Formulazione di prodotti clean beauty con gli ultrasuoni

Ingredienti naturali e biologici (INCI), combinati con elevata efficacia e biodisponibilità, sono le caratteristiche dei prodotti clean beauty innovativi. La sonicazione viene utilizzata come tecnica altamente efficiente e affidabile per miscelare, amalgamare, disperdere, nanoemulsionare e nanoincapsulare gli ingredienti cosmetici.

Perché utilizzare la sonicazione per i vostri prodotti clean beauty?

La miscelazione, l’amalgamazione, la dispersione e l’emulsificazione degli ingredienti e l’incapsulamento delle molecole bioattive sono processi fondamentali nella produzione di cosmetici, prodotti per la cura della pelle, prodotti di bellezza e cosmeceutici. L’esecuzione affidabile, efficiente e omogenea di questi processi fondamentali è essenziale per ottenere prodotti cosmetici di alta qualità, con effetti, potenza ed efficienza elevati del prodotto finale. I moderni ingredienti ad alta tecnologia sono sostanze altamente sviluppate che richiedono un’incorporazione sofisticata nel prodotto finale per ottenere gli effetti desiderati.

Sonicazione – Un ampio spettro di applicazioni

La sonicazione è una tecnica altamente efficiente e affidabile per omogeneizzare sospensioni liquido–liquido e solido–liquido. L’incapsulamento delle molecole in vettori lipidici di dimensioni nanometriche (ad es. liposomi, niosomi, nanoparticelle lipidiche solide, vettori lipidici nanostrutturati, micelle ecc.) è un’altra importante applicazione degli ultrasuoni ad alte prestazioni.
La sonicazione può essere applicata a numerose fasi della produzione di cosmetici, prodotti di bellezza e prodotti per la cura della pelle clean beauty, completamente naturali e biologici, e migliorare l’efficienza delle applicazioni di miscelazione e incapsulamento. Poiché i miscelatori a ultrasuoni assicurano un’amalgamazione e un’omogeneizzazione intense, l’uso di additivi chimici comunemente aggiunti per ottenere una stabilità e una durata di conservazione prolungate può essere ridotto al minimo o completamente evitato.
La sonicazione offre un vantaggio competitivo producendo risultati superiori attraverso un processo rapido ed efficiente che permette di ottenere sospensioni uniformi e omogenee. Ciò influisce positivamente sulla stabilità, sulla durata di conservazione e sulla biocompatibilità del prodotto.

Sonicazione – Un trattamento puramente meccanico

La sonicazione è un trattamento delicato e non termico che non degrada le materie prime per effetto del calore. Molti ingredienti, come lipidi, molecole bioattive o oli essenziali, sono termosensibili e traggono quindi grande beneficio da una lavorazione controllata a bassa temperatura. I dispositivi Hielscher Ultrasonics sono controllabili con precisione, facilmente regolabili e possono essere monitorati e azionati mediante controllo remoto tramite browser. Il software intelligente registra automaticamente i parametri di processo su una scheda SD integrata. Queste funzionalità facilitano la standardizzazione del processo e della qualità, nonché l’implementazione delle buone pratiche di fabbricazione (GMP).

Il principio di funzionamento della sonicazione

Poiché la sonicazione è un trattamento puramente meccanico, non vengono aggiunti additivi chimici che interferirebbero con la filosofia della cosmesi clean beauty. Le applicazioni degli ultrasuoni, come miscelazione, amalgamazione, emulsificazione, incapsulamento ed estrazione, si basano sul principio di funzionamento della cavitazione acustica.
Le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono accoppiate alla sospensione mediante un processore a ultrasuoni a sonda. Le onde ultrasoniche ad alta energia si propagano attraverso il liquido creando cicli alternati di alta pressione / bassa pressione, che danno luogo al fenomeno della cavitazione acustica. La cavitazione acustica o ultrasonica determina localmente temperature, pressioni, velocità di riscaldamento/raffreddamento e differenziali di pressione estremi, oltre a elevate forze di taglio nel mezzo. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie di particelle o goccioline, i microgetti e le collisioni tra particelle generano effetti quali distacco degli strati superficiali, erosione, frammentazione delle particelle, sonoporazione, nonché disgregazione delle goccioline e disgregazione cellulare. Inoltre, l’implosione delle bolle di cavitazione nei mezzi liquidi crea macroturbolenze e micromiscelazione. L’irradiazione ultrasonica rappresenta un modo efficiente per intensificare i processi di trasferimento di massa, poiché la sonicazione genera cavitazione e i meccanismi a essa associati, come micromovimenti provocati dai getti di liquido, compressione e decompressione nel materiale con conseguente disgregazione delle goccioline, nonché elevate velocità di riscaldamento e raffreddamento.
I sonicatori a sonda possono generare ampiezze molto elevate, necessarie per produrre una cavitazione intensa. Hielscher Ultrasonic produce processori a ultrasuoni ad alte prestazioni che possono facilmente generare ampiezze di 200µm durante il funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, Hielscher offre sonotrodi (sonde) specifici ad alta ampiezza.
Per intensificare la cavitazione vengono utilizzati reattori a ultrasuoni e celle di flusso pressurizzabili. Con l’aumento della pressione, la cavitazione e le forze di taglio da essa generate diventano più distruttive, migliorando così gli effetti degli ultrasuoni.

Vantaggi dell’amalgamazione e dell’emulsificazione a ultrasuoni

La produzione mediante sonicazione di miscele, dispersioni, emulsioni e nanoemulsioni omogenee ha suscitato l’interesse dei formulatori cosmetici grazie alla sua eccezionale efficienza energetica, alla necessità di strumenti di miscelazione semplici, alla facilità di utilizzo del sistema e, soprattutto, ai bassi costi di produzione. La miscelazione, l’amalgamazione e l’emulsificazione a ultrasuoni aumentano la flessibilità nella scelta del tensioattivo e delle strutture interne delle emulsioni. (cfr. Marzuki et al. 2019)

Le dimensioni delle molecole contano

Le molecole di dimensioni submicrometriche e nanometriche presentano una velocità di permeazione transdermica significativamente maggiore. Mentre le molecole grandi rimangono sulla superficie cutanea e non possono penetrare nella pelle a causa delle loro dimensioni, le molecole più piccole sono in grado di attraversare l’epidermide.
Ciò significa che i composti bioattivi vengono trasportati negli strati dermici più profondi, dove possono svolgere il loro “lavoro” nutrendo o riparando la pelle.
Un esempio significativo dell’importanza delle dimensioni molecolari è l’acido ialuronico, una molecola a catena lunga. Se l’acido ialuronico ha un peso molecolare elevato, non può attraversare la barriera cutanea e rimane sotto forma di pellicola sul suo strato esterno. L’acido ialuronico a basso peso molecolare, invece, viene trasportato negli strati cutanei più profondi, dove esplica i suoi effetti idratanti.
Un altro esempio dell’importanza delle dimensioni delle particelle è rappresentato dal biossido di titanio e dall’ossido di zinco. Entrambi vengono utilizzati come principi attivi nei prodotti solari naturali (ad es. lozioni, creme idratanti, spray). Particelle di dimensioni uniformemente ridotte sono importanti per evitare l’ostruzione dei pori cutanei e prevenire così la comparsa di brufoli. Inoltre, con particelle più piccole, l’effetto sbiancante e lucido dei prodotti solari viene ridotto o evitato.

La nanoemulsificazione a ultrasuoni viene utilizzata per produrre nanoemulsioni, liposomi e nanoparticelle lipidiche solide caricati con sostanze attive. La sonicazione produce una distribuzione dimensionale ristretta delle goccioline e particelle nanostrutturate.

Migliore penetrazione cutanea

I promotori chimici della penetrazione cutanea comprendono sostanze come l-α-lecitina, urea, acidi grassi, etanolo e glicoli.

• I promotori vescicolari della penetrazione cutanea comprendono vettori vescicolari come liposomi e niosomi. I vettori vescicolari sono potenti sistemi di veicolazione delle molecole attive. Grazie alla loro composizione, offrono il vantaggio di trasportare molecole sia idrofile sia lipofile. Le molecole idrofile vengono incapsulate nel nucleo acquoso e le molecole lipofile vengono incorporate nella membrana lipidica che circonda il nucleo acquoso. Poiché le pareti delle vescicole sono costituite rispettivamente da doppi strati fosfolipidici per i liposomi e da tensioattivi sintetici per i niosomi, le vescicole sono idrosolubili e quindi altamente biocompatibili.
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• I promotori enzimatici della penetrazione cutanea comprendono enzimi come la HMGCoA reduttasi e l’acetil CoA carbossilasi, che inibiscono enzimi chiave della sintesi dei lipidi epidermici e alterano il rapporto molare critico dei principali lipidi dello strato corneo.
• L’urea, nota anche come carbammide, viene utilizzata per favorire l’assorbimento di altri principi attivi cosmetici, poiché aumenta la permeabilità cutanea.

Biodisponibilità dei principi attivi nei prodotti per la cura della pelle migliorata mediante ultrasuoni

La biodisponibilità è definita come la velocità di penetrazione con cui un composto attivo raggiunge il proprio sito d’azione. Il cosiddetto flusso, ossia la quantità di principio attivo che penetra nel tempo, viene determinato in microgrammi/cm²/ora. Per i principi attivi dei prodotti cosmetici, il sito d’azione bersaglio di un ingrediente è solitamente l’epidermide inferiore. Fanno eccezione principi attivi come l’ossido di zinco o il biossido di titanio, ingredienti comuni nelle lozioni e negli spray solari, poiché queste sostanze agiscono sulla superficie della pelle, dove le particelle possono esplicare la loro massima capacità di assorbimento dei raggi UV.
La biodisponibilità dei principi attivi è fortemente influenzata dai tipi di formulazioni cosmetiche utilizzate. Le formulazioni comuni nei prodotti di bellezza e per la cura personale sono emulsioni olio in acqua (O/W), emulsioni acqua in olio (W/O), emulsioni acqua in olio in acqua (W/O/W), emulsioni poliolo in olio e idrogel. (I polioli utilizzati nelle formulazioni cosmetiche naturali sono sorbitolo, mannitolo ecc.).

Preparazione a ultrasuoni di un’emulsione (acqua rossa / olio giallo). Pochi secondi di sonicazione trasformano le fasi separate di acqua/olio in un’emulsione fine.

Sonicazione per aumentare la permeabilità cutanea

La permeabilità cutanea e, di conseguenza, la biodisponibilità dei principi attivi cosmetici e dei cosmeceutici possono essere aumentate intervenendo sulla barriera cutanea oppure aumentando la solubilità delle molecole attive.
Per ridurre la funzione di barriera della pelle e facilitare il trasporto delle molecole attive nell’epidermide inferiore, numerose sostanze, come solventi, fosfolipidi e vescicole tensioattive costituite da fosfolipidi, nonché esfolianti, possono migliorare la penetrazione dei principi attivi negli strati cutanei più profondi.

• I solventi utilizzati comprendono dimetil isosorbide, etossidiglicole, etanolo e acido oleico. Questi solventi sono altamente compatibili con i processi di miscelazione, amalgamazione ed emulsificazione a ultrasuoni.
• I fosfolipidi sono noti per favorire la penetrazione cutanea delle molecole sia liposolubili sia idrosolubili. I fosfolipidi comunemente utilizzati sono lecitina, lecitina idrogenata, lisolecitina e tocoferil fosfato. Traggono beneficio dal trattamento a ultrasuoni, poiché la sonicazione distribuisce uniformemente i fosfolipidi nella sospensione.
• Vescicole tensioattive: i tensioattivi possono formare vescicole multilamellari e unilamellari contenenti principi attivi. I liposomi e le nanoparticelle lipidiche solide sono esempi significativi di vescicole che penetrano nella pelle e trasportano composti bioattivi ai siti bersaglio. La sonicazione è il metodo più efficiente ed efficace per produrre liposomi, nanoliposomi e nanoparticelle lipidiche solide (SLNs) con elevato carico di principi attivi, efficienza di incapsulamento (%EE), stabilità e biodisponibilità.
• Gli esfolianti chimici comprendono gli acidi lattico, glicolico e salicilico e la N-acetil-glucosammina. I peeling meccanici comprendono minuscole particelle abrasive di carbone, scaglie di cocco o scrub al caffè. Tutte queste sostanze possono essere disperse in modo efficiente mediante sonicazione.

La solubilità dei principi attivi nei cosmetici può essere aumentata mediante complessi di inclusione, incapsulamento, emulsioni submicrometriche e nanoemulsioni, nonché mediante un’efficiente solubilizzazione nella formulazione.

• La complessazione per inclusione mediante ciclodestrine (come alfa-ciclodestrina, gamma-ciclodestrina e idrossipropil-beta-ciclodestrina) viene ottenuta mediante sonicazione. I complessi di ciclodestrine presentano una cavità nella quale vengono incapsulati gli ingredienti bioattivi. L’incapsulamento / la complessazione rende i composti attivi idrosolubili e quindi biodisponibili. Scoprite di più sulla complessazione per infusione mediante ultrasuoni!
• Il fitoglicogeno è una nanoparticella di carboidrato (polisaccaride) di origine vegetale ad alta densità, dotata di una cavità che può incapsulare molti tipi diversi di principi attivi. L’ottenil succinato di fitoglicogeno (PG-OS) è una nanoparticella di carboidrato anfifilica la cui aggiunta conferisce alle emulsioni un’elevata stabilità ossidativa dei lipidi. L’emulsificazione a ultrasuoni migliora la produzione di emulsioni di fitoglicogeno omogenee e stabili.
• Le emulsioni submicrometriche e le nanoemulsioni vengono utilizzate come sistemi di veicolazione di dimensioni minime, che rendono i composti idrosolubili e consentono di trasportare i principi attivi al sito bersaglio. Le ridotte dimensioni nanometriche delle goccioline aumentano la permeabilità attraverso la barriera cutanea verso gli strati cutanei più profondi.
• Gli emollienti altamente polari vengono comunemente utilizzati nelle formulazioni per solubilizzare ingredienti idrofobici / insolubili in acqua, poiché solo poche sostanze attive sono apolari. Vengono frequentemente utilizzati i seguenti emollienti altamente polari: lauroil sarcosinato di isopropile, lattato di laurile, benzoato di feniletilo, maleato di diottile e isosorbide di diottile. Anche vari tipi di prodotti solari sono noti come promotori della penetrazione. La miscelazione e la dispersione a ultrasuoni assicurano una miscela omogenea di emollienti polari e principi attivi.

Miscelatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per prodotti clean beauty

Essendo un trattamento di miscelazione puramente meccanico, la sonicazione può essere utilizzata per la produzione di tutti i tipi di cosmetici naturali certificati. I sistemi Hielscher Ultrasonics sono macchine affidabili utilizzate nella produzione di cosmetici e prodotti terapeutici di alta qualità per formulare composti bioattivi nanoemulsionati e incapsulati in liposomi, con velocità di assorbimento e biocompatibilità superiori. Per soddisfare le esigenze dei propri clienti, Hielscher fornisce sonicatori che spaziano dall’omogeneizzatore da laboratorio compatto e portatile e dai sonicatori da banco ai sistemi a ultrasuoni completamente industriali per la produzione di grandi volumi di formulazioni cosmetiche. I processi di formulazione a ultrasuoni di cosmetici e cosmeceutici possono essere eseguiti in modalità discontinua oppure come processo continuo in linea utilizzando un reattore a ultrasuoni a flusso passante. È disponibile un’ampia gamma di sonotrodi (sonde) a ultrasuoni e recipienti di reazione per garantire una configurazione ottimale per la vostra produzione di liposomi. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni gravose e in ambienti impegnativi e garantisce una lunga vita utile delle macchine.
Il controllo preciso di tutti i parametri di processo importanti, come ampiezza, pressione, temperatura e tempo di sonicazione, rende il processo a ultrasuoni affidabile e riproducibile. Hielscher Ultrasonics conosce l’importanza di una qualità del prodotto costantemente elevata e supporta i produttori di cosmetici nell’implementazione della standardizzazione dei processi e delle GMP (buone pratiche di fabbricazione) mediante software intelligente e registrazione automatica dei dati. I nostri omogeneizzatori a ultrasuoni digitali registrano automaticamente tutti i parametri del processo a ultrasuoni su una scheda SD integrata. I display digitali touch e il controllo remoto tramite browser consentono il monitoraggio continuo del processo e permettono di regolare con precisione i parametri di processo ogni volta che è necessario. Ciò facilita significativamente il monitoraggio del processo e il controllo della qualità.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: