Formulazione di prodotti di bellezza puliti con gli ultrasuoni

Ingredienti naturali e biologici (INCI) combinati con un'elevata efficacia e biodisponibilità sono le caratteristiche dei prodotti di bellezza innovativi e puliti. Gli ultrasuoni sono utilizzati come tecnica altamente efficiente e affidabile per mescolare, miscelare, disperdere, nano-emulsionare e nano-incapsulare gli ingredienti cosmetici.

Perché usare gli ultrasuoni per i vostri prodotti di bellezza puliti?

Miscelare, miscelare, disperdere, emulsionare gli ingredienti e incapsulare le molecole bioattive sono processi fondamentali nella produzione di prodotti cosmetici, di cura della pelle, 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 elevati, potenza ed efficienza del prodotto finale. I moderni ingredienti high-tech sono sostanze altamente sviluppate, che richiedono una sofisticata incorporazione 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 di molecole in vettori lipidici di dimensioni nanometriche (ad esempio, liposomi, niosomi, nanoparticelle lipidiche solide, vettori lipidici nanostrutturati, micelle ecc.
Gli ultrasuoni possono essere applicati a molte fasi della produzione di prodotti cosmetici, di bellezza e per la cura della pelle puliti, completamente naturali e biologici, migliorando l'efficienza delle applicazioni di miscelazione e incapsulamento. Poiché i miscelatori a ultrasuoni garantiscono un'intensa miscelazione e omogeneizzazione, 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 in un processo rapido ed efficiente che si traduce in sospensioni uniformi e omogenee. Ciò influisce positivamente sulla stabilità, sulla conservabilità e sulla biocompatibilità dei prodotti.

Sonicazione – Un trattamento puramente meccanico

L'ultrasonificazione è un trattamento delicato e non termico, che non degrada le materie prime a causa del calore. Molti ingredienti come i lipidi, le molecole bioattive o gli oli essenziali sono sensibili al calore e traggono quindi grandi benefici da un trattamento controllato a bassa temperatura. I dispositivi Hielscher Ultrasonics sono controllabili con precisione, facilmente regolabili e possono essere monitorati e gestiti tramite il controllo emote del browser. Il software intelligente protocolla automaticamente i parametri di lavorazione su una scheda SD integrata. Queste caratteristiche facilitano la standardizzazione dei processi 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 potrebbero interferire con la filosofia dei cosmetici puliti. Le applicazioni a ultrasuoni, come la miscelazione, l'emulsione, l'incapsulamento e l'estrazione, si basano sul principio di funzionamento della cavitazione acustica.
Le onde ultrasoniche ad alta potenza vengono accoppiate al liquame tramite un processore a ultrasuoni a sonda. Le onde ultrasonore altamente energetiche attraversano il liquido creando cicli alternati di alta e bassa pressione, che danno luogo al fenomeno della cavitazione acustica. La cavitazione acustica o ultrasonica porta localmente a temperature, pressioni, tassi di riscaldamento/raffreddamento, differenziali di pressione e forze di taglio elevate nel mezzo. Quando le bolle di cavitazione implodono sulla superficie di particelle o goccioline, i microgetti e la collisione interparticellare generano effetti come il peeling superficiale, l'erosione, la rottura delle particelle, la sonoporazione e la rottura di gocce e cellule. Inoltre, l'implosione di bolle di cavitazione in mezzi liquidi crea macro-turbolenze e micro-miscelazione. L'irradiazione a ultrasuoni rappresenta un modo efficace per migliorare i processi di trasferimento di massa, poiché la sonicazione provoca la cavitazione e i meccanismi correlati, come i micromovimenti da parte di getti di liquido, la compressione e la decompressione nel materiale con la conseguente rottura delle goccioline, nonché elevate velocità di riscaldamento e raffreddamento.
Gli ultrasuoni a sonda possono generare ampiezze molto elevate, necessarie per generare una cavitazione d'impatto. Hielscher Ultrasonic produce processori a ultrasuoni ad alte prestazioni, che possono facilmente creare ampiezze di 200 µm in funzionamento continuo 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, Hielscher offre sonotrodi (sonde) specifici ad alta ampiezza.
Per intensificare la cavitazione si utilizzano reattori a ultrasuoni e celle di flusso pressurizzati. Con l'aumento delle pressioni, la cavitazione e le forze di taglio cavitazionali diventano più distruttive e migliorano quindi gli effetti ultrasonici.

Vantaggi della miscelazione e dell'emulsione a ultrasuoni

La produzione di miscele omogenee, dispersioni, emulsioni e nano-emulsioni mediante sonificazione ha suscitato l'interesse dei formulatori cosmetici grazie alla sua eccezionale efficienza energetica, alla necessità di strumenti di miscelazione di fascia bassa, alla facilità di manipolazione del sistema e, soprattutto, al suo basso costo di produzione. La miscelazione, la miscelazione e l'emulsionamento a ultrasuoni aumentano la flessibilità nella selezione dei tensioattivi e delle strutture interne delle emulsioni. (cfr. Marzuki et al. 2019)

Le dimensioni delle molecole contano

Le molecole di dimensioni submicroniche e nano mostrano un tasso di permeazione transdermica significativamente maggiore. Mentre le molecole di grandi dimensioni si posizionano sulla parte superiore della pelle e non riescono a penetrarvi 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 importante della rilevanza 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 come pellicola sullo strato esterno. L'acido ialuronico a basso peso molecolare, invece, viene trasportato negli strati più profondi della pelle, dove esplica i suoi effetti idratanti.
Un altro esempio della rilevanza delle dimensioni delle particelle è rappresentato dal biossido di titanio e dall'ossido di zinco. Entrambi sono utilizzati come ingredienti attivi nei prodotti solari naturali (ad esempio lozioni, creme idratanti, spray). Una dimensione uniformemente piccola delle particelle è importante per evitare di ostruire i pori della pelle e prevenire così le eruzioni cutanee. Inoltre, con particelle più piccole l'effetto sbiancante e luminoso degli schermi solari viene ridotto o evitato.

La nanoemulsificazione a ultrasuoni viene utilizzata per produrre nanoemulsioni caricate, liposomi e nanoparticelle solido-lipidiche. La sonicazione produce una distribuzione stretta delle gocce e particelle nano-strutturate.

Migliore penetrazione cutanea

Gli stimolatori chimici della penetrazione cutanea includono materiali come l-α-lecitina, urea, acidi grassi, etanolo e glicoli.

• Gli stimolatori vescicolari della penetrazione cutanea comprendono vettori vescicolari come i liposomi e i niosomi. I vettori vescicolari sono potenti sistemi di rilascio di molecole attive. Grazie alla loro composizione, offrono il vantaggio di trasportare molecole sia idrofile che lipofile. Le molecole idrofile sono incapsulate nel nucleo acquoso, mentre le molecole lipofile sono incorporate nella membrana lipidica che circonda il nucleo acquoso. Poiché le pareti delle vescicole sono costituite da bilayer fosfolipidici per i liposomi e da tensioattivi sintetici per i niosomi, le vescicole sono idrosolubili e quindi altamente biocompatibili.
  Per saperne di più sui liposomi prodotti con gli ultrasuoni!
• Gli stimolatori enzimatici della penetrazione cutanea includono enzimi come l'HMGCoA reduttasi e l'acetil CoA carbossilasi, che inibiscono gli enzimi chiave della sintesi dei lipidi epidermici e alterano il rapporto molare critico dei lipidi chiave dello strato corneo.
• L'urea, nota anche come carbamide, viene utilizzata per migliorare l'assorbimento di altri ingredienti cosmetici attivi, in quanto aumenta la permeabilità cutanea.

Biodisponibilità migliorata con gli ultrasuoni degli attivi nella cura della pelle

La biodisponibilità è definita come il tasso di penetrazione di un composto attivo per raggiungere il suo sito d'azione. Il cosiddetto tasso di flusso o la quantità di principio attivo che penetra nel tempo è determinato in microgrammi/cm²/ora. Per quanto riguarda gli ingredienti attivi nei prodotti cosmetici, il sito d'azione di un ingrediente è solitamente l'epidermide inferiore. Fanno eccezione gli attivi come l'ossido di zinco o il biossido di titanio, ingredienti comuni nelle lozioni e negli spray per la protezione solare, in quanto queste sostanze hanno il loro sito d'azione sulla superficie della pelle, dove le particelle possono racchiudere 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 più comuni nei prodotti di bellezza e per la cura personale sono le emulsioni olio-in-acqua (O/W), le emulsioni acqua-in-olio (W/O), le emulsioni acqua-in-olio (W/O/W), le emulsioni poliolo-in-olio e gli idrogel. (I polioli utilizzati nelle formulazioni cosmetiche naturali sono il sorbitolo, il mannitolo, ecc.)

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

La sonicazione per aumentare la permeabilità cutanea

La permeabilità cutanea e quindi la biodisponibilità di principi attivi cosmetici e cosmeceutici possono essere aumentate influenzando la barriera cutanea o aumentando la solubilità delle molecole attive.
Per abbassare la barriera cutanea e facilitare il trasporto delle molecole attive nell'epidermide inferiore, diverse sostanze come solventi, fosfolipidi e vescicole tensioattive a base di fosfolipidi, nonché esfolianti, possono migliorare la penetrazione degli attivi negli strati cutanei più profondi.

• Tra i solventi utilizzati figurano l'isosorbide dimetilico, l'etossidiglicole, l'etanolo e l'acido oleico. Questi solventi sono altamente compatibili con i processi di miscelazione, miscelazione ed emulsione a ultrasuoni.
• È risaputo che i fosfolipidi migliorano la penetrazione cutanea di molecole sia oleose che idrosolubili. I fosfolipidi comunemente utilizzati sono la lecitina, la lecitina idrogenata, la lisolecitina e il fosfato di tocoferile. I fosfolipidi beneficiano della lavorazione a ultrasuoni, in quanto la sonicazione li distribuisce uniformemente nella sospensione.
• Vescicole di tensioattivi: I tensioattivi possono formare vescicole multilamellari e unilamellari con principi attivi. I liposomi e le nanoparticelle solido-lipidiche sono esempi importanti di vescicole che penetrano nella pelle e trasportano i composti bioattivi ai siti bersaglio. L'ultrasonicazione è il metodo più efficiente ed efficace per produrre liposomi, nanoliposomi e nanoparticelle solido-lipidiche (SLN) con un elevato carico attivo, efficienza di incapsulamento (�), stabilità e biodisponibilità.
• Gli esfolianti chimici comprendono gli acidi lattico, glicolico e salicilico e la N-acetil-glucosamina. I peeling meccanici includono minuscole particelle abrasive di carbone, scaglie di cocco o scrub di caffè. Tutte queste sostanze possono essere efficacemente disperse tramite ultrasuoni.

La solubilità degli ingredienti attivi nei cosmetici può essere aumentata mediante complessi di inclusione, incapsulamento, emulsioni sub-microniche/nano-emulsioni e un'efficiente solubilizzazione nella formulazione.

• La complessazione per inclusione con ciclodestrine (come alfa-, gamma-, idrossipropil beta-ciclodestrina) si ottiene mediante ultrasuoni. I complessi di ciclodestrina presentano una cavità in cui sono incapsulati gli ingredienti bioattivi. L'incapsulamento/complicazione rende i composti attivi solubili in acqua e quindi biodisponibili. Per saperne di più sulla complessazione per infusione a ultrasuoni!
• Il fitoglicogeno è una nanoparticella di carboidrati (polisaccaridi) ad alta densità di origine vegetale con una cavità che può incapsulare diversi tipi di attivi. Il fitoglicogeno ottenil succinato (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 generazione di emulsioni omogenee e stabili di fitoglicogeno.
• Le submicron e le nanoemulsioni sono utilizzate come sistemi di somministrazione minuscoli, che rendono i composti solubili in acqua e consentono di trasportare i principi attivi al sito target. Le piccole dimensioni su scala nanometrica delle gocce aumentano la permeabilità attraverso la barriera cutanea negli strati più profondi della pelle.
• Gli emollienti altamente polari sono comunemente utilizzati nelle formulazioni per solubilizzare gli ingredienti idrofobici/insolubili in acqua, poiché solo pochi principi attivi sono non polari. I più utilizzati sono i seguenti emollienti altamente polari: isopropil lauroil sarcosinato, lauril lattato, fenil etil benzoato, diottil maleato e diottil isosorbide. Anche diversi tipi di filtri solari sono noti per la loro capacità di aumentare la penetrazione. La miscelazione e la dispersione a ultrasuoni garantiscono una miscela omogenea di emollienti polari e principi attivi.

Miscelatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per prodotti di bellezza puliti

Come trattamento di miscelazione puramente meccanico, la sonicazione può essere utilizzata per la produzione di tutti i tipi di prodotti cosmetici naturali certificati. I sistemi di Hielscher Ultrasonics sono macchine affidabili utilizzate nella produzione di cosmetici e prodotti terapeutici di alta qualità per formulare composti bioattivi nano-emulsionati e incapsulati in liposomi con un tasso di assorbimento e una biocompatibilità superiori. Per soddisfare le richieste dei suoi clienti, Hielscher fornisce ultrasuonatori che vanno dall'omogeneizzatore compatto da laboratorio e da banco ai sistemi a ultrasuoni completamente industriali per la produzione di elevati volumi di formulazioni cosmetiche. I processi di formulazione a ultrasuoni di cosmetici e cosmeceutici possono essere eseguiti in batch o come processo continuo in linea utilizzando un reattore a flusso continuo a ultrasuoni. È disponibile un'ampia gamma di sonotrodi (sonde) a ultrasuoni e di recipienti per reattori, per garantire una configurazione ottimale per la produzione di liposomi. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili, garantendo un lungo ciclo di vita della macchina.
Il controllo preciso di tutti i parametri di processo più importanti, come ampiezza, pressione, temperatura e tempo di sonicazione, rende il processo a ultrasuoni affidabile e riproducibile. Hielscher Ultrasonics è consapevole dell'importanza di una qualità del prodotto costantemente elevata e supporta i produttori di cosmetici nell'implementazione della standardizzazione dei processi e delle GMP (Good Manufacturing Practices) grazie a un software intelligente e alla registrazione automatica dei dati. I nostri omogeneizzatori digitali a ultrasuoni registrano automaticamente tutti i parametri del processo a ultrasuoni su una scheda SD integrata. I display digitali touch e il controllo remoto via browser consentono il monitoraggio continuo del processo e permettono di regolare con precisione i parametri di processo ogni volta che è necessario. Ciò facilita notevolmente il monitoraggio del processo e il controllo della qualità.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: