.

Parempi ihoon tunkeutuminen

Kemiallisia ihoon tunkeutumista tehostavia aineita ovat esimerkiksi l-α-lesitiini, urea, rasvahapot, etanoli ja glykolit.

• Vesikulaarisia ihoon tunkeutumista tehostavia aineita ovat vesikulaariset kantajat, kuten liposomit ja niosomit. Vesikulaariset kantajat ovat tehokkaita kuljetusjärjestelmiä vaikuttaville molekyyleille. Koostumuksensa ansiosta niiden etuna on kyky kuljettaa sekä hydrofiilisiä että lipofiilisiä molekyylejä. Hydrofiiliset molekyylit kapseloidaan vesipitoiseen ytimeen, ja lipofiiliset molekyylit sisällytetään vesipitoista ydintä ympäröivään lipidikalvoon. Koska liposomien vesikkeliseinämät koostuvat fosfolipidikaksoiskerroksista ja niosomien vastaavasti synteettisistä pinta-aktiivisista aineista, vesikkelit ovat vesiliukoisia ja siten erittäin bioyhteensopivia.
  Lue lisää ultraäänellä valmistetuista liposomeista!
• Entsymaattisia ihoon tunkeutumista tehostavia aineita ovat esimerkiksi HMGCoA-reduktaasi ja asetyyli-CoA-karboksylaasi, jotka estävät orvaskeden lipidisynteesin keskeisiä entsyymejä ja muuttavat sarveiskerroksen keskeisten lipidien kriittistä moolisuhdetta.
• Ureaa, joka tunnetaan myös karbamidina, käytetään muiden vaikuttavien kosmeettisten ainesosien imeytymisen tehostamiseen, koska se lisää ihon läpäisevyyttä.

Ultraäänellä parannettu ihonhoidon vaikuttavien aineiden biologinen hyötyosuus

Biologinen hyötyosuus määritellään vaikuttavan yhdisteen tunkeutumisnopeudeksi sen vaikutuskohteeseen. Niin sanottu vuon nopeus eli ajan kuluessa tunkeutuvan vaikuttavan aineen määrä määritetään yksikössä mikrogrammaa/cm²/tunti. Kosmetiikkatuotteiden vaikuttavan ainesosan tavoiteltu vaikutuskohde on yleensä orvaskeden alaosa. Poikkeuksia ovat vaikuttavat aineet, kuten sinkkioksidi ja titaanidioksidi, jotka ovat tavallisia aurinkosuojaemulsioiden ja -suihkeiden ainesosia, sillä näiden aineiden vaikutuskohde on ihon pinnalla, jossa hiukkaset voivat saavuttaa suurimman UV-absorptiokykynsä.
Käytettyjen kosmeettisten formulaatioiden tyypit vaikuttavat voimakkaasti vaikuttavien ainesosien biologiseen hyötyosuuteen. Kauneudenhoito- ja henkilökohtaisen hygienian tuotteiden tavallisia formulaatioita ovat öljy-vedessä-emulsiot (O/W), vesi-öljyssä-emulsiot (W/O), vesi-öljyssä-vedessä-emulsiot (W/O/W), polyoli-öljyssä-emulsiot sekä hydrogeelit. (Luonnonkosmetiikan formulaatioissa käytettäviä polyoleja ovat sorbitoli, mannitoli jne.).

Emulsion valmistaminen ultraäänellä (punainen vesi / keltainen öljy). Muutaman sekunnin ultraäänikäsittely muuttaa erilliset vesi- ja öljyfaasit hienojakoiseksi emulsioksi.

Ultraäänikäsittely ihon läpäisevyyden lisäämiseksi

Ihon läpäisevyyttä ja siten kosmeettisten vaikuttavien aineiden ja kosmeseuttisten tuotteiden biologista hyötyosuutta voidaan lisätä joko vaikuttamalla ihon suojakerrokseen tai lisäämällä vaikuttavien molekyylien liukoisuutta.
Ihon suojakerroksen läpäisyesteen madaltamiseksi ja vaikuttavien molekyylien orvaskeden alaosaan kulkeutumisen helpottamiseksi monet aineet, kuten liuottimet, fosfolipidit ja fosfolipideistä valmistetut pinta-aktiivisten aineiden vesikkelit sekä kuorinta-aineet, voivat parantaa vaikuttavien aineiden tunkeutumista syvempiin ihokerroksiin.

• Käytettäviä liuottimia ovat dimetyyli-isosorbidi, etoksidiglykoli, etanoli ja öljyhappo. Nämä liuottimet soveltuvat erittäin hyvin ultraäänellä tapahtuviin sekoitus-, yhdistämis- ja emulgointiprosesseihin.
• Fosfolipidien tiedetään hyvin tehostavan sekä öljy- että vesiliukoisten molekyylien tunkeutumista ihoon. Yleisesti käytettyjä fosfolipidejä ovat lesitiini, hydrattu lesitiini, lysolesitiini ja tokoferyylifosfaatti. Ne hyötyvät ultraäänikäsittelystä, sillä käsittely jakaa fosfolipidit tasaisesti suspensioon.
• Pinta-aktiivisten aineiden vesikkelit: pinta-aktiiviset aineet voivat muodostaa monikerroksisia ja yksikerroksisia vesikkeleitä, jotka sisältävät vaikuttavia aineita. Liposomit ja kiinteät lipidinanohiukkaset ovat keskeisiä esimerkkejä ihoon tunkeutuvista vesikkeleistä, jotka kuljettavat bioaktiivisia yhdisteitä kohteisiinsa. Ultraäänikäsittely on tehokkain ja vaikuttavin menetelmä sellaisten liposomien, nanoliposomien ja kiinteiden lipidinanohiukkasten (SLN) valmistamiseen, joilla on suuri vaikuttavien aineiden latausaste, kapselointitehokkuus (%EE), stabiilius ja biologinen hyötyosuus.
• Kemiallisia kuorinta-aineita ovat maitohappo, glykolihappo, salisyylihappo ja N-asetyyliglukosamiini. Mekaanisissa kuorinnoissa käytetään erittäin pieniä hankaavia hiukkasia, jotka ovat peräisin hiilestä, kookoshiutaleista tai kahvikuorinta-aineesta. Kaikki nämä aineet voidaan dispergoida tehokkaasti ultraäänikäsittelyllä.

Kosmetiikan vaikuttavien ainesosien liukoisuutta voidaan lisätä inkluusiokomplekseilla, kapseloinnilla, submikroni- ja nanoemulsioilla sekä liuottamalla ainesosat tehokkaasti formulaatioon.

• Inkluusiokompleksien muodostaminen syklodekstriineillä (kuten alfa-, gamma- ja hydroksipropyylibeetasyklodekstriinillä) toteutetaan ultraäänikäsittelyllä. Syklodekstriinikomplekseissa on ontelo, johon bioaktiiviset ainesosat kapseloidaan. Kapselointi / kompleksinmuodostus tekee vaikuttavista yhdisteistä vesiliukoisia ja siten biologisesti hyödynnettäviä. Lue lisää ultraäänellä tapahtuvasta infuusiokompleksien muodostamisesta!
• Fytoglykogeeni on kasviperäinen, tiheä hiilihydraatti- eli polysakkaridinanohiukkanen, jonka onteloon voidaan kapseloida monia erityyppisiä vaikuttavia aineita. Fytoglykogeenioktenyylisukkinaatti (PG-OS) on amfifiilinen hiilihydraattinanohiukkanen, jonka lisääminen antaa emulsioiden lipideille hyvän hapettumisstabiiliuden. Ultraääniemulgointi parantaa homogeenisten, stabiilien fytoglykogeeniemulsioiden muodostumista.
• Submikroni- ja nanoemulsioita käytetään erittäin pieninä kuljetusjärjestelminä, jotka tekevät yhdisteistä vesiliukoisia ja mahdollistavat vaikuttavien ainesosien kuljettamisen vaikutuskohteeseen. Pisaroiden pieni nanomittakaavan koko lisää ihon suojakerroksen läpäisevyyttä syvempiin ihokerroksiin.
• Erittäin polaarisia pehmentäviä aineita käytetään yleisesti formulaatioissa hydrofobisten / veteen liukenemattomien ainesosien liuottamiseen, sillä vain harvat vaikuttavat aineet ovat poolittomia. Seuraavia erittäin polaarisia pehmentäviä aineita käytetään usein: isopropyylilauroyylisarkosinaatti, lauryylilaktaatti, fenyylietyylibentsoaatti, dioktyylimaleaatti ja dioktyyli-isosorbidi. Myös erityyppisten aurinkosuojien tiedetään tehostavan ihoon tunkeutumista. Ultraäänisekoitus ja -dispergointi varmistavat polaaristen pehmentävien aineiden ja vaikuttavien ainesosien homogeenisen seoksen.

Tehokkaat ultraäänisekoittimet clean beauty -tuotteille

Puhtaasti mekaanisena sekoituskäsittelynä ultraäänikäsittelyä voidaan käyttää kaikenlaisten sertifioitujen luonnonkosmetiikkatuotteiden valmistamiseen. Hielscher Ultrasonics -järjestelmät ovat luotettavia laitteita, joita käytetään korkealaatuisen kosmetiikan ja terapeuttisten tuotteiden valmistuksessa nanoemulgoitujen ja liposomeihin kapseloitujen bioaktiivisten yhdisteiden formulointiin siten, että niiden imeytymisnopeus ja bioyhteensopivuus ovat erinomaiset. Asiakkaidensa tarpeiden täyttämiseksi Hielscher toimittaa ultraäänilaitteita kompakteista kädessä pidettävistä laboratoriohomogenisaattoreista ja pöytämallisista ultraäänilaitteista täysin teollisiin ultraäänijärjestelmiin, joilla valmistetaan suuria määriä kosmeettisia formulaatioita. Kosmetiikan ja kosmeseuttisten tuotteiden ultraääniformulointiprosessit voidaan toteuttaa eräprosesseina tai jatkuvina linjaprosesseina käyttämällä ultraääniläpivirtausreaktoria. Saatavilla on laaja valikoima ultraäänisonotrodeja (antureita) ja reaktoriastioita, jotta liposomien tuotantoon voidaan varmistaa optimaalinen laitekokoonpano. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa ympärivuorokautisen käytön viikon jokaisena päivänä (24/7) kovassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä sekä varmistaa laitteiden pitkän käyttöiän.
Kaikkien tärkeiden prosessiparametrien, kuten amplitudin, paineen, lämpötilan ja ultraäänikäsittelyajan, tarkka hallinta tekee ultraääniprosessista luotettavan ja toistettavan. Hielscher Ultrasonics tuntee jatkuvasti korkean tuotelaadun merkityksen ja tukee kosmetiikkavalmistajia prosessien standardoinnin ja hyvien tuotantotapojen (GMP, Good Manufacturing Practices) käyttöönotossa älykkään ohjelmiston ja automaattisen tietojen tallennuksen avulla. Digitaaliset ultraäänihomogenisaattorimme tallentavat kaikki ultraääniprosessin parametrit automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Digitaaliset kosketusnäytöt ja selaimen kautta tapahtuva etäohjaus mahdollistavat prosessin jatkuvan valvonnan ja prosessiparametrien tarkan säätämisen aina tarvittaessa. Tämä helpottaa prosessin valvontaa ja laadunohjausta merkittävästi.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: