פיתוח פורמולציות של מוצרי קוסמטיקה נקייה באמצעות אולטרסאונד

רכיבים טבעיים ואורגניים (INCIs), בשילוב יעילות וזמינות ביולוגית גבוהות, הם המאפיינים של מוצרי קוסמטיקה נקייה חדשניים. טיפול באולטרסאונד משמש כטכניקה יעילה ואמינה ביותר לערבוב, לערבול, לפיזור, ליצירת ננו־תחליבים ולכימוס של רכיבי קוסמטיקה בקנה מידה ננומטרי.

מדוע כדאי להשתמש באולטרסאונד עבור מוצרי הקוסמטיקה הנקייה שלכם?

ערבוב, ערבול, פיזור ותחלוב של רכיבים וכימוס של מולקולות פעילות ביולוגית הם תהליכי ליבה בייצור מוצרי קוסמטיקה, טיפוח עור, יופי וקוסמטיקה טיפולית. ביצוע אמין, יעיל והומוגני של תהליכי ליבה אלה חיוני לקבלת מוצרי קוסמטיקה באיכות גבוהה, בעלי השפעות מוגברות, עוצמת פעילות גבוהה ויעילות משופרת של המוצר הסופי. רכיבים מודרניים המבוססים על טכנולוגיה מתקדמת הם חומרים מפותחים ביותר, הדורשים שילוב מתוחכם במוצר הסופי כדי להשיג את ההשפעות הרצויות.

סוניקציה – מגוון רחב של יישומים

סוניקציה היא טכניקה יעילה ואמינה ביותר להומוגניזציה של תרחיפי נוזל–נוזל ומוצק–נוזל. כימוס מולקולות בנשאים ליפידיים בגודל ננומטרי (למשל ליפוזומים, ניוזומים, ננו־חלקיקים ליפידיים מוצקים, נשאים ליפידיים בעלי מבנה ננומטרי, מיצלות וכו') הוא יישום חשוב נוסף של אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים.
ניתן ליישם טיפול באולטרסאונד בשלבים רבים בייצור מוצרי קוסמטיקה, יופי וטיפוח עור נקיים, טבעיים לחלוטין ואורגניים, ולשפר את היעילות של יישומי ערבוב וכימוס. מאחר שמערבלים אולטרסוניים מספקים ערבול והומוגניזציה אינטנסיביים, ניתן לצמצם למינימום או למנוע לחלוטין את השימוש בתוספים כימיים שנהוג להוסיף להשגת יציבות וחיי מדף ממושכים.
סוניקציה מעניקה לכם יתרון תחרותי באמצעות הפקת תוצאות מעולות בתהליך מהיר ויעיל המניב תרחיפים אחידים והומוגניים. הדבר משפיע לטובה על יציבות המוצר, על חיי המדף ועל התאימות הביולוגית.

סוניקציה – טיפול מכני בלבד

טיפול באולטרסאונד הוא טיפול עדין ולא תרמי, שאינו גורם לפירוק חומרי הגלם בחום. רכיבים רבים, כגון ליפידים, מולקולות פעילות ביולוגית או שמנים אתריים, רגישים לחום ולכן מפיקים תועלת רבה מעיבוד מבוקר בטמפרטורה נמוכה. מכשירי Hielscher Ultrasonics ניתנים לבקרה מדויקת ולכוונון קל, ואפשר לנטר ולהפעיל אותם באמצעות שליטה מרחוק דרך הדפדפן. התוכנה החכמה מתעדת אוטומטית את פרמטרי העיבוד בכרטיס SD מובנה. תכונות אלה מקלות על האחדת התהליכים והאיכות וכן על יישום תנאי ייצור נאותים (GMP).

עקרון הפעולה של סוניקציה

מכיוון שסוניקציה היא טיפול מכני בלבד, לא מוסיפים חומרים כימיים כתוספים, שהיו סותרים את תפיסת הקוסמטיקה הנקייה. יישומים אולטרסוניים כגון ערבוב, מיזוג, תחלוב, כימוס ומיצוי מבוססים על עקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית.
גלים אולטרסוניים בהספק גבוה מועברים אל התרחיף באמצעות מעבד אולטרסוני בעל גשושית. גלי אולטרסאונד עתירי אנרגיה נעים בנוזל ויוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה / לחץ נמוך, הגורמים לתופעת הקוויטציה האקוסטית. קוויטציה אקוסטית או אולטרסונית גורמת באופן מקומי לטמפרטורות וללחצים קיצוניים, לקצבי חימום וקירור קיצוניים, להפרשי לחצים ולכוחות גזירה גבוהים בתווך. כאשר בועות קוויטציה קורסות על פני השטח של חלקיקים או טיפות, סילונים זעירים והתנגשויות בין חלקיקים יוצרים השפעות כגון קילוף פני השטח, שחיקה, פירוק חלקיקים, יצירת נקבוביות בקרומי תאים באמצעות סוניקציה, וכן פירוק טיפות ותאים. בנוסף, קריסת בועות קוויטציה בתווכים נוזליים יוצרת מערבולות בקנה מידה גדול וערבוב בקנה מידה זעיר. הקרנה אולטרסונית היא דרך יעילה להגברת תהליכי מעבר מסה, שכן סוניקציה גורמת לקוויטציה ולמנגנונים הנלווים לה, כגון תנועות זעירות הנוצרות באמצעות סילוני נוזל, דחיסה והפחתת לחץ בחומר שבעקבותיהן מתרחש פירוק טיפות, וכן קצבי חימום וקירור גבוהים.
מכשירים אולטרסוניים בעלי גשושית יכולים לייצר אמפליטודות גבוהות מאוד, הנחוצות ליצירת קוויטציה בעלת השפעה ניכרת. Hielscher Ultrasonic מייצרת מעבדים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, שיכולים לייצר בקלות אמפליטודות של 200µm בהפעלה רציפה 24/7. לאמפליטודות גבוהות אף יותר, Hielscher מציעה סונוטרודות (גשושיות) ייעודיות לאמפליטודות גבוהות.
ראקטורים אולטרסוניים ותאי זרימה הניתנים להפעלה בלחץ משמשים להגברת הקוויטציה. ככל שהלחץ עולה, הקוויטציה וכוחות הגזירה הנוצרים בה נעשים הרסניים יותר, ובכך משפרים את ההשפעות האולטרסוניות.

היתרונות של מיזוג ותחלוב אולטרסוניים

ייצור תערובות הומוגניות, דיספרסיות, תחליבים וננו־תחליבים באמצעות סוניקציה עורר את עניינם של מפתחי פורמולציות קוסמטיות בזכות היעילות האנרגטית יוצאת הדופן של התהליך, הצורך במכשירי ערבוב בסיסיים, התפעול הקל של המערכת, וחשוב מכול, עלות הייצור הנמוכה שלו. ערבוב, מיזוג ותחלוב אולטרסוניים מגדילים את הגמישות בבחירת החומר הפעיל שטח והמבנים הפנימיים של התחליבים. (ראו Marzuki et al. 2019)

גודל המולקולה חשוב

מולקולות בגודל תת־מיקרוני וננומטרי מציגות קצב חדירה דרך העור הגבוה במידה ניכרת. בעוד שמולקולות גדולות נשארות על פני העור ואינן יכולות לחדור אליו בשל גודלן, מולקולות קטנות יותר מסוגלות לעבור דרך האפידרמיס.
משמעות הדבר היא שהתרכובות הפעילות ביולוגית מועברות לשכבות עמוקות יותר של הדרמיס, שם הן יכולות לבצע את ״עבודתן״ באמצעות הזנת העור או תיקונו.
דוגמה בולטת לחשיבותו של גודל המולקולה היא חומצה היאלורונית, מולקולה בעלת שרשרת ארוכה. אם לחומצה ההיאלורונית משקל מולקולרי גבוה, היא אינה יכולה לעבור דרך מחסום העור ונשארת כשכבה דקה על פני השכבה החיצונית שלו. לעומת זאת, חומצה היאלורונית בעלת משקל מולקולרי נמוך מועברת לשכבות עמוקות יותר של העור, שם היא מפעילה את השפעותיה המעניקות לחות.
דוגמה נוספת לחשיבותו של גודל החלקיקים היא טיטניום דו־חמצני ותחמוצת אבץ. שניהם משמשים כרכיבים פעילים במוצרי הגנה טבעיים מפני השמש (למשל תחליבים, תכשירי לחות ותרסיסים). גודל חלקיקים קטן ואחיד חשוב למניעת סתימת נקבוביות העור, ובכך למניעת התפרצויות פצעונים. יתרה מזאת, חלקיקים קטנים יותר מפחיתים או מונעים את אפקט ההלבנה והברק של תכשירי ההגנה מפני השמש.

ננו־תחלוב אולטרסוני משמש לייצור ננו־תחליבים, ליפוזומים וננו־חלקיקים ליפידיים מוצקים הטעונים בחומרים. סוניקציה יוצרת התפלגות גדלים צרה של טיפות וחלקיקים בעלי מבנה ננומטרי.

חדירה משופרת לעור

משפרי חדירה כימיים לעור כוללים חומרים כגון l-α-לציטין, אוריאה, חומצות שומן, אתנול וגליקולים.

• משפרי חדירה שלפוחיתיים לעור כוללים נשאים שלפוחיתיים כגון ליפוזומים וניוזומים. נשאים שלפוחיתיים הם מערכות הולכה יעילות ביותר למולקולות פעילות. בזכות הרכבם, הם מציעים את היתרון של נשיאת מולקולות הידרופיליות וגם מולקולות ליפופיליות. מולקולות הידרופיליות מכומסות בליבה המימית, ומולקולות ליפופיליות משולבות בממברנה הליפידית המקיפה את הליבה המימית. מאחר שדופנות השלפוחיות מורכבות מדו־שכבות פוספוליפידיות בליפוזומים ומחומרים פעילי שטח סינתטיים בניוזומים, בהתאמה, השלפוחיות מסיסות במים ולכן בעלות תאימות ביולוגית גבוהה.
  קראו עוד על ליפוזומים המיוצרים באמצעות אולטרסאונד!
• משפרי חדירה אנזימטיים לעור כוללים אנזימים כגון HMGCoA רדוקטאז ואצטיל CoA קרבוקסילאז, המעכבים אנזימים מרכזיים בסינתזת ליפידים באפידרמיס ומשנים את היחס המולרי הקריטי בין הליפידים המרכזיים של השכבה הקרנית.
• אוריאה, הידועה גם בשם קרבמיד, משמשת לשיפור הספיגה של רכיבים קוסמטיים פעילים אחרים, שכן היא מגבירה את חדירות העור.

שיפור הזמינות הביולוגית של חומרים פעילים בטיפוח העור באמצעות אולטרסאונד

הזמינות הביולוגית מוגדרת כקצב החדירה של תרכובת פעילה עד להגעתה לאתר הפעולה שלה. קצב השטף, כפי שהוא מכונה, או כמות החומר הפעיל החודרת לאורך זמן, נקבע במיקרוגרם/cm²/שעה. עבור רכיבים פעילים במוצרי קוסמטיקה, אתר הפעולה המיועד של הרכיב הוא בדרך כלל החלק התחתון של האפידרמיס. יוצאי דופן הם חומרים פעילים כגון תחמוצת אבץ או טיטניום דו־חמצני, רכיבים נפוצים בתחליבים ובתרסיסים להגנה מהשמש, שכן אתר הפעולה של חומרים אלה נמצא על פני העור, שם החלקיקים יכולים לממש את יכולת הספיגה המרבית שלהם לקרינת UV.
הזמינות הביולוגית של רכיבים פעילים מושפעת במידה רבה מסוגי הפורמולציות הקוסמטיות שבהן משתמשים. פורמולציות נפוצות במוצרי יופי וטיפוח אישי הן תחליבי שמן במים (O/W), תחליבי מים בשמן (W/O), תחליבי מים בשמן במים (W/O/W), תחליבי פוליאול בשמן וכן הידרוג'לים. (פוליאולים המשמשים בפורמולציות קוסמטיות טבעיות הם סורביטול, מניטול וכו').

הכנה אולטרסונית של תחליב (מים אדומים / שמן צהוב). שניות אחדות של סוניקציה הופכות את פאזות המים/שמן הנפרדות לתחליב עדין.

סוניקציה להגברת חדירות העור

ניתן להגביר את חדירות העור, ובכך את הזמינות הביולוגית של חומרים קוסמטיים פעילים ושל תכשירים קוסמצבטיים, באמצעות השפעה על מחסום העור או באמצעות הגברת המסיסות של המולקולות הפעילות.
כדי להפחית את תפקודו של מחסום העור ולהקל על הובלת המולקולות הפעילות לחלק התחתון של האפידרמיס, מגוון חומרים כגון ממסים, פוספוליפידים ושלפוחיות של חומרים פעילי שטח העשויות מפוספוליפידים, וכן חומרי קילוף, יכולים לשפר את חדירת החומרים הפעילים לשכבות העמוקות יותר של העור.

• הממסים שבהם משתמשים כוללים דימתיל איזוסורביד, אתוקסידיגליקול, אתנול וחומצה אולאית. ממסים אלה מתאימים במידה רבה לתהליכי ערבוב, מיזוג ותחלוב אולטרסוניים.
• פוספוליפידים מוכרים היטב כמשפרי חדירה לעור של מולקולות מסיסות בשמן ושל מולקולות מסיסות במים. פוספוליפידים נפוצים בשימוש הם לציטין, לציטין מוקשה, ליזולציטין וטוקופריל פוספט. עיבוד אולטרסוני מועיל להם, שכן הסוניקציה מפזרת את הפוספוליפידים באופן אחיד בתרחיף.
• שלפוחיות של חומרים פעילי שטח: חומרים פעילי שטח יכולים ליצור שלפוחיות רב־שכבתיות וחד־שכבתיות המכילות חומרים פעילים. ליפוזומים וננו־חלקיקים ליפידיים מוצקים הם דוגמאות בולטות לשלפוחיות החודרות לעור ומובילות תרכובות פעילות ביולוגית לאתרי היעד. טיפול אולטרסוני הוא השיטה היעילה והאפקטיבית ביותר לייצור ליפוזומים, ננו־ליפוזומים וננו־חלקיקים ליפידיים מוצקים (SLNs) בעלי תכולה גבוהה של חומרים פעילים, יעילות אנקפסולציה (%EE) גבוהה, יציבות גבוהה וזמינות ביולוגית גבוהה.
• חומרי קילוף כימיים כוללים חומצה לקטית, חומצה גליקולית, חומצה סליצילית ו־N-אצטיל־גלוקוזאמין. תכשירי קילוף מכניים כוללים חלקיקים שוחקים זעירים מפחם, פתיתי קוקוס או גרגרי קפה לקילוף. ניתן לפזר ביעילות את כל החומרים הללו באמצעות טיפול אולטרסוני.

ניתן להגביר את המסיסות של חומרים פעילים בתכשירים קוסמטיים באמצעות קומפלקסי הכלה, אנקפסולציה, תחליבים תת־מיקרוניים וננו־תחליבים, וכן באמצעות המסה יעילה בפורמולציה.

• יצירת קומפלקסי הכלה באמצעות ציקלודקסטרינים (כגון אלפא־ציקלודקסטרין, גמא־ציקלודקסטרין והידרוקסיפרופיל בטא־ציקלודקסטרין) מתבצעת באמצעות טיפול אולטרסוני. בקומפלקסים של ציקלודקסטרין יש חלל שבו נכלאים רכיבים פעילים ביולוגית. האנקפסולציה / יצירת הקומפלקסים הופכת את התרכובות הפעילות למסיסות במים ובכך לזמינות ביולוגית. קראו עוד על יצירת קומפלקסים באמצעות עירוי אולטרסוני!
• פיטוגליקוגן הוא ננו־חלקיק פחמימתי (רב־סוכר) ממקור צמחי ובעל צפיפות גבוהה, ובו חלל שיכול להכיל סוגים רבים ושונים של חומרים פעילים. פיטוגליקוגן אוקטניל סוקצינאט (PG-OS) הוא ננו־חלקיק פחמימתי אמפיפילי, שהוספתו מקנה לליפידים בתחליבים יציבות חמצונית גבוהה. תחלוב אולטרסוני משפר את יצירתם של תחליבי פיטוגליקוגן הומוגניים ויציבים.
• תחליבים תת־מיקרוניים וננו־תחליבים משמשים כמערכות הובלה זעירות, ההופכות את התרכובות למסיסות במים ומאפשרות להוביל את החומרים הפעילים לאתר היעד. גודלן הזעיר של הטיפות בקנה מידה ננומטרי מגביר את החדירות דרך מחסום העור אל שכבות עור עמוקות יותר.
• מרככים בעלי קוטביות גבוהה משמשים בדרך כלל בפורמולציות להמסת רכיבים הידרופוביים / בלתי מסיסים במים, שכן רק חומרים פעילים מעטים הם בלתי קוטביים. המרככים הבאים, בעלי הקוטביות הגבוהה, נמצאים בשימוש תדיר: איזופרופיל לאורואיל סרקוזינאט, לאוריל לקטאט, פניל אתיל בנזואט, דיוקטיל מלאאט ודיוקטיל איזוסורביד. גם סוגים שונים של מסנני קרינה ידועים כמגבירי חדירות. ערבוב ופיזור אולטרסוניים מבטיחים תערובת הומוגנית של מרככים קוטביים וחומרים פעילים.

מערבלים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים למוצרי טיפוח נקיים

כטיפול ערבוב מכני בלבד, סוניקציה יכולה לשמש לייצור כל סוגי התכשירים הקוסמטיים הטבעיים המוסמכים. המערכות של Hielscher Ultrasonics הן מכונות אמינות המשמשות בייצור תכשירים קוסמטיים וטיפוליים באיכות גבוהה, להכנת פורמולציות של תרכובות פעילות ביולוגית בתחליבים ננומטריים ובאנקפסולציה ליפוזומלית, בעלות קצב ספיגה ותאימות ביולוגית מעולים. כדי לענות על דרישות לקוחותיה, Hielscher מספקת מכשירים אולטרסוניים החל מהומוגנייזר מעבדתי קומפקטי לאחיזה ביד ומכשירים אולטרסוניים שולחניים ועד למערכות אולטרסוניות תעשייתיות מלאות לייצור פורמולציות קוסמטיות בכמויות גדולות. ניתן לבצע תהליכי הכנת פורמולציות אולטרסוניים של תכשירים קוסמטיים וקוסמצבטיים במנות או כתהליך רציף בקו הייצור באמצעות כור אולטרסוני לזרימה רציפה. מגוון רחב של סונוטרודות אולטרסוניות (גשושיות) וכלי כור זמין כדי להבטיח תצורה מיטבית לייצור הליפוזומים שלכם. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות, ומבטיחה חיי שירות ארוכים למכונות.
השליטה המדויקת בכל פרמטרי התהליך החשובים, כגון משרעת, לחץ, טמפרטורה וזמן סוניקציה, הופכת את התהליך האולטרסוני לאמין ובר־שחזור. Hielscher Ultrasonics מכירה בחשיבותה של איכות מוצר גבוהה באופן מתמשך, ותומכת ביצרני קוסמטיקה ביישום תקנון תהליכים ותנאי ייצור נאותים (GMP) באמצעות תוכנה חכמה ורישום נתונים אוטומטי. ההומוגנייזרים האולטרסוניים הדיגיטליים שלנו מתעדים אוטומטית את כל פרמטרי התהליך האולטרסוני בכרטיס SD מובנה. צגי מגע דיגיטליים ושליטה מרחוק באמצעות דפדפן מאפשרים ניטור רציף של התהליך והתאמה מדויקת של פרמטרי התהליך בכל עת שנדרש. כך ניתן להקל באופן משמעותי על ניטור התהליך ועל בקרת האיכות.
הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: