Formulation de produits de beauté clean avec les ultrasons

Des ingrédients naturels et biologiques (INCIs), associés à une efficacité et à une biodisponibilité élevées, caractérisent les produits de beauté clean innovants. La sonication est une technique très efficace et fiable pour mélanger, homogénéiser, disperser, nano-émulsifier et nano-encapsuler les ingrédients cosmétiques.

Pourquoi utiliser la sonication pour vos produits de beauté clean ?

Le mélange, l’homogénéisation, la dispersion et l’émulsification des ingrédients, ainsi que l’encapsulation des molécules bioactives, sont des procédés fondamentaux dans la fabrication de produits cosmétiques, de soins de la peau, de beauté et cosméceutiques. L’exécution fiable, efficace et homogène de ces procédés fondamentaux est essentielle pour obtenir des produits cosmétiques de haute qualité dont les effets, la puissance d’action et l’efficacité sont accrus. Les ingrédients modernes de haute technologie sont des substances hautement élaborées qui nécessitent une incorporation sophistiquée dans le produit final afin d’obtenir les effets souhaités.

Sonication – Un large éventail d’applications

La sonication est une technique très efficace et fiable pour homogénéiser les suspensions liquide-liquide et solide-liquide. L’encapsulation de molécules dans des vecteurs lipidiques de taille nanométrique (par exemple, des liposomes, des niosomes, des nanoparticules lipidiques solides, des vecteurs lipidiques nanostructurés, des micelles, etc.) constitue une autre application importante des ultrasons de haute performance.
La sonication peut être appliquée à de nombreuses étapes de la production de produits cosmétiques, de beauté et de soins de la peau clean, entièrement naturels et biologiques, et améliorer l’efficacité des applications de mélange et d’encapsulation. Comme les mélangeurs à ultrasons assurent un mélange et une homogénéisation intenses, l’utilisation d’additifs chimiques couramment ajoutés pour prolonger la stabilité et la durée de conservation peut être réduite au minimum, voire entièrement évitée.
La sonication vous procure un avantage concurrentiel en produisant des résultats supérieurs grâce à un procédé rapide et efficace qui permet d’obtenir des suspensions uniformes et homogènes. Cela influe positivement sur la stabilité du produit, sa durée de conservation et sa biocompatibilité.

Sonication – Un traitement purement mécanique

La sonication est un traitement doux et non thermique qui ne dégrade pas les matières premières par la chaleur. De nombreux ingrédients, tels que les lipides, les molécules bioactives ou les huiles essentielles, sont thermosensibles et bénéficient donc grandement d’un traitement contrôlé à basse température. Les appareils Hielscher Ultrasonics peuvent être commandés avec précision, sont faciles à régler et peuvent être surveillés et pilotés à distance depuis un navigateur. Le logiciel intelligent enregistre automatiquement les paramètres de traitement sur une carte SD intégrée. Ces fonctionnalités facilitent la standardisation des procédés et de la qualité, ainsi que la mise en œuvre des bonnes pratiques de fabrication (GMP).

Le principe de fonctionnement de la sonication

La sonication étant un traitement purement mécanique, aucun additif chimique susceptible de contrevenir à la philosophie des cosmétiques clean n’est ajouté. Les applications des ultrasons, telles que le mélange, l’homogénéisation, l’émulsification, l’encapsulation et l’extraction, reposent sur le principe de la cavitation acoustique.
Des ondes ultrasonores de forte puissance sont couplées à la suspension par l’intermédiaire d’un processeur à ultrasons à sonde. Les ondes ultrasonores de haute énergie se propagent dans le liquide et créent une alternance de cycles de haute pression / basse pression, ce qui provoque le phénomène de cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonore engendre localement des températures, des pressions, des vitesses de chauffage/refroidissement et des différences de pression extrêmes, ainsi que des forces de cisaillement élevées dans le milieu. Lorsque les bulles de cavitation implosent à la surface des particules ou des gouttelettes, les microjets et les collisions entre particules produisent des effets tels que le décapage de surface, l’érosion, la fragmentation des particules, la sonoporation, ainsi que la rupture des gouttelettes et des cellules. De plus, l’implosion des bulles de cavitation dans les milieux liquides crée des macroturbulences et un micromélange. L’irradiation ultrasonore constitue un moyen efficace d’améliorer les procédés de transfert de matière, car la sonication produit une cavitation et les mécanismes associés, tels que les micromouvements dus aux jets de liquide, la compression et la décompression du matériau suivies de la rupture des gouttelettes, ainsi que des vitesses élevées de chauffage et de refroidissement.
Les appareils à ultrasons à sonde peuvent générer des amplitudes très élevées, ce qui est nécessaire pour produire une cavitation intense. Hielscher Ultrasonic fabrique des processeurs à ultrasons de haute performance capables de produire aisément des amplitudes de 200µm en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, Hielscher propose des sonotrodes (sondes) spécifiques à haute amplitude.
Des réacteurs à ultrasons et des cellules à circulation pouvant être mis sous pression sont utilisés pour intensifier la cavitation. Lorsque la pression augmente, la cavitation et les forces de cisaillement qu’elle engendre deviennent plus destructrices et renforcent ainsi les effets des ultrasons.

Avantages du mélange et de l’émulsification par ultrasons

La production par sonication de mélanges homogènes, de dispersions, d’émulsions et de nano-émulsions a suscité l’intérêt des formulateurs cosmétiques en raison de son efficacité énergétique exceptionnelle, du recours à des instruments de mélange d’entrée de gamme, de la facilité d’utilisation du système et, surtout, de son faible coût de production. Le mélange, l’homogénéisation et l’émulsification par ultrasons offrent une plus grande souplesse dans le choix des tensioactifs et des structures internes des émulsions. (cf. Marzuki et al. 2019)

La taille des molécules compte

Les molécules de taille submicronique et nanométrique présentent un taux de perméation transdermique nettement accru. Alors que les grandes molécules restent à la surface de la peau et ne peuvent pas y pénétrer en raison de leur taille, les molécules plus petites peuvent traverser l’épiderme.
Cela signifie que les composés bioactifs sont transportés vers les couches dermiques plus profondes, où ils peuvent accomplir leur « travail » en nourrissant ou en réparant la peau.
L’acide hyaluronique, une molécule à longue chaîne, est un exemple marquant de l’importance de la taille moléculaire. Si l’acide hyaluronique possède une masse moléculaire élevée, il ne peut pas franchir la barrière cutanée et reste sous forme de film sur sa couche externe. À l’inverse, l’acide hyaluronique de faible masse moléculaire est transporté vers les couches cutanées plus profondes, où il déploie ses effets hydratants.
Le dioxyde de titane et l’oxyde de zinc constituent un autre exemple de l’importance de la taille des particules. Tous deux sont utilisés comme ingrédients actifs dans les produits de protection solaire naturels (par exemple, les lotions, les produits hydratants et les sprays). Une taille de particules uniformément petite est importante pour éviter l’obstruction des pores de la peau et prévenir ainsi les éruptions cutanées. En outre, avec des particules plus petites, l’effet blanchissant et brillant des produits de protection solaire est réduit ou évité.

La nano-émulsification par ultrasons est utilisée pour produire des nano-émulsions, des liposomes et des nanoparticules lipidiques solides chargés en substances actives. La sonication produit une distribution étroite de la taille des gouttelettes et des particules nanostructurées.

Amélioration de la pénétration cutanée

Les agents chimiques favorisant la pénétration cutanée comprennent des substances telles que la l-α-lécithine, l’urée, les acides gras, l’éthanol et les glycols.

• Les agents vésiculaires favorisant la pénétration cutanée comprennent des vecteurs vésiculaires tels que les liposomes et les niosomes. Les vecteurs vésiculaires sont de puissants systèmes d’administration de molécules actives. Grâce à leur composition, ils présentent l’avantage de transporter aussi bien des molécules hydrophiles que des molécules lipophiles. Les molécules hydrophiles sont encapsulées dans le cœur aqueux, et les molécules lipophiles sont incorporées dans la membrane lipidique qui entoure ce cœur aqueux. Comme les parois des vésicules sont constituées de bicouches de phospholipides pour les liposomes et de tensioactifs synthétiques pour les niosomes, respectivement, les vésicules sont hydrosolubles et donc hautement biocompatibles.
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• Les agents enzymatiques favorisant la pénétration cutanée comprennent des enzymes telles que la HMGCoA réductase et l’acétyl CoA carboxylase, qui inhibent des enzymes clés de la synthèse des lipides épidermiques et modifient le rapport molaire critique des principaux lipides de la couche cornée.
• L’urée, également appelée carbamide, est utilisée pour améliorer l’absorption d’autres ingrédients cosmétiques actifs, car elle augmente la perméabilité cutanée.

Biodisponibilité des actifs dans les soins de la peau améliorée par ultrasons

La biodisponibilité est définie comme le taux de pénétration permettant à un composé actif d’atteindre son site d’action. Le flux, ou la quantité de substance active qui pénètre au fil du temps, est mesuré en microgrammes/cm²/heure. Pour les ingrédients actifs des produits cosmétiques, le site d’action visé se situe généralement dans la partie inférieure de l’épiderme. Les actifs tels que l’oxyde de zinc ou le dioxyde de titane, ingrédients courants des lotions et sprays de protection solaire, constituent des exceptions, car ces substances agissent à la surface de la peau, où les particules peuvent déployer leur capacité maximale d’absorption des UV.
La biodisponibilité des ingrédients actifs est fortement influencée par les types de formulations cosmétiques utilisés. Les formulations courantes des produits de beauté et de soins personnels comprennent les émulsions huile-dans-eau (O/W), eau-dans-huile (W/O), eau-dans-huile-dans-eau (W/O/W), les émulsions polyol-dans-huile, ainsi que les hydrogels. (Les polyols utilisés dans les formulations cosmétiques naturelles sont le sorbitol, le mannitol, etc.).

Préparation d’une émulsion par ultrasons (eau rouge / huile jaune). Quelques secondes de sonication transforment les phases eau/huile séparées en une émulsion fine.

Sonication pour accroître la perméabilité cutanée

La perméabilité cutanée et, par conséquent, la biodisponibilité des actifs cosmétiques et des cosméceutiques peuvent être augmentées soit en agissant sur la barrière cutanée, soit en augmentant la solubilité des molécules actives.
Pour réduire l’effet de barrière de la peau et faciliter le transport des molécules actives vers la partie inférieure de l’épiderme, diverses substances, telles que les solvants, les phospholipides et les vésicules tensioactives constituées de phospholipides, ainsi que les exfoliants, peuvent améliorer la pénétration des actifs dans les couches cutanées plus profondes.

• Les solvants utilisés comprennent le diméthyl isosorbide, l’éthoxydiglycol, l’éthanol et l’acide oléique. Ces solvants sont très compatibles avec les procédés de mélange, d’homogénéisation et d’émulsification par ultrasons.
• Les phospholipides sont bien connus pour améliorer la pénétration cutanée des molécules aussi bien liposolubles qu’hydrosolubles. Les phospholipides couramment utilisés sont la lécithine, la lécithine hydrogénée, la lysolécithine et le phosphate de tocophéryle. Ils bénéficient du traitement par ultrasons, car la sonication répartit les phospholipides uniformément dans la suspension.
• Vésicules tensioactives : les tensioactifs peuvent former des vésicules multilamellaires et unilamellaires contenant des actifs. Les liposomes et les nanoparticules lipidiques solides sont des exemples marquants de vésicules pénétrant dans la peau et transportant des composés bioactifs vers leurs sites cibles. La sonication est la méthode la plus efficace et la plus performante pour produire des liposomes, des nanoliposomes et des nanoparticules lipidiques solides (SLNs) présentant une forte teneur en actifs, une efficacité d’encapsulation (%EE), une stabilité et une biodisponibilité élevées.
• Les exfoliants chimiques comprennent les acides lactique, glycolique et salicylique, ainsi que la N-acétyl-glucosamine. Les gommages mécaniques comprennent de minuscules particules abrasives de charbon, de flocons de noix de coco ou de gommage au café. Toutes ces substances peuvent être dispersées efficacement par sonication.

La solubilité des ingrédients actifs dans les cosmétiques peut être augmentée grâce aux complexes d’inclusion, à l’encapsulation, aux émulsions submicroniques/nanométriques, ainsi qu’à une solubilisation efficace dans la formulation.

• La complexation par inclusion à l’aide de cyclodextrines (telles que les alpha-, gamma- et hydroxypropyl bêta-cyclodextrines) est réalisée par sonication. Les complexes de cyclodextrines présentent une cavité dans laquelle les ingrédients bioactifs sont encapsulés. L’encapsulation / complexation rend les composés actifs hydrosolubles et donc biodisponibles. En savoir plus sur la complexation par infusion ultrasonore !
• Le phytoglycogène est une nanoparticule glucidique (polysaccharidique) d’origine végétale et de haute densité, dotée d’une cavité pouvant encapsuler de nombreux types d’actifs. Le succinate d’octényle de phytoglycogène (PG-OS) est une nanoparticule glucidique amphiphile dont l’ajout confère aux émulsions une forte stabilité des lipides vis-à-vis de l’oxydation. L’émulsification par ultrasons améliore la formation d’émulsions de phytoglycogène homogènes et stables.
• Les émulsions submicroniques et les nano-émulsions sont utilisées comme systèmes d’administration de très petite taille, qui rendent les composés hydrosolubles et permettent de transporter les ingrédients actifs vers le site cible. La petite taille nanométrique des gouttelettes augmente la perméabilité à travers la barrière cutanée vers les couches cutanées plus profondes.
• Les émollients fortement polaires sont couramment utilisés dans les formulations pour solubiliser les ingrédients hydrophobes / insolubles dans l’eau, car seules quelques substances actives sont apolaires. Les émollients fortement polaires suivants sont fréquemment utilisés : le lauroyl sarcosinate d’isopropyle, le lactate de lauryle, le benzoate de phényléthyle, le maléate de dioctyle et l’isosorbide de dioctyle. Divers types de produits de protection solaire sont également connus pour favoriser la pénétration cutanée. Le mélange et la dispersion par ultrasons assurent un mélange homogène des émollients polaires et des ingrédients actifs.

Mélangeurs à ultrasons de haute performance pour les produits de beauté clean

En tant que traitement de mélange purement mécanique, la sonication peut être utilisée pour la production de tous types de produits cosmétiques naturels certifiés. Les systèmes Hielscher Ultrasonics sont des machines fiables utilisées dans la production de cosmétiques et de produits thérapeutiques de haute qualité pour formuler des composés bioactifs nano-émulsifiés et encapsulés dans des liposomes, présentant un taux d’absorption et une biocompatibilité supérieurs. Pour répondre aux exigences de ses clients, Hielscher fournit des appareils à ultrasons allant de l’homogénéisateur de laboratoire compact à main et des appareils à ultrasons de paillasse aux systèmes à ultrasons entièrement industriels destinés à la production de grands volumes de formulations cosmétiques. Les procédés de formulation par ultrasons de cosmétiques et de cosméceutiques peuvent être réalisés par lots ou en continu en ligne à l’aide d’un réacteur à ultrasons à circulation. Une large gamme de sonotrodes (sondes) à ultrasons et de cuves de réacteur est disponible pour garantir une configuration optimale pour votre production de liposomes. La robustesse des équipements à ultrasons de Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif dans des environnements exigeants et assure une longue durée de vie des machines.
Le contrôle précis de tous les paramètres importants du procédé, tels que l’amplitude, la pression, la température et la durée de sonication, rend le procédé ultrasonore fiable et reproductible. Hielscher Ultrasonics connaît l’importance d’une qualité de produit constamment élevée et aide les fabricants de cosmétiques à mettre en œuvre la standardisation des procédés et les GMP (bonnes pratiques de fabrication) grâce à un logiciel intelligent et à l’enregistrement automatique des données. Nos homogénéisateurs à ultrasons numériques enregistrent automatiquement tous les paramètres du procédé ultrasonore sur une carte SD intégrée. Les écrans tactiles numériques et la commande à distance depuis un navigateur permettent une surveillance continue du procédé et un réglage précis des paramètres chaque fois que nécessaire. Cela facilite considérablement la surveillance du procédé et le contrôle qualité.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :