초음파를 이용한 클린 뷰티 제품 제형화
높은 효능 및 생체이용률과 결합된 천연 유기농 성분(INCI)은 혁신적인 클린 뷰티 제품의 특징입니다. 초음파 처리는 화장품 성분의 혼합, 배합, 분산, 나노 유화 및 나노 캡슐화를 위한 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 기술로 사용됩니다.
클린 뷰티 제품에 초음파 처리를 사용해야 하는 이유는 무엇일까요?
성분의 혼합, 배합, 분산, 유화 및 생리활성 분자의 캡슐화는 화장품, 스킨케어, 뷰티 및 코스메슈티컬 제품 제조의 핵심 공정입니다. 최종 제품의 효과, 효력 및 효율성이 향상된 고품질 화장품을 얻으려면 이러한 핵심 공정을 신뢰성 있고 효율적이며 균일하게 수행하는 것이 필수적입니다. 현대의 첨단 성분은 고도로 개발된 물질로, 원하는 효과를 얻으려면 최종 제품에 정교하게 혼입해야 합니다.
초음파 처리 – 폭넓은 응용 분야
초음파 처리는 액체–액체 및 고체–액체 현탁액을 균질화하는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 기술입니다. 분자를 나노 크기의 지질 운반체(예: 리포솜, 니오솜, 고체 지질 나노입자, 나노구조 지질 운반체, 미셀 등)에 캡슐화하는 것도 고성능 초음파의 중요한 응용 분야입니다.
초음파 처리는 클린 뷰티 제품과 전적으로 천연 성분으로 이루어진 유기농 화장품, 뷰티 및 스킨케어 제품의 여러 생산 단계에 적용할 수 있으며, 혼합 및 캡슐화 공정의 효율을 높일 수 있습니다. 초음파 혼합기는 강력한 배합 및 균질화 작용을 제공하므로, 장기간의 안정성과 보관 수명을 확보하기 위해 일반적으로 첨가하는 화학 첨가제의 사용을 최소화하거나 완전히 피할 수 있습니다.
초음파 처리는 빠르고 효율적인 공정으로 균일하고 균질한 현탁액을 만들어 우수한 결과를 제공함으로써 경쟁 우위를 확보하게 해줍니다. 이는 제품의 안정성, 보관 수명 및 생체적합성에 긍정적인 영향을 미칩니다.
- 혼합 및 배합
- 유화 및 나노 유화
- 입자 크기 감소
- 분자의 캡슐화(리포솜, 니오솜)
- 식물 원료에서 생리활성 분자 추출
초음파 처리 – 순수한 기계적 처리
초음파 처리는 열로 인해 원료를 변질시키지 않는 온화한 비열적 처리입니다. 지질, 생리활성 분자 또는 에센셜 오일과 같은 많은 성분은 열에 민감하므로 제어된 저온 처리로 큰 이점을 얻습니다. Hielscher Ultrasonics 장치는 정밀하게 제어하고 손쉽게 조정할 수 있으며, 브라우저 원격 제어를 통해 모니터링하고 작동할 수 있습니다. 지능형 소프트웨어는 처리 매개변수를 내장 SD 카드에 자동으로 기록합니다. 이러한 기능은 공정 및 품질 표준화와 우수제조관리기준(GMP)의 이행을 용이하게 합니다.
UIP1000hdT 크림, 로션 및 밤과 같은 스킨케어 제품 생산을 위한 유리 유동 반응기 장착
초음파 처리의 작동 원리
초음파 처리는 순수한 기계적 처리이므로 클린 화장품의 철학에 어긋나는 화학 첨가제를 넣지 않습니다. 혼합, 블렌딩, 유화, 캡슐화 및 추출과 같은 초음파 응용은 음향 캐비테이션의 작동 원리에 기반합니다.
고출력 초음파는 프로브형 초음파 처리기를 통해 슬러리에 전달됩니다. 에너지가 높은 초음파는 액체를 통과하면서 고압 / 저압 주기를 번갈아 형성하여 음향 캐비테이션 현상을 일으킵니다. 음향 또는 초음파 캐비테이션은 매질 내에서 국소적으로 극한의 온도, 압력, 가열/냉각 속도, 압력 차이 및 높은 전단력을 발생시킵니다. 캐비테이션 기포가 입자나 액적 표면에서 내파하면 미세 제트와 입자 간 충돌이 표면 박리, 침식, 입자 파쇄, 초음파 천공, 액적 파쇄 및 세포 파쇄와 같은 효과를 일으킵니다. 또한 액체 매질 내 캐비테이션 기포의 내파는 거시적 난류와 미세 혼합을 발생시킵니다. 초음파 처리는 캐비테이션과 함께 액체 제트에 의한 미세 운동, 물질 내부의 압축 및 감압과 그에 따른 액적 파쇄, 높은 가열 및 냉각 속도와 같은 관련 메커니즘을 일으키므로, 초음파 조사는 물질 전달 공정을 향상시키는 효율적인 방법입니다.
프로브형 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 발생시킬 수 있으며, 이는 강력한 캐비테이션을 발생시키는 데 필요합니다. Hielscher Ultrasonic은 24/7 연속 운전 중에도 200µm의 진폭을 쉽게 발생시킬 수 있는 고성능 초음파 처리기를 제조합니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해 Hielscher는 특수 고진폭 소노트로드(프로브)를 제공합니다.
캐비테이션을 강화하기 위해 가압 가능한 초음파 반응기와 플로우 셀을 사용합니다. 압력이 높아질수록 캐비테이션과 캐비테이션에 의한 전단력의 파괴력이 커지며, 이에 따라 초음파 효과가 향상됩니다.
초음파 블렌딩 및 유화의 장점
초음파 처리를 통한 균일한 혼합물, 분산액, 에멀션 및 나노에멀션의 생산은 탁월한 에너지 효율, 보급형 혼합 장비만으로도 가능한 작업, 간편한 시스템 조작, 그리고 무엇보다도 낮은 생산 비용 덕분에 화장품 제형 개발자들의 관심을 끌고 있습니다. 초음파 혼합, 블렌딩 및 유화는 계면활성제와 에멀션 내부 구조를 선택할 때의 유연성을 높여줍니다. (참조: Marzuki et al. 2019)
UIP4000hdT, 화장품 제형 제조 시 연속 인라인 분산 및 유화 작업에 사용되는 4kW 출력의 강력한 초음파 처리기
분자 크기의 중요성
서브마이크론 및 나노 크기의 분자는 경피 투과율이 상당히 높습니다. 큰 분자는 피부 표면에 머무르며 크기 때문에 피부를 투과할 수 없지만, 더 작은 분자는 표피를 통과할 수 있습니다.
이는 생리활성 화합물이 더 깊은 진피층으로 전달되어 피부에 영양을 공급하거나 피부를 복구하는 “역할”을 수행할 수 있음을 의미합니다.
분자 크기의 중요성을 보여주는 대표적인 예는 긴 사슬 분자인 히알루론산입니다. 히알루론산의 분자량이 높으면 피부 장벽을 통과할 수 없어 피부의 가장 바깥층에 막 형태로 남습니다. 반면 저분자량 히알루론산은 더 깊은 피부층으로 전달되어 보습 효과를 발휘합니다.
입자 크기의 중요성을 보여주는 또 다른 예는 이산화티타늄과 산화아연입니다. 두 물질 모두 천연 자외선 차단 제품(예: 로션, 보습제, 스프레이)의 유효 성분으로 사용됩니다. 균일하게 작은 입자 크기는 피부 모공이 막히는 것을 방지하여 뾰루지 발생을 예방하는 데 중요합니다. 또한 입자가 작을수록 자외선 차단제로 인해 피부가 하얗게 보이거나 번들거리는 효과가 줄어들거나 사라집니다.
초음파 나노 유화는 물질이 담지된 나노 에멀션, 리포솜 및 고체 지질 나노입자를 생산하는 데 사용됩니다. 초음파 처리는 좁은 액적 크기 분포와 나노 구조 입자를 생성합니다.
피부 침투 개선
화학적 피부 침투 촉진제에는 l-α-레시틴, 요소, 지방산, 에탄올 및 글리콜류와 같은 물질이 포함됩니다.
- 소포형 피부 침투 촉진제에는 리포솜 및 니오솜과 같은 소포형 운반체가 포함됩니다. 소포형 운반체는 활성 분자를 위한 강력한 전달 시스템입니다. 이들은 그 조성 덕분에 친수성 분자와 친유성 분자를 모두 운반할 수 있다는 장점이 있습니다. 친수성 분자는 수성 코어 내부에 캡슐화되며, 친유성 분자는 수성 코어를 둘러싼 지질막에 포함됩니다. 소포벽은 리포솜의 경우 인지질 이중층으로, 니오솜의 경우 합성 계면활성제로 구성되므로, 이러한 소포는 수용성이며 따라서 생체적합성이 매우 높습니다.
초음파로 생산한 리포솜에 대해 자세히 알아보세요! - 효소형 피부 침투 촉진제에는 HMGCoA 환원효소 및 아세틸 CoA 카복실화효소와 같은 효소가 포함되며, 이들은 표피 지질 합성의 핵심 효소를 억제하고 각질층의 주요 지질 간 중요한 몰비를 변화시킵니다.
- 카르바미드라고도 하는 요소는 피부 투과성을 높이므로 다른 화장품 활성 성분의 흡수를 증진하는 데 사용됩니다.
초음파 균질기 UIP2000hdT (2kW), 연속 교반식 배치 반응기 장착
초음파로 개선된 피부 관리용 활성 성분의 생체이용률
생체이용률은 활성 화합물이 작용 부위에 도달하는 침투 속도로 정의됩니다. 이른바 플럭스 속도, 즉 시간에 따라 침투하는 활성 성분의 양은 마이크로그램/cm2/시간으로 표시합니다. 화장품의 활성 성분에서 해당 성분의 목표 작용 부위는 일반적으로 표피 하부입니다. 예외로는 자외선 차단 로션 및 스프레이의 일반적인 성분인 산화아연이나 이산화티타늄과 같은 활성 성분이 있습니다. 이들 물질의 작용 부위는 피부 표면이며, 이곳에서 입자는 최대 자외선 흡수 능력을 발휘할 수 있기 때문입니다.
활성 성분의 생체이용률은 사용되는 화장품 제형의 종류에 크게 영향을 받습니다. 미용 및 개인 관리 제품의 일반적인 제형에는 수중유형 에멀션(O/W), 유중수형 에멀션(W/O), 수중유중수형 에멀션(W/O/W), 유중폴리올형 에멀션 및 하이드로겔이 있습니다. (천연 화장품 제형에 사용되는 폴리올에는 소르비톨, 만니톨 등이 있습니다.)
초음파를 이용한 에멀션 제조(빨간색 물 / 노란색 오일). 몇 초간 초음파 처리하면 분리된 물/오일 상이 미세한 에멀션으로 바뀝니다.
피부 투과성 증진을 위한 초음파 처리
피부 장벽에 영향을 주거나 활성 분자의 용해도를 높이면 피부 투과성을 높일 수 있으며, 이에 따라 화장품 활성 성분과 코스메슈티컬의 생체이용률도 높일 수 있습니다.
피부 장벽을 낮추고 활성 분자가 표피 하부로 이동하는 것을 촉진하기 위해, 용매, 인지질, 인지질로 만든 계면활성제 소포 및 각질 제거제와 같은 다양한 물질을 사용하면 활성 성분의 피부 심층부 침투를 개선할 수 있습니다.
- 사용되는 용매에는 디메틸이소소르비드, 에톡시디글리콜, 에탄올 및 올레산이 포함됩니다. 이러한 용매는 초음파 혼합, 블렌딩 및 유화 공정과의 적합성이 매우 높습니다.
- 인지질은 지용성 분자와 수용성 분자 모두의 피부 침투를 증진하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 일반적으로 사용되는 인지질에는 레시틴, 수소첨가 레시틴, 리소레시틴 및 토코페릴 포스페이트가 있습니다. 초음파 처리는 인지질을 현탁액에 고르게 분산시키므로 이러한 인지질은 초음파 처리의 이점을 얻습니다.
- 계면활성제 소포: 계면활성제는 활성 성분을 포함하는 다중층 및 단일층 소포를 형성할 수 있습니다. 리포솜과 고체 지질 나노입자는 생리활성 화합물을 표적 부위로 운반하는 피부 침투 소포의 대표적인 예입니다. 초음파 처리는 활성 성분 담지량, 캡슐화 효율(%EE), 안정성 및 생체이용률이 높은 리포솜, 나노리포솜 및 고체 지질 나노입자(SLNs)를 생산하는 가장 효율적이고 효과적인 방법입니다.
- 화학적 각질 제거제에는 젖산, 글리콜산, 살리실산 및 N-아세틸글루코사민이 포함됩니다. 물리적 필링제에는 숯, 코코넛 플레이크 또는 커피 스크럽에서 유래한 미세한 연마 입자가 포함됩니다. 이러한 모든 물질은 초음파 처리를 통해 효율적으로 분산할 수 있습니다.
화장품 내 활성 성분의 용해도는 포접 복합체, 캡슐화, 서브마이크론/나노 에멀전뿐만 아니라 제형 내 효율적인 가용화를 통해 높일 수 있습니다.
- 사이클로덱스트린(예: 알파-, 감마-, 하이드록시프로필 베타-사이클로덱스트린)을 이용한 포접 복합체 형성은 초음파 처리로 이루어집니다. 사이클로덱스트린 복합체에는 생리활성 성분이 캡슐화되는 공동이 있습니다. 이러한 캡슐화 / 복합체 형성은 활성 화합물을 수용성으로 만들어 생체이용이 가능하게 합니다. 초음파 주입 복합체 형성에 대해 자세히 알아보세요!
- 피토글리코겐은 다양한 종류의 활성 성분을 캡슐화할 수 있는 공동을 가진 식물 유래 고밀도 탄수화물(다당류) 나노입자입니다. 피토글리코겐 옥테닐숙시네이트(PG-OS)는 양친매성 탄수화물 나노입자로, 첨가하면 에멀전에 높은 지질 산화 안정성을 부여합니다. 초음파 유화는 균질하고 안정적인 피토글리코겐 에멀전의 형성을 개선합니다.
- 서브마이크론 및 나노 에멀전은 화합물을 수용성으로 만들고 활성 성분을 표적 부위로 운반할 수 있게 하는 미세 전달 시스템으로 사용됩니다. 액적의 작은 나노 규모 크기는 피부 장벽을 통과하여 더 깊은 피부층으로 침투하는 투과성을 높입니다.
- 비극성 활성 물질은 소수에 불과하므로, 소수성 / 비수용성 성분을 가용화하기 위해 제형에 고극성 에몰리언트를 흔히 사용합니다. 자주 사용되는 고극성 에몰리언트는 아이소프로필라우로일사코시네이트, 라우릴락테이트, 페닐에틸벤조에이트, 다이옥틸말리에이트 및 다이옥틸아이소소바이드입니다. 다양한 유형의 자외선 차단제 역시 침투 촉진제로 알려져 있습니다. 초음파 혼합 및 분산은 극성 에몰리언트와 활성 성분의 균질한 혼합을 보장합니다.
클린 뷰티 제품용 고성능 초음파 혼합기
초음파 처리는 순수한 기계적 혼합 처리로서 모든 종류의 인증 천연 화장품 생산에 사용할 수 있습니다. Hielscher Ultrasonics의 시스템은 고품질 화장품 및 치료제 생산에 사용되는 신뢰할 수 있는 장비로, 흡수율과 생체적합성이 뛰어난 생리활성 화합물을 나노 유화하고 리포솜에 캡슐화하여 제형화합니다. 고객의 요구를 충족하기 위해 Hielscher는 소형 휴대용 실험실 균질기와 탁상형 초음파 처리기부터 화장품 제형의 대량 생산을 위한 완전한 산업용 초음파 시스템까지 공급합니다. 화장품 및 코스메슈티컬의 초음파 제형화 공정은 배치 방식으로 수행하거나 초음파 유통식 반응기를 사용하여 연속 인라인 공정으로 수행할 수 있습니다. 리포솜 생산에 최적의 구성을 보장하기 위해 다양한 초음파 소노트로드(프로브)와 반응 용기를 제공합니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함은 까다로운 환경에서 고부하로 24/7 가동할 수 있게 하며 긴 장비 수명을 보장합니다.
진폭, 압력, 온도, 초음파 처리 시간과 같은 모든 주요 공정 매개변수를 정밀하게 제어하면 초음파 공정의 신뢰성과 재현성이 확보됩니다. Hielscher Ultrasonics는 지속적으로 높은 제품 품질을 유지하는 것이 중요함을 이해하며, 지능형 소프트웨어와 자동 데이터 기록을 통해 화장품 제조업체의 공정 표준화 및 GMP(우수 제조 관리 기준) 도입을 지원합니다. 당사의 디지털 초음파 균질기는 모든 초음파 공정 매개변수를 내장 SD 카드에 자동으로 기록합니다. 디지털 터치 디스플레이와 브라우저 원격 제어를 통해 공정을 지속적으로 모니터링하고 필요할 때마다 공정 매개변수를 정밀하게 조정할 수 있습니다. 이는 공정 모니터링과 품질 관리를 크게 용이하게 합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 해당 없음 | 10–100L/min | UIP16000 |
| 해당 없음 | 더 높은 유량 | 클러스터 구성의 UIP16000 |
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문헌 / 참고 자료
- Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science Emerging Technologies 9(2):170-175.
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알아두면 좋은 정보
클린 뷰티 제품이란 무엇인가요?
클린 뷰티 화장품은 독성이 없는 자연 유래 성분으로 만든 뷰티 제품입니다. 유기농 또는 천연 화장품이라는 용어는 통일된 정의나 법적 보호를 받는 용어가 아니지만, 천연 화장품은 자연 유래의 유기농 재배 원료 사용에 중점을 둡니다. 유해할 수 있는 물질(예: 내분비계 교란 물질)은 클린 화장품에서 제외되며, 사용 원료의 순도는 중요한 품질 요소입니다.
유럽연합에서 널리 인정되는 정의에 따르면 천연 화장품은 천연 물질로 만든 제품입니다. 천연 화장품에 함유된 보존제와 유화제에는 이 정의가 일부 확대 적용됩니다. 천연 물질은 식물, 동물 또는 광물에서 유래한 물질과 그 혼합물 및 이들 간의 반응 생성물로 정의됩니다. 추출과 후속 가공에는 기계적 교반, 건조, 여과, 지정된 용매를 이용한 추출과 같은 물리적 / 기계적 공정만 허용됩니다. 또한 천연 효소 또는 유전자 조작을 하지 않은(non-GMO) 미생물만 사용하는 경우에는 효소 공정과 미생물 공정도 허용됩니다.
유기농 및 천연 화장품에는 천연 물질과 그 유도체 또는 보존 목적으로 허용된 물질만으로 만든 뷰티 및 피부 관리 제품이 포함됩니다. 천연 / 유기농 뷰티 및 피부 관리 제품에는 다른 화장품과 동일한 법적 규정이 적용됩니다.
다음 성분(INCIs / 국제 화장품 성분 명명법)은 클린 뷰티 제형에 흔히 사용되며 선호되는 원료입니다:
- 용매: 수상: 정제수, 장미수 등의 침출수; 유기농 에탄올; 식물성 글리세린 등.
- 계면활성제 / 안정제 / 유화제: 레시틴, 인지질; 라우릴글루코사이드, 데실글루코사이드, 카프릴릴 / 데실글루코사이드, 코코글루코사이드와 같은 글루코사이드류; 코카미도프로필베타인; 세테아릴알코올 등.
- 캐리어 오일 / 유상: 스위트아몬드 오일, 아보카도 오일, 호두 오일, 코코넛 오일, 헴프 오일, 해바라기씨 오일, 피마자 오일, 오르간 오일, 브로콜리씨 오일, 블랙시드 오일, 당근 오일, 바오밥씨 오일 등의 오일과 버터.
- 버터와 왁스: 시어버터, 코코넛버터, 망고버터, 코코아버터, 유기농 밀랍 등.
- 캐모마일수, 아르니카 꽃 추출물, 칼렌둘라 추출물, 우엉 뿌리 추출물, 장미수, 프라임로즈 씨앗 추출물, 쐐기풀 팅크, 파파야 글리세롤 추출물 등의 식물 추출물.
- 라벤더, 페퍼민트, 티트리, 로즈힙, 민트 등의 천연 에센셜 오일(천연 화장품에 사용되는 에센셜 오일은 인공적으로 합성한 것이 아니라 천연 원료에서 추출한 것이어야 합니다)
- 활성 성분은 화장품이 실제로 작용하도록 하는 물질로, 즉 보습, 피부 활력 회복 및 노화 방지 효과를 부여합니다. 활성 성분 / 생리활성 분자로는 레스베라트롤, 히알루론산, 요소, 비타민 C, CoQ10, 세라마이드, 비타민 E / 알파-토코페롤, 비타민 B군, 페룰산, 레티놀 및 레티노이드, 펩타이드, 이산화티타늄, 산화아연, 활성탄, 천연 젖산, 피롤리돈 카르복실산, 무기염, D-판테놀, 포도 추출물, 올리브 잎 추출물, 알로에 베라, 올리고갈락토만난 등이 있습니다.
- 천연 화장품에 사용되는 향료와 향수 성분은 대부분 에센셜 오일, 천연 오일 및 특정 방향 화합물입니다. 오렌지, 라벤더, 페퍼민트, 레몬, 샌들우드, 재스민, 네롤리, 파촐리, 장미 및 일랑일랑에서 얻은 에센셜 오일은 천연 화장품에서 널리 사용되는 향료 성분입니다.
초음파 추출은 식물에서 고품질 에센셜 오일을 생산하는 데 탁월한 방법입니다. 에센셜 오일의 초음파 수증류에 대해 자세히 알아보세요!
천연 화장품에 흔히 사용되는 활성 성분
판테놀 은 프로비타민 B5로 알려진 자연계에 존재하는 물질로, 화장품 원료로서 피부 유연제와 보습제로 사용됩니다. 모발 관리 제형에는 수분 유지제, 유연제, 광택제, 엉킴 방지제 및 보습제로 첨가됩니다. 판테놀은 D형 또는 라세미 혼합물인 DL-판테놀 형태로 제공됩니다. D-판테놀만 비타민 B5로 전환되므로 D-판테놀이 선호되는 형태입니다.
폴리페놀 은 레스베라트롤, 퀘르세틴, 루틴 등과 같은 강력한 천연 항산화제로, 식물에서 추출할 수 있습니다. 화장품과 코스메슈티컬에 사용되어 사람 피부의 산화 연쇄 반응을 억제하므로 전반적인 피부 건강을 돕고 일부 피부 질환과 조기 노화를 예방할 수 있습니다.
인증된 천연 화장품
유기농 천연 뷰티 제품과 화장품에 대해 전 세계적으로 유효한 단일 인증 표준은 없습니다. 화장품 제조업체는 특정 국가나 지역에서 인정되는 다양한 인증 표준에 따라 제품을 인증받을 수 있습니다.
대표적이며 국제적으로 인정받는 인증은 COSMOS-standard (COSMetic Organic Standard)로, 천연 화장품(Cosmos-natural)과 유기농 화장품(Cosmos-organic)을 구분하고 각각의 인증 요건을 정합니다. 화장품 관리 제품은 함유된 식물의 최소 95%가 유기농이고 전체 처방에서 유기농 성분이 최소 20%를 차지하는 경우에만 COSMOS ORGANIC 인증을 받습니다(씻어내는 제품은 10%).