超音波によるクリーンビューティー製品の処方開発

天然のオーガニック成分（INCIs）と高い有効性およびバイオアベイラビリティを兼ね備えていることが、革新的なクリーンビューティー製品の特徴です。超音波処理は、化粧品成分の混合、ブレンド、分散、ナノ乳化、ナノカプセル化を行う、効率と信頼性が非常に高い技術として使用されています。

クリーンビューティー製品に超音波処理を使用する理由とは？

成分の混合、ブレンド、分散、乳化、および生理活性分子のカプセル化は、化粧品、スキンケア製品、美容製品、機能性化粧品の製造における中核的な工程です。最終製品の効果、効力、効率を高めた高品質の化粧品を得るには、これらの中核工程を確実に、効率よく、均一に実施することが不可欠です。現代のハイテク成分は高度に開発された物質であり、望ましい効果を得るためには、最終製品への高度な配合技術が必要です。

超音波処理 – 幅広い用途

超音波処理は、液体–液体系および固体–液体系の懸濁液を均質化する、効率と信頼性が非常に高い技術です。ナノサイズの脂質キャリア（リポソーム、ニオソーム、固体脂質ナノ粒子、ナノ構造脂質キャリア、ミセルなど）に分子をカプセル化することも、高性能超音波の重要な用途です。
超音波処理は、クリーンで、すべて天然由来のオーガニック化粧品、美容製品、スキンケア製品の製造における多くの工程に適用でき、混合およびカプセル化の効率を向上させることができます。超音波ミキサーは強力なブレンドと均質化を実現するため、安定性と保存期間を延ばすために一般的に添加される化学添加剤の使用を最小限に抑えるか、完全に回避することができます。
超音波処理は、迅速で効率的なプロセスによって優れた結果をもたらし、均一で均質な懸濁液を生成することで、競争上の優位性を提供します。これは、製品の安定性、保存期間、生体適合性に良い影響を与えます。

超音波処理 – 純粋に機械的な処理

超音波処理は、熱によって原料を劣化させない、穏やかな非熱的処理です。脂質、生理活性分子、精油などの多くの成分は熱に敏感なため、制御された低温処理から大きな恩恵を受けます。Hielscher Ultrasonicsの装置は精密に制御でき、調整が容易で、ブラウザーによる遠隔制御で監視および操作が可能です。インテリジェントなソフトウェアが、内蔵SDカードに処理パラメーターを自動的に記録します。これらの機能により、工程と品質の標準化、および適正製造規範（GMP）の導入が容易になります。

超音波処理の動作原理

超音波処理は純粋に機械的な処理であるため、クリーン化粧品の理念に反する化学添加剤は加えません。混合、ブレンド、乳化、カプセル化、抽出などの超音波用途は、音響キャビテーションの動作原理に基づいています。
高出力の超音波は、プローブ型超音波プロセッサーを介してスラリーに結合されます。高エネルギーの超音波が液体中を伝わることで、高圧と低圧の周期が交互に生じ、音響キャビテーションという現象が発生します。音響キャビテーション、すなわち超音波キャビテーションは、媒体内で局所的に極端な温度、圧力、加熱・冷却速度、圧力差、および高いせん断力を生み出します。キャビテーション気泡が粒子や液滴の表面で圧壊すると、マイクロジェットと粒子間衝突により、表面剥離、侵食、粒子の崩壊、ソノポレーション、液滴の破砕、細胞破砕などの効果が発生します。さらに、液体媒体中でのキャビテーション気泡の圧壊により、マクロな乱流と微視的な混合が生じます。超音波処理はキャビテーションと、それに関連する液体ジェットによる微小運動、材料内での圧縮と減圧およびそれに続く液滴の破砕、高速な加熱と冷却などの機構を生じさせるため、超音波照射は物質移動プロセスを促進する効率的な方法です。
プローブ型超音波装置は、強い作用を及ぼすキャビテーションの生成に必要な、非常に高い振幅を発生させることができます。Hielscher Ultrasonicは高性能超音波プロセッサーを製造しており、24/7の連続運転で200µmの振幅を容易に発生させることができます。さらに高い振幅には、Hielscherが専用の高振幅ソノトロード（プローブ）を提供しています。
キャビテーションを強化するために、加圧可能な超音波リアクターとフローセルを使用します。圧力が上昇すると、キャビテーションとそれによるせん断力の破壊作用が強まり、超音波の効果が向上します。

超音波によるブレンドと乳化の利点

超音波処理による均質な混合物、分散液、エマルション、ナノエマルションの製造は、卓越したエネルギー効率、簡易な混合装置で対応できること、システム操作の容易さ、そして最も重要な低い製造コストにより、化粧品の処方開発者から関心を集めています。超音波による混合、ブレンド、乳化は、界面活性剤とエマルションの内部構造を選択する際の自由度を高めます。（参照：Marzuki et al. 2019）

分子サイズの重要性

サブマイクロメートルおよびナノサイズの分子は、経皮透過速度が大幅に高くなります。大きな分子は皮膚の表面にとどまり、そのサイズのため皮膚に浸透できませんが、小さな分子は表皮を通過することができます。
これは、生理活性化合物が真皮のより深い層へ運ばれ、そこで皮膚に栄養を与えたり修復したりする「働き」を果たせることを意味します。
分子サイズの重要性を示す代表的な例が、長鎖分子であるヒアルロン酸です。ヒアルロン酸の分子量が高い場合、皮膚バリアを通過できず、皮膚の外層に膜としてとどまります。一方、低分子量ヒアルロン酸は皮膚のより深い層へ運ばれ、そこで保湿効果を発揮します。
粒子径の重要性を示す別の例は、二酸化チタンと酸化亜鉛です。どちらも天然の日焼け止め製品（ローション、保湿剤、スプレーなど）の有効成分として使用されます。均一で小さな粒子径は、毛穴の詰まりを避け、それによって吹き出物を防ぐために重要です。さらに、粒子が小さいほど、日焼け止めによる白浮きや光沢を低減または回避できます。

超音波ナノ乳化は、成分を担持したナノエマルション、リポソーム、固体脂質ナノ粒子の製造に使用されます。超音波処理により、液滴径分布が狭い液滴とナノ構造粒子が生成されます。

皮膚浸透性の向上

化学的な皮膚浸透促進剤には、l-α-レシチン、尿素、脂肪酸、エタノール、グリコール類などの物質が含まれます。

• 小胞型の皮膚浸透促進剤には、リポソームやニオソームなどの小胞キャリアが含まれます。小胞キャリアは、有効分子の強力な送達システムです。その組成により、親水性分子と親油性分子の両方を運ぶことができるという利点があります。親水性分子は水性コアにカプセル化され、親油性分子は水性コアを囲む脂質膜に組み込まれます。小胞の壁は、リポソームではリン脂質二重層、ニオソームでは合成界面活性剤で構成されているため、小胞は水溶性であり、その結果、生体適合性が非常に高くなります。
  超音波で製造するリポソームについて詳しくはこちら！
• 酵素系の皮膚浸透促進剤には、HMGCoAレダクターゼやアセチルCoAカルボキシラーゼなどの酵素が含まれ、これらは表皮の脂質合成に関わる主要な酵素を阻害し、角質層の主要脂質の重要なモル比を変化させます。
• カルバミドとしても知られる尿素は、皮膚の透過性を高めるため、他の化粧品有効成分の吸収を促進する目的で使用されます。

超音波によるスキンケア有効成分のバイオアベイラビリティ向上

バイオアベイラビリティは、有効化合物が作用部位に到達する浸透速度と定義されます。いわゆるフラックス速度、すなわち時間の経過とともに浸透する有効成分の量は、マイクログラム/cm²/時で測定されます。化粧品の有効成分では、その成分の標的作用部位は通常、表皮下層です。例外は、日焼け止めローションやスプレーによく使用される酸化亜鉛や二酸化チタンなどの有効成分です。これらの物質は皮膚表面を作用部位とし、そこで粒子が最大限の紫外線吸収能力を発揮できるためです。
有効成分のバイオアベイラビリティは、使用する化粧品処方の種類に大きく影響されます。美容製品やパーソナルケア製品で一般的な処方には、水中油型エマルション（O/W）、油中水型エマルション（W/O）、水中油中水型エマルション（W/O/W）、油中ポリオール型エマルション、およびヒドロゲルがあります。（天然化粧品の処方に使用されるポリオールには、ソルビトール、マンニトールなどがあります。）

超音波によるエマルションの調製（赤い水／黄色い油）。数秒の超音波処理で、分離した水相と油相が微細なエマルションになります。

皮膚透過性を高める超音波処理

皮膚バリアに作用させるか、有効分子の溶解性を高めることによって、皮膚透過性、ひいては化粧品有効成分および機能性化粧品のバイオアベイラビリティを向上させることができます。
皮膚バリアの機能を低下させ、有効分子の表皮下層への輸送を促進するために、溶媒、リン脂質、リン脂質から作られた界面活性剤小胞、角質除去剤など、多様な物質によって有効成分の皮膚深層への浸透を改善できます。

• 使用される溶媒には、ジメチルイソソルビド、エトキシジグリコール、エタノール、オレイン酸があります。これらの溶媒は、超音波による混合、ブレンド、乳化プロセスとの適合性が非常に高いものです。
• リン脂質は、油溶性分子と水溶性分子の両方の皮膚浸透性を高めることがよく知られています。一般的に使用されるリン脂質には、レシチン、水添レシチン、リゾレシチン、リン酸トコフェリルがあります。超音波処理によってリン脂質が懸濁液中に均一に分布するため、これらは超音波処理の恩恵を受けます。
• 界面活性剤小胞：界面活性剤は、有効成分を含む多重層小胞および単層小胞を形成できます。リポソームと固体脂質ナノ粒子は、生理活性化合物を標的部位へ運ぶ、皮膚浸透性小胞の代表例です。超音波処理は、有効成分の担持量、カプセル化効率（%EE）、安定性、バイオアベイラビリティが高いリポソーム、ナノリポソーム、固体脂質ナノ粒子（SLNs）を製造する、最も効率的かつ効果的な方法です。
• 化学的な角質除去剤には、乳酸、グリコール酸、サリチル酸、N-アセチルグルコサミンがあります。機械的なピーリングには、木炭、ココナッツフレーク、コーヒースクラブ由来の微小な研磨粒子が含まれます。これらの物質はすべて、超音波処理によって効率的に分散できます。

化粧品中の有効成分の溶解性は、包接複合体、カプセル化、サブマイクロメートル／ナノエマルション、および処方中への効率的な可溶化によって高めることができます。

• シクロデキストリン（α-、γ-、ヒドロキシプロピルβ-シクロデキストリンなど）を用いた包接複合体形成は、超音波処理によって実現できます。シクロデキストリン複合体には、生理活性成分をカプセル化する空洞があります。カプセル化／複合体形成によって有効化合物が水溶性となり、それによってバイオアベイラビリティが得られます。 超音波による注入複合体形成について詳しくはこちら！
• フィトグリコーゲンは、植物由来の高密度な炭水化物（多糖類）ナノ粒子であり、多種多様な有効成分をカプセル化できる空洞を備えています。フィトグリコーゲンオクテニルコハク酸エステル（PG-OS）は両親媒性の炭水化物ナノ粒子で、その添加によってエマルションに高い脂質酸化安定性を付与します。超音波乳化は、均質で安定したフィトグリコーゲンエマルションの生成を改善します。
• サブマイクロメートルおよびナノエマルションは、化合物を水溶性にし、有効成分を標的部位へ輸送できる微小な送達システムとして使用されます。液滴の小さなナノスケールのサイズにより、皮膚バリアを通過して皮膚のより深い層へ至る透過性が高まります。
• 非極性の活性物質はごく少数に限られるため、疎水性／水不溶性成分を可溶化する目的で、極性の高いエモリエント剤が処方に一般的に使用されます。頻繁に使用される高極性エモリエント剤は、ラウロイルサルコシンイソプロピル、乳酸ラウリル、安息香酸フェニルエチル、マレイン酸ジオクチル、ジオクチルイソソルビドです。さまざまな種類の日焼け止めも、浸透促進剤として知られています。超音波による混合と分散は、極性エモリエント剤と有効成分の均質な混合を確実にします。

クリーンビューティー製品用の高性能超音波ミキサー

超音波処理は純粋に機械的な混合処理であるため、あらゆる種類の認証済み天然化粧品の製造に使用できます。Hielscher Ultrasonicsのシステムは、高品質な化粧品や治療用製品の製造に使用される信頼性の高い装置であり、優れた吸収率と生体適合性を持つ、ナノ乳化およびリポソームカプセル化された生理活性化合物の処方開発に用いられます。お客様のニーズに応えるため、Hielscherは、コンパクトな手持ち式ラボ用ホモジナイザーや卓上型超音波装置から、化粧品処方の大量生産用の本格的な産業用超音波システムまで提供しています。化粧品および機能性化粧品の超音波処方プロセスは、バッチ方式、または超音波フロースルーリアクターを用いた連続インライン方式で実施できます。リポソーム製造に最適な構成を確保するため、幅広い超音波ソノトロード（プローブ）とリアクター容器が用意されています。Hielscherの超音波装置の堅牢性により、厳しい環境における高負荷での24/7運転が可能となり、装置の長い寿命が確保されます。
振幅、圧力、温度、超音波処理時間など、すべての重要なプロセスパラメーターを精密に制御することで、超音波プロセスの信頼性と再現性が得られます。Hielscher Ultrasonicsは、一貫して高い製品品質を維持することの重要性を認識しており、インテリジェントなソフトウェアと自動データ記録によって、化粧品メーカーの工程標準化とGMP（適正製造規範）の導入を支援します。当社のデジタル超音波ホモジナイザーは、すべての超音波プロセスパラメーターを内蔵SDカードに自動記録します。デジタルタッチディスプレイとブラウザーによる遠隔制御により、継続的なプロセス監視が可能となり、必要なときにいつでもプロセスパラメーターを精密に調整できます。これにより、プロセス監視と品質管理が大幅に容易になります。
下表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。