Formulacja produktów clean beauty z wykorzystaniem ultradźwięków

Naturalne, organiczne składniki (INCI) w połączeniu z wysoką skutecznością i biodostępnością to cechy innowacyjnych produktów clean beauty. Sonikacja jest stosowana jako wysoce wydajna i niezawodna technika mieszania, łączenia, dyspergowania, nanoemulgowania i nanokapsułkowania składników kosmetycznych.

Dlaczego warto stosować sonikację w produkcji kosmetyków clean beauty?

Mieszanie, łączenie, dyspergowanie i emulgowanie składników oraz kapsułkowanie cząsteczek bioaktywnych to podstawowe procesy w produkcji kosmetyków, produktów do pielęgnacji skóry, produktów upiększających i kosmeceutyków. Niezawodne, wydajne i jednorodne przeprowadzenie tych podstawowych procesów jest niezbędne do uzyskania wysokiej jakości kosmetyków o nasilonym działaniu, dużej sile działania i wysokiej skuteczności produktu końcowego. Nowoczesne, zaawansowane technologicznie składniki są wysoce dopracowanymi substancjami, które wymagają zaawansowanych metod wprowadzania do produktu końcowego, aby uzyskać pożądane efekty.

Sonikacja – szerokie spektrum zastosowań

Sonikacja jest wysoce wydajną i niezawodną techniką homogenizacji zawiesin typu ciecz–ciecz i ciało stałe–ciecz. Kapsułkowanie cząsteczek w nośnikach lipidowych o rozmiarach nanometrycznych (np. liposomach, niosomach, nanocząstkach lipidowych stałych, nanostrukturalnych nośnikach lipidowych, micelach itp.) to kolejne ważne zastosowanie ultradźwięków o wysokiej wydajności.
Sonikację można stosować na wielu etapach produkcji kosmetyków clean beauty, produktów upiększających i produktów do pielęgnacji skóry, które są całkowicie naturalne i organiczne, zwiększając wydajność procesów mieszania i kapsułkowania. Ponieważ mieszalniki ultradźwiękowe zapewniają intensywne łączenie składników i homogenizację, stosowanie dodatków chemicznych, które zwykle dodaje się w celu uzyskania długotrwałej stabilności i przedłużenia okresu przydatności do użycia, można ograniczyć do minimum lub całkowicie wyeliminować.
Sonikacja zapewnia przewagę konkurencyjną dzięki uzyskiwaniu lepszych rezultatów w szybkim i wydajnym procesie, którego wynikiem są równomierne, jednorodne zawiesiny. Wpływa to korzystnie na stabilność produktu, jego okres przydatności do użycia i biokompatybilność.

Sonikacja – obróbka wyłącznie mechaniczna

Sonikacja jest łagodną, nietermiczną metodą obróbki, która nie powoduje degradacji surowców pod wpływem ciepła. Wiele składników, takich jak lipidy, cząsteczki bioaktywne czy olejki eteryczne, jest wrażliwych na ciepło i dlatego kontrolowana obróbka w niskiej temperaturze przynosi im znaczne korzyści. Urządzenia Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne sterowanie, są łatwe w regulacji i można je monitorować oraz obsługiwać za pomocą zdalnego sterowania przez przeglądarkę. Inteligentne oprogramowanie automatycznie rejestruje parametry obróbki na wbudowanej karcie SD. Funkcje te ułatwiają standaryzację procesu i jakości oraz wdrażanie Dobrej Praktyki Wytwarzania (GMP).

Zasada działania sonikacji

Ponieważ sonikacja jest obróbką wyłącznie mechaniczną, nie dodaje się żadnych dodatków chemicznych, które byłyby sprzeczne z filozofią kosmetyków clean beauty. Zastosowania ultradźwięków, takie jak mieszanie, łączenie składników, emulgowanie, kapsułkowanie i ekstrakcja, opierają się na zasadzie działania kawitacji akustycznej.
Fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzęgane z zawiesiną za pośrednictwem procesora ultradźwiękowego wyposażonego w sondę. Wysokoenergetyczne fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, tworząc naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia, co prowadzi do zjawiska kawitacji akustycznej. Kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa powoduje lokalnie występowanie ekstremalnych temperatur, ciśnień, szybkości ogrzewania/chłodzenia, różnic ciśnień oraz dużych sił ścinających w ośrodku. Gdy pęcherzyki kawitacyjne implodują na powierzchni cząstek lub kropli, mikrostrumienie i zderzenia między cząstkami wywołują takie efekty jak złuszczanie powierzchni, erozja, rozpad cząstek, sonoporacja oraz rozbijanie kropli i komórek. Ponadto implozja pęcherzyków kawitacyjnych w ośrodkach ciekłych powoduje makroturbulencje i mikromieszanie. Oddziaływanie ultradźwiękami stanowi skuteczny sposób intensyfikacji procesów przenoszenia masy, ponieważ sonikacja wywołuje kawitację i związane z nią mechanizmy, takie jak mikroruchy powodowane przez strumienie cieczy, sprężanie i rozprężanie materiału z następującym po nich rozbijaniem kropli, a także wysokie szybkości ogrzewania i chłodzenia.
Sonikatory wyposażone w sondę mogą generować bardzo wysokie amplitudy, co jest niezbędne do wytworzenia silnie oddziałującej kawitacji. Hielscher Ultrasonic produkuje wysokowydajne procesory ultradźwiękowe, które z łatwością mogą wytwarzać amplitudy 200µm podczas ciągłej pracy 24/7. W celu uzyskania jeszcze wyższych amplitud Hielscher oferuje specjalne sonotrody (sondy) o wysokiej amplitudzie.
Do intensyfikacji kawitacji stosuje się reaktory ultradźwiękowe i komory przepływowe umożliwiające pracę pod ciśnieniem. Wraz ze wzrostem ciśnienia kawitacja i kawitacyjne siły ścinające stają się bardziej destrukcyjne, nasilając tym samym efekty działania ultradźwięków.

Zalety ultradźwiękowego łączenia składników i emulgowania

Wytwarzanie jednorodnych mieszanin, dyspersji, emulsji i nanoemulsji za pomocą sonikacji wzbudziło zainteresowanie twórców formulacji kosmetycznych ze względu na wyjątkową efektywność energetyczną, potrzebę stosowania podstawowych urządzeń mieszających, łatwą obsługę systemu, a przede wszystkim niskie koszty produkcji. Ultradźwiękowe mieszanie, łączenie składników i emulgowanie zwiększa elastyczność wyboru surfaktantu i struktur wewnętrznych emulsji. (por. Marzuki et al. 2019)

Rozmiar cząsteczek ma znaczenie

Cząsteczki o rozmiarach submikronowych i nanometrycznych wykazują znacznie większą szybkość przenikania przez skórę. Podczas gdy duże cząsteczki pozostają na powierzchni skóry i nie mogą w nią wnikać ze względu na swój rozmiar, mniejsze cząsteczki mogą przechodzić przez naskórek.
Oznacza to, że związki bioaktywne są transportowane do głębszych warstw skóry właściwej, gdzie mogą wykonywać swoją „pracę”, odżywiając lub regenerując skórę.
Ważnym przykładem znaczenia rozmiaru cząsteczek jest kwas hialuronowy, będący cząsteczką o długim łańcuchu. Jeśli kwas hialuronowy ma dużą masę cząsteczkową, nie może przejść przez barierę skórną i pozostaje jako film na jej zewnętrznej warstwie. Natomiast kwas hialuronowy o małej masie cząsteczkowej jest transportowany do głębszych warstw skóry, gdzie rozwija swoje działanie nawilżające.
Kolejnym przykładem znaczenia rozmiaru cząstek są dwutlenek tytanu i tlenek cynku. Oba są stosowane jako składniki aktywne w naturalnych produktach ochrony przeciwsłonecznej (np. mleczkach, preparatach nawilżających, sprayach). Jednolicie mały rozmiar cząstek jest ważny, aby uniknąć zatykania porów skóry i tym samym zapobiegać powstawaniu wyprysków. Ponadto mniejsze cząstki ograniczają lub eliminują efekt wybielania i połysku powodowany przez preparaty przeciwsłoneczne.

Nanoemulgowanie ultradźwiękowe służy do wytwarzania nanoemulsji, liposomów i nanocząstek lipidowych stałych zawierających wprowadzone substancje. Sonikacja zapewnia wąski rozkład wielkości kropli i cząstki o nanostrukturze.

Lepsze przenikanie przez skórę

Chemiczne promotory przenikania przez skórę obejmują takie substancje jak l-α-lecytyna, mocznik, kwasy tłuszczowe, etanol i glikole.

• Pęcherzykowe promotory przenikania przez skórę obejmują nośniki pęcherzykowe, takie jak liposomy i niosomy. Nośniki pęcherzykowe są skutecznymi systemami dostarczania cząsteczek aktywnych. Dzięki swojemu składowi zapewniają korzyść polegającą na przenoszeniu zarówno cząsteczek hydrofilowych, jak i lipofilowych. Cząsteczki hydrofilowe są kapsułkowane w wodnym rdzeniu, a cząsteczki lipofilowe są wprowadzane do błony lipidowej otaczającej wodny rdzeń. Ponieważ ściany pęcherzyków składają się odpowiednio z dwuwarstw fosfolipidowych w przypadku liposomów i z syntetycznych surfaktantów w przypadku niosomów, pęcherzyki są rozpuszczalne w wodzie, a tym samym wysoce biokompatybilne.
  Przeczytaj więcej o liposomach wytwarzanych ultradźwiękowo!
• Enzymatyczne promotory przenikania przez skórę obejmują enzymy takie jak reduktaza HMGCoA i karboksylaza acetylo-CoA, które hamują kluczowe enzymy syntezy lipidów naskórka i zmieniają krytyczny stosunek molowy głównych lipidów warstwy rogowej naskórka.
• Mocznik, znany również jako karbamid, stosuje się w celu zwiększenia wchłaniania innych aktywnych składników kosmetycznych, ponieważ zwiększa on przepuszczalność skóry.

Ultradźwiękowe zwiększanie biodostępności substancji aktywnych w pielęgnacji skóry

Biodostępność definiuje się jako szybkość przenikania związku aktywnego do miejsca jego działania. Tak zwany strumień przenikania, czyli ilość substancji aktywnej przenikającej w czasie, określa się w mikrogramach/cm²/godzinę. W przypadku składników aktywnych w produktach kosmetycznych docelowym miejscem działania składnika jest zwykle dolna część naskórka. Wyjątkami są substancje aktywne takie jak tlenek cynku czy dwutlenek tytanu, powszechne składniki mleczek i sprayów przeciwsłonecznych, ponieważ substancje te działają na powierzchni skóry, gdzie cząstki mogą rozwinąć swoją maksymalną zdolność pochłaniania promieniowania UV.
Na biodostępność składników aktywnych silnie wpływają rodzaje stosowanych formulacji kosmetycznych. Typowe formulacje w produktach upiększających i do pielęgnacji osobistej to emulsje typu olej w wodzie (O/W), woda w oleju (W/O), woda w oleju w wodzie (W/O/W), emulsje typu poliol w oleju oraz hydrożele. (Poliole stosowane w naturalnych formulacjach kosmetycznych to sorbitol, mannitol itp.).

Ultradźwiękowe przygotowanie emulsji (czerwona woda / żółty olej). Kilka sekund sonikacji przekształca oddzielne fazy wody/oleju w drobną emulsję.

Sonikacja w celu zwiększenia przepuszczalności skóry

Przepuszczalność skóry, a tym samym biodostępność kosmetycznych substancji aktywnych i kosmeceutyków, można zwiększyć poprzez oddziaływanie na barierę skórną lub zwiększenie rozpuszczalności cząsteczek aktywnych.
Aby osłabić barierę skórną i ułatwić transport cząsteczek aktywnych do dolnej części naskórka, różnorodne substancje, takie jak rozpuszczalniki, fosfolipidy i pęcherzyki surfaktantowe zbudowane z fosfolipidów, a także substancje złuszczające, mogą poprawiać przenikanie substancji aktywnych do głębszych warstw skóry.

• Stosowane rozpuszczalniki obejmują dimetyloizosorbid, etoksydiglikol, etanol i kwas oleinowy. Rozpuszczalniki te są wysoce kompatybilne z ultradźwiękowymi procesami mieszania, łączenia składników i emulgowania.
• Fosfolipidy są dobrze znane ze zwiększania przenikania przez skórę zarówno cząsteczek rozpuszczalnych w oleju, jak i cząsteczek rozpuszczalnych w wodzie. Powszechnie stosowane fosfolipidy to lecytyna, uwodorniona lecytyna, lizolecytyna i fosforan tokoferylu. Obróbka ultradźwiękowa przynosi im korzyści, ponieważ sonikacja równomiernie rozprowadza fosfolipidy w zawiesinie.
• Pęcherzyki surfaktantowe: surfaktanty mogą tworzyć pęcherzyki wielolamelarne i jednolamelarne zawierające substancje aktywne. Liposomy i nanocząstki lipidowe stałe są ważnymi przykładami pęcherzyków przenikających przez skórę i transportujących związki bioaktywne do miejsc docelowych. Sonikacja jest najbardziej wydajną i skuteczną metodą wytwarzania liposomów, nanoliposomów i nanocząstek lipidowych stałych (SLNs) o wysokiej zawartości substancji aktywnych, wysokiej wydajności kapsułkowania (%EE), stabilności i biodostępności.
• Chemiczne substancje złuszczające obejmują kwasy mlekowy, glikolowy i salicylowy oraz N-acetyloglukozaminę. Peelingi mechaniczne zawierają bardzo drobne cząstki ścierne z węgla drzewnego, wiórków kokosowych lub peelingu kawowego. Wszystkie te substancje można wydajnie dyspergować za pomocą sonikacji.

Rozpuszczalność składników aktywnych w kosmetykach można zwiększyć za pomocą kompleksów inkluzyjnych, kapsułkowania, emulsji submikronowych/nanoemulsji oraz wydajnej solubilizacji w formulacji.

• Tworzenie kompleksów inkluzyjnych z użyciem cyklodekstryn (takich jak alfa-, gamma- i hydroksypropylo-beta-cyklodekstryna) uzyskuje się za pomocą sonikacji. Kompleksy cyklodekstrynowe mają wnękę, w której kapsułkowane są składniki bioaktywne. Kapsułkowanie / kompleksowanie sprawia, że związki aktywne stają się rozpuszczalne w wodzie, a tym samym biodostępne. Przeczytaj więcej o ultradźwiękowym kompleksowaniu przez infuzję!
• Fitoglikogen jest nanocząstką węglowodanową (polisacharydową) pochodzenia roślinnego o dużej gęstości, z wnęką umożliwiającą kapsułkowanie wielu różnych rodzajów substancji aktywnych. Oktenylobursztynian fitoglikogenu (PG-OS) jest amfifilową nanocząstką węglowodanową, której dodatek zapewnia emulsjom wysoką stabilność oksydacyjną lipidów. Emulgowanie ultradźwiękowe usprawnia wytwarzanie jednorodnych, stabilnych emulsji fitoglikogenu.
• Emulsje submikronowe i nanoemulsje są stosowane jako bardzo małe systemy dostarczania, które sprawiają, że związki stają się rozpuszczalne w wodzie, i umożliwiają transport składników aktywnych do miejsca docelowego. Mały, nanometryczny rozmiar kropli zwiększa przenikanie przez barierę skórną do głębszych warstw skóry.
• Wysoce polarne emolienty są powszechnie stosowane w formulacjach do solubilizacji składników hydrofobowych / nierozpuszczalnych w wodzie, ponieważ tylko nieliczne substancje aktywne są niepolarne. Często stosowane są następujące wysoce polarne emolienty: lauroilosarkozynian izopropylu, mleczan laurylu, benzoesan fenyloetylu, maleinian dioktylu i izosorbid dioktylu. Wiadomo również, że różne rodzaje preparatów przeciwsłonecznych są promotorami przenikania. Ultradźwiękowe mieszanie i dyspergowanie zapewnia jednorodną mieszaninę polarnych emolientów i składników aktywnych.

Wysokowydajne mieszalniki ultradźwiękowe do produktów clean beauty

Jako wyłącznie mechaniczna metoda mieszania sonikacja może być stosowana do produkcji wszelkiego rodzaju certyfikowanych kosmetyków naturalnych. Systemy Hielscher Ultrasonics są niezawodnymi urządzeniami stosowanymi w produkcji wysokiej jakości kosmetyków i preparatów terapeutycznych do formulacji nanoemulgowanych związków bioaktywnych oraz związków bioaktywnych kapsułkowanych w liposomach, charakteryzujących się wyjątkowo wysoką szybkością wchłaniania i biokompatybilnością. Aby spełnić wymagania klientów, Hielscher dostarcza sonikatory, od kompaktowego ręcznego homogenizatora laboratoryjnego i sonikatorów stołowych po w pełni przemysłowe systemy ultradźwiękowe do produkcji dużych ilości formulacji kosmetycznych. Ultradźwiękowe procesy formulacji kosmetyków i kosmeceutyków można prowadzić okresowo lub jako ciągły proces w linii z wykorzystaniem ultradźwiękowego reaktora przepływowego. Dostępna jest szeroka gama sonotrod ultradźwiękowych (sond) i zbiorników reaktorów, zapewniających optymalną konfigurację do produkcji liposomów. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 pod dużym obciążeniem w wymagających warunkach i zapewnia długi okres eksploatacji urządzeń.
Precyzyjna kontrola wszystkich ważnych parametrów procesu, takich jak amplituda, ciśnienie, temperatura i czas sonikacji, sprawia, że proces ultradźwiękowy jest niezawodny i powtarzalny. Hielscher Ultrasonics zna znaczenie utrzymywania stale wysokiej jakości produktów i wspiera producentów kosmetyków we wdrażaniu standaryzacji procesów oraz GMP (Dobrej Praktyki Wytwarzania) dzięki inteligentnemu oprogramowaniu i automatycznej rejestracji danych. Nasze cyfrowe homogenizatory ultradźwiękowe automatycznie rejestrują wszystkie parametry procesu ultradźwiękowego na wbudowanej karcie SD. Cyfrowe wyświetlacze dotykowe i zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwiają ciągłe monitorowanie procesu oraz precyzyjną regulację jego parametrów, kiedy tylko jest to wymagane. Znacznie ułatwia to monitorowanie procesu i kontrolę jakości.
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: