Formulering van clean beauty-producten met ultrasone technologie

Natuurlijke, biologische ingrediënten (INCIs), gecombineerd met een hoge werkzaamheid en biologische beschikbaarheid, zijn de kenmerken van innovatieve clean beauty-producten. Sonicatie wordt gebruikt als een zeer efficiënte en betrouwbare techniek om cosmetische ingrediënten te mengen, te mixen, te dispergeren, te nano-emulgeren en te nano-inkapselen.

Waarom zou u sonicatie gebruiken voor uw clean beauty-producten?

Het mengen, mixen, dispergeren en emulgeren van ingrediënten en het inkapselen van bioactieve moleculen zijn kernprocessen bij de productie van cosmetische, huidverzorgings-, schoonheids- en cosmeceutische producten. De betrouwbare, efficiënte en homogene uitvoering van deze kernprocessen is essentieel om hoogwaardige cosmetische producten te verkrijgen met een versterkte werking, potentie en efficiëntie van het eindproduct. Moderne hightech-ingrediënten zijn geavanceerde stoffen die op een uitgekiende manier in het eindproduct moeten worden verwerkt om de gewenste effecten te verkrijgen.

Sonicatie – een breed scala aan toepassingen

Sonicatie is een zeer efficiënte en betrouwbare techniek voor het homogeniseren van vloeistof-vloeistof- en vaste stof-vloeistofsuspensies. Het inkapselen van moleculen in lipidedragers op nanoschaal (bijv. liposomen, niosomen, vaste lipidenanodeeltjes, nanogestructureerde lipidedragers, micellen enz.) is een andere belangrijke toepassing van ultrasone technologie met hoge prestaties.
Sonicatie kan worden toegepast bij veel stappen in de productie van clean beauty-producten en volledig natuurlijke, biologische cosmetische, schoonheids- en huidverzorgingsproducten en kan de efficiëntie van meng- en inkapselingstoepassingen verbeteren. Omdat ultrasone mixers zorgen voor intensief mixen en homogeniseren, kan het gebruik van chemische additieven die gewoonlijk worden toegevoegd om langdurige stabiliteit en houdbaarheid te bereiken, worden geminimaliseerd of volledig worden vermeden.
Sonicatie geeft u een concurrentievoordeel door superieure resultaten te leveren in een snel en efficiënt proces dat uniforme, homogene suspensies oplevert. Dit heeft een positief effect op de productstabiliteit, houdbaarheid en biocompatibiliteit.

Sonicatie – een zuiver mechanische behandeling

Sonicatie is een milde, niet-thermische behandeling waarbij de grondstoffen niet door warmte worden afgebroken. Veel ingrediënten, zoals lipiden, bioactieve moleculen of etherische oliën, zijn warmtegevoelig en profiteren daarom sterk van gecontroleerde verwerking bij lage temperaturen. Apparaten van Hielscher Ultrasonics zijn nauwkeurig regelbaar, eenvoudig instelbaar en kunnen via afstandsbediening in de browser worden bewaakt en bediend. De slimme software registreert de verwerkingsparameters automatisch op een ingebouwde SD-kaart. Deze functies vergemakkelijken de standaardisering van processen en kwaliteit en de implementatie van Good Manufacturing Practices (GMP).

Het werkingsprincipe van sonicatie

Omdat sonicatie een zuiver mechanische behandeling is, worden er geen aanvullende chemicaliën toegevoegd die in strijd zouden zijn met de filosofie van clean cosmetica. Ultrasone toepassingen zoals mengen, mixen, emulgeren, inkapselen en extractie zijn gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische cavitatie.
Krachtige ultrasone golven worden via een ultrasone processor met sonde in de slurry gekoppeld. Ultrasone golven met een hoge energie bewegen door de vloeistof en creëren afwisselende hogedruk- / lagedrukcycli, wat resulteert in het verschijnsel akoestische cavitatie. Akoestische of ultrasone cavitatie leidt plaatselijk tot extreme temperaturen, drukken, opwarm-/afkoelsnelheden, drukverschillen en hoge afschuifkrachten in het medium. Wanneer cavitatiebellen op het oppervlak van deeltjes of druppels imploderen, veroorzaken microjets en botsingen tussen deeltjes effecten zoals het afpellen van oppervlakken, erosie, deeltjesfragmentatie, sonoporatie, druppelfragmentatie en celontsluiting. Bovendien veroorzaakt de implosie van cavitatiebellen in vloeibare media macroturbulentie en micromenging. Ultrasone bestraling is een efficiënte manier om massaoverdrachtsprocessen te verbeteren, omdat sonicatie resulteert in cavitatie en de bijbehorende mechanismen, zoals microbewegingen door vloeistofjets, compressie en decompressie in het materiaal met daaropvolgende druppelfragmentatie, en hoge opwarm- en afkoelsnelheden.
Ultrasone apparaten met sonde kunnen zeer hoge amplitudes genereren, wat nodig is om krachtige cavitatie te veroorzaken. Hielscher Ultrasonic produceert ultrasone processors met hoge prestaties die bij continu 24/7-gebruik gemakkelijk amplitudes van 200µm kunnen genereren. Voor nog hogere amplitudes biedt Hielscher speciale sonotroden (sondes) voor hoge amplitudes aan.
Ultrasone reactoren en doorstroomcellen die onder druk kunnen worden gezet, worden gebruikt om de cavitatie te intensiveren. Bij toenemende druk worden cavitatie en de door cavitatie veroorzaakte afschuifkrachten destructiever, waardoor de ultrasone effecten worden versterkt.

Voordelen van ultrasoon mixen en emulgeren

De productie van homogene mengsels, dispersies, emulsies en nano-emulsies door sonicatie heeft de belangstelling gewekt van ontwikkelaars van cosmetische formuleringen vanwege de uitzonderlijke energie-efficiëntie, de behoefte aan eenvoudige mengapparatuur, de eenvoudige bediening van het systeem en vooral de lage productiekosten. Ultrasoon mengen, mixen en emulgeren vergroot de flexibiliteit bij de keuze van oppervlakteactieve stoffen en interne structuren van emulsies. (vgl. Marzuki et al. 2019)

Molecuulgrootte is van belang

Moleculen op submicron- en nanoschaal vertonen een aanzienlijk verhoogde transdermale permeatiesnelheid. Terwijl grote moleculen op het huidoppervlak blijven liggen en vanwege hun grootte niet in de huid kunnen doordringen, kunnen kleinere moleculen de epidermis passeren.
Dit betekent dat de bioactieve verbindingen naar diepere dermale lagen worden getransporteerd, waar ze hun “werk” kunnen doen door de huid te voeden of te herstellen.
Een duidelijk voorbeeld van het belang van molecuulgrootte is hyaluronzuur, een molecuul met een lange keten. Als het hyaluronzuur een hoog molecuulgewicht heeft, kan het de huidbarrière niet passeren en blijft het als een film op de buitenste laag liggen. Hyaluronzuur met een laag molecuulgewicht wordt daarentegen naar diepere huidlagen getransporteerd, waar het zijn hydraterende werking ontplooit.
Een ander voorbeeld van het belang van deeltjesgrootte zijn titaandioxide en zinkoxide. Beide worden gebruikt als werkzame ingrediënten in natuurlijke zonbeschermingsproducten (bijv. lotions, hydraterende producten, sprays). Een uniform kleine deeltjesgrootte is belangrijk om verstopping van de huidporiën te voorkomen en daarmee het ontstaan van puistjes tegen te gaan. Bovendien verminderen of voorkomen kleinere deeltjes het witmakende en glanzende effect van zonbeschermingsproducten.

Ultrasoon nano-emulgeren wordt gebruikt om beladen nano-emulsies, liposomen en vaste lipidenanodeeltjes te produceren. Sonicatie levert een smalle druppelgrootteverdeling en nanogestructureerde deeltjes op.

Verbeterde huidpenetratie

Chemische huidpenetratiebevorderaars omvatten stoffen zoals l-α-lecithine, ureum, vetzuren, ethanol en glycolen.

• Vesiculaire huidpenetratiebevorderaars omvatten vesiculaire dragers zoals liposomen en niosomen. Vesiculaire dragers zijn krachtige afgiftesystemen voor werkzame moleculen. Door hun samenstelling bieden ze het voordeel dat ze zowel hydrofiele als lipofiele moleculen kunnen vervoeren. Hydrofiele moleculen worden ingekapseld in de waterige kern en lipofiele moleculen worden opgenomen in het lipidemembraan dat de waterige kern omringt. Omdat de wanden van de vesikels bij liposomen uit fosfolipidedubbellagen en bij niosomen uit synthetische oppervlakteactieve stoffen bestaan, zijn de vesikels wateroplosbaar en daardoor zeer biocompatibel.
  Lees meer over ultrasoon geproduceerde liposomen!
• Enzymatische huidpenetratiebevorderaars omvatten enzymen zoals HMGCoA-reductase en acetyl-CoA-carboxylase, die belangrijke enzymen van de epidermale lipidesynthese remmen en de cruciale molaire verhouding van de belangrijkste lipiden in het stratum corneum veranderen.
• Ureum, ook bekend als carbamide, wordt gebruikt om de opname van andere werkzame cosmetische ingrediënten te bevorderen, omdat het de doorlaatbaarheid van de huid verhoogt.

Ultrasoon verbeterde biologische beschikbaarheid van werkzame stoffen in huidverzorging

De biologische beschikbaarheid wordt gedefinieerd als de penetratiesnelheid waarmee een werkzame verbinding haar plaats van werking bereikt. De zogenoemde fluxsnelheid, oftewel de hoeveelheid werkzame stof die in de loop van de tijd doordringt, wordt bepaald in microgram/cm²/uur. Voor werkzame ingrediënten in cosmetische producten is de beoogde plaats van werking van een ingrediënt meestal de onderste epidermis. Uitzonderingen zijn werkzame stoffen zoals zinkoxide of titaandioxide, veelgebruikte ingrediënten in zonbeschermingslotions en -sprays, omdat deze stoffen op het huidoppervlak werken, waar de deeltjes hun maximale UV-absorptievermogen kunnen ontplooien.
De biologische beschikbaarheid van werkzame ingrediënten wordt sterk beïnvloed door de gebruikte soorten cosmetische formuleringen. Gangbare formuleringen in schoonheids- en persoonlijke verzorgingsproducten zijn olie-in-wateremulsies (O/W), water-in-olie-emulsies (W/O), water-in-olie-in-wateremulsies (W/O/W), polyol-in-olie-emulsies en hydrogels. (Polyolen die in natuurlijke cosmetische formuleringen worden gebruikt, zijn sorbitol, mannitol enz.).

Ultrasone bereiding van een emulsie (rood water / gele olie). Enkele seconden sonicatie zetten de gescheiden water-/oliefasen om in een fijne emulsie.

Sonicatie voor een verhoogde doorlaatbaarheid van de huid

De doorlaatbaarheid van de huid en daarmee de biologische beschikbaarheid van cosmetische werkzame stoffen en cosmeceutica kunnen worden verhoogd door de huidbarrière te beïnvloeden of door de oplosbaarheid van de werkzame moleculen te verhogen.
Om de huidbarrière te verminderen en het transport van werkzame moleculen naar de onderste epidermis te vergemakkelijken, kunnen uiteenlopende stoffen, zoals oplosmiddelen, fosfolipiden en vesikels van oppervlakteactieve stoffen die uit fosfolipiden zijn opgebouwd, evenals exfolianten, de penetratie van werkzame stoffen in diepere huidlagen verbeteren.

• Gebruikte oplosmiddelen zijn onder meer dimethylisosorbide, ethoxydiglycol, ethanol en oliezuur. Deze oplosmiddelen zijn zeer geschikt voor ultrasone meng-, mix- en emulgeerprocessen.
• Van fosfolipiden is algemeen bekend dat ze de huidpenetratie van zowel olieoplosbare als wateroplosbare moleculen verbeteren. Veelgebruikte fosfolipiden zijn lecithine, gehydrogeneerde lecithine, lysolecithine en tocoferylfosfaat. Ze profiteren van ultrasone verwerking, omdat sonicatie de fosfolipiden gelijkmatig in de suspensie verdeelt.
• Vesikels van oppervlakteactieve stoffen: oppervlakteactieve stoffen kunnen multilamellaire en unilamellaire vesikels met werkzame stoffen vormen. Liposomen en vaste lipidenanodeeltjes zijn belangrijke voorbeelden van vesikels die in de huid doordringen en bioactieve verbindingen naar de beoogde plaatsen transporteren. Sonicatie is de meest efficiënte en effectieve methode om liposomen, nanoliposomen en vaste lipidenanodeeltjes (SLNs) te produceren met een hoge belading met werkzame stoffen, een hoge inkapselingsefficiëntie (%EE), stabiliteit en biologische beschikbaarheid.
• Chemische exfolianten omvatten melkzuur, glycolzuur, salicylzuur en N-acetylglucosamine. Mechanische peelings bevatten minuscule schurende deeltjes van houtskool, kokosvlokken of koffiescrub. Al deze stoffen kunnen efficiënt worden gedispergeerd door sonicatie.

De oplosbaarheid van werkzame ingrediënten in cosmetica kan worden verhoogd door inclusiecomplexen, inkapseling, submicron-/nano-emulsies en efficiënte solubilisatie in de formulering.

• Inclusiecomplexvorming met cyclodextrinen (zoals alfa-, gamma- en hydroxypropyl-bèta-cyclodextrine) wordt bereikt door sonicatie. Cyclodextrinecomplexen hebben een holte waarin bioactieve ingrediënten worden ingekapseld. De inkapseling / complexvorming maakt de werkzame verbindingen wateroplosbaar en daardoor biologisch beschikbaar. Lees meer over ultrasone infusiecomplexvorming!
• Fytoglycogeen is een plantaardig koolhydraatnanodeeltje (polysacharide) met een hoge dichtheid en een holte die veel verschillende soorten werkzame stoffen kan inkapselen. Fytoglycogeen-octenylsuccinaat (PG-OS) is een amfifiel koolhydraatnanodeeltje waarvan de toevoeging emulsies een hoge oxidatieve stabiliteit van de lipiden geeft. Ultrasoon emulgeren verbetert de vorming van homogene, stabiele fytoglycogeenemulsies.
• Submicron- en nano-emulsies worden gebruikt als zeer kleine afgiftesystemen die de verbindingen wateroplosbaar maken en het mogelijk maken de werkzame ingrediënten naar de beoogde plaats te transporteren. De kleine afmetingen van de druppels op nanoschaal vergroten de doorlaatbaarheid door de huidbarrière naar diepere huidlagen.
• Sterk polaire emolliënten worden vaak gebruikt in formuleringen om hydrofobe / wateronoplosbare ingrediënten te solubiliseren, omdat slechts weinig werkzame stoffen apolair zijn. De volgende sterk polaire emolliënten worden veel gebruikt: isopropyllauroylsarcosinaat, lauryllactaat, fenylethylbenzoaat, dioctylmaleaat en dioctylisosorbide. Van verschillende soorten zonbeschermingsmiddelen is ook bekend dat ze de penetratie bevorderen. Ultrasoon mengen en dispergeren zorgt voor een homogeen mengsel van polaire emolliënten en werkzame ingrediënten.

Ultrasone mixers met hoge prestaties voor clean beauty-producten

Als zuiver mechanische mengbehandeling kan sonicatie worden gebruikt voor de productie van allerlei gecertificeerde natuurlijke cosmetische producten. De systemen van Hielscher Ultrasonics zijn betrouwbare machines die worden gebruikt bij de productie van hoogwaardige cosmetica en therapeutische producten om nano-geëmulgeerde en in liposomen ingekapselde bioactieve verbindingen te formuleren met een superieure opnamesnelheid en biocompatibiliteit. Om aan de behoeften van zijn klanten te voldoen, levert Hielscher ultrasone apparaten variërend van de compacte, draagbare laboratoriumhomogenisator en tafelmodellen tot volledig industriële ultrasone systemen voor de productie van grote volumes cosmetische formuleringen. Ultrasone formuleringsprocessen voor cosmetica en cosmeceutica kunnen worden uitgevoerd als batchproces of als continu inlineproces met een ultrasone doorstroomreactor. Een breed assortiment ultrasone sonotroden (sondes) en reactorvaten is beschikbaar om een optimale opstelling voor uw liposoomproductie te garanderen. Dankzij de robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher is 24/7-gebruik onder zware belasting in veeleisende omgevingen mogelijk en wordt een lange levensduur van de machines gewaarborgd.
De nauwkeurige regeling van alle belangrijke procesparameters, zoals amplitude, druk, temperatuur en sonicatietijd, maakt het ultrasone proces betrouwbaar en reproduceerbaar. Hielscher Ultrasonics kent het belang van een voortdurend hoge productkwaliteit en ondersteunt cosmeticafabrikanten bij de implementatie van processtandaardisering en GMP (Good Manufacturing Practices) met intelligente software en automatische gegevensregistratie. Onze digitale ultrasone homogenisatoren registreren automatisch alle ultrasone procesparameters op een ingebouwde SD-kaart. Digitale aanraakschermen en afstandsbediening via de browser maken continue procesbewaking mogelijk en stellen u in staat de procesparameters nauwkeurig aan te passen wanneer dat nodig is. Dit vergemakkelijkt de procesbewaking en kwaliteitscontrole aanzienlijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten: