Formulação de produtos de beleza limpa com ultrassons

Ingredientes naturais e biológicos (INCIs), combinados com elevada eficácia e biodisponibilidade, são as características dos produtos inovadores de beleza limpa. A ultrassonicação é utilizada como técnica altamente eficiente e fiável para misturar, combinar, dispersar, nanoemulsionar e nanoencapsular ingredientes cosméticos.

Por que razão deve utilizar a ultrassonicação nos seus produtos de beleza limpa?

A mistura, a combinação, a dispersão e a emulsificação de ingredientes, bem como a encapsulação de moléculas bioativas, são processos fundamentais no fabrico de produtos cosméticos, de cuidados da pele, de beleza e cosmecêuticos. A execução fiável, eficiente e homogénea destes processos fundamentais é essencial para obter produtos cosméticos de elevada qualidade, com efeitos, potência e eficiência acrescidos no produto final. Os ingredientes modernos de alta tecnologia são substâncias altamente desenvolvidas que exigem uma incorporação sofisticada no produto final para obter os efeitos pretendidos.

Sonicação – Um amplo espetro de aplicações

A sonicação é uma técnica altamente eficiente e fiável para homogeneizar suspensões líquido–líquido e sólido–líquido. A encapsulação de moléculas em transportadores lipídicos de dimensão nanométrica (por exemplo, lipossomas, niossomas, nanopartículas lipídicas sólidas, transportadores lipídicos nanoestruturados, micelas, etc.) é outra aplicação importante dos ultrassons de elevado desempenho.
A ultrassonicação pode ser aplicada em muitas etapas da produção de produtos cosméticos, de beleza e de cuidados da pele limpos, totalmente naturais e biológicos, e melhorar a eficiência das aplicações de mistura e encapsulação. Uma vez que os misturadores ultrassónicos proporcionam uma combinação e uma homogeneização intensas, a utilização de aditivos químicos habitualmente adicionados para obter estabilidade e prazo de conservação prolongados pode ser minimizada ou completamente evitada.
A sonicação proporciona uma vantagem competitiva ao produzir resultados superiores através de um processo rápido e eficiente, que resulta em suspensões uniformes e homogéneas. Isto tem um efeito positivo na estabilidade, no prazo de conservação e na biocompatibilidade do produto.

Sonicação – Um tratamento puramente mecânico

A ultrassonicação é um tratamento suave e não térmico, que não degrada as matérias-primas pelo calor. Muitos ingredientes, como lípidos, moléculas bioativas ou óleos essenciais, são sensíveis ao calor e, por isso, beneficiam muito do processamento controlado a baixa temperatura. Os dispositivos da Hielscher Ultrasonics permitem um controlo preciso, são facilmente ajustáveis e podem ser monitorizados e operados através de controlo remoto por navegador. O software inteligente regista automaticamente os parâmetros de processamento num cartão SD integrado. Estas características facilitam a normalização dos processos e da qualidade, bem como a implementação de Boas Práticas de Fabrico (GMP).

O princípio de funcionamento da sonicação

Uma vez que a sonicação é um tratamento puramente mecânico, não são adicionados aditivos químicos que interfeririam com a filosofia dos cosméticos limpos. As aplicações ultrassónicas, como a mistura, a combinação, a emulsificação, a encapsulação e a extração, baseiam-se no princípio de funcionamento da cavitação acústica.
As ondas ultrassónicas de elevada potência são acopladas à suspensão através de um processador ultrassónico de sonda. As ondas ultrassónicas altamente energéticas propagam-se pelo líquido, criando ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, que resultam no fenómeno de cavitação acústica. A cavitação acústica ou ultrassónica provoca localmente temperaturas, pressões, velocidades de aquecimento/arrefecimento e diferenciais de pressão extremos, bem como elevadas forças de cisalhamento no meio. Quando as bolhas de cavitação implodem na superfície de partículas ou gotículas, os microjatos e as colisões entre partículas geram efeitos como descamação superficial, erosão, fragmentação de partículas, sonoporação, bem como rutura de gotículas e rutura celular. Além disso, a implosão das bolhas de cavitação em meios líquidos cria macroturbulência e micromistura. A irradiação ultrassónica constitui uma forma eficiente de intensificar os processos de transferência de massa, uma vez que a sonicação resulta em cavitação e nos mecanismos associados, como micromovimentos provocados por jatos de líquido, compressão e descompressão no material com subsequente rutura de gotículas, bem como elevadas velocidades de aquecimento e arrefecimento.
Os sonicadores de sonda podem gerar amplitudes muito elevadas, o que é necessário para gerar cavitação de forte impacto. A Hielscher Ultrasonic fabrica processadores ultrassónicos de elevado desempenho, que podem facilmente gerar amplitudes de 200µm em funcionamento contínuo 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, a Hielscher disponibiliza sonotrodos (sondas) específicos de elevada amplitude.
São utilizados reatores ultrassónicos e células de fluxo pressurizáveis para intensificar a cavitação. À medida que a pressão aumenta, a cavitação e as forças de cisalhamento cavitacional tornam-se mais destrutivas, melhorando assim os efeitos ultrassónicos.

Vantagens da combinação e emulsificação ultrassónicas

A produção de misturas homogéneas, dispersões, emulsões e nanoemulsões por sonicação tem despertado o interesse dos formuladores de cosméticos devido à sua eficiência energética excecional, à necessidade de instrumentos de mistura básicos, à facilidade de operação do sistema e, sobretudo, ao seu baixo custo de produção. A mistura, a combinação e a emulsificação ultrassónicas aumentam a flexibilidade na seleção do tensioativo e das estruturas internas das emulsões. (cf. Marzuki et al. 2019)

O tamanho das moléculas é importante

As moléculas de dimensão submicrométrica e nanométrica apresentam uma taxa de permeação transdérmica significativamente superior. Enquanto as moléculas grandes permanecem à superfície da pele e não conseguem penetrá-la devido ao seu tamanho, as moléculas mais pequenas conseguem atravessar a epiderme.
Isto significa que os compostos bioativos são transportados para camadas dérmicas mais profundas, onde podem realizar o seu «trabalho», nutrindo ou reparando a pele.
Um exemplo importante da relevância do tamanho molecular é o ácido hialurónico, uma molécula de cadeia longa. Se o ácido hialurónico tiver um peso molecular elevado, não consegue atravessar a barreira cutânea e permanece como uma película na sua camada exterior. Por outro lado, o ácido hialurónico de baixo peso molecular é transportado para camadas mais profundas da pele, onde exerce os seus efeitos hidratantes.
Outro exemplo da relevância do tamanho das partículas é o dióxido de titânio e o óxido de zinco. Ambos são utilizados como ingredientes ativos em produtos naturais de proteção solar (por exemplo, loções, hidratantes, produtos em spray). Um tamanho de partícula uniformemente pequeno é importante para evitar a obstrução dos poros da pele e, assim, prevenir o aparecimento de borbulhas. Além disso, com partículas mais pequenas, o efeito de branqueamento e brilho dos protetores solares é reduzido ou evitado.

A nanoemulsificação ultrassónica é utilizada para produzir nanoemulsões, lipossomas e nanopartículas lipídicas sólidas carregados. A sonicação produz uma distribuição estreita do tamanho das gotículas e partículas nanoestruturadas.

Melhoria da penetração cutânea

Os promotores químicos da penetração cutânea incluem materiais como l-α-lecitina, ureia, ácidos gordos, etanol e glicóis.

• Os promotores vesiculares da penetração cutânea incluem transportadores vesiculares, como lipossomas e niossomas. Os transportadores vesiculares são sistemas potentes de veiculação de moléculas ativas. Devido à sua composição, oferecem a vantagem de transportar tanto moléculas hidrofílicas como lipofílicas. As moléculas hidrofílicas são encapsuladas no núcleo aquoso e as moléculas lipofílicas são incorporadas na membrana lipídica que envolve o núcleo aquoso. Uma vez que as paredes das vesículas são constituídas por bicamadas fosfolipídicas nos lipossomas e por tensioativos sintéticos nos niossomas, respetivamente, as vesículas são hidrossolúveis e, por isso, altamente biocompatíveis.
  Saiba mais sobre os lipossomas produzidos por ultrassons!
• Os promotores enzimáticos da penetração cutânea incluem enzimas como a redutase HMGCoA e a carboxilase de acetil CoA, que inibem enzimas fundamentais da síntese de lípidos epidérmicos e alteram a proporção molar crítica dos principais lípidos do estrato córneo.
• A ureia, também conhecida como carbamida, é utilizada para melhorar a absorção de outros ingredientes cosméticos ativos, uma vez que aumenta a permeabilidade cutânea.

Biodisponibilidade dos ativos nos cuidados da pele melhorada por ultrassons

A biodisponibilidade é definida como a taxa de penetração de um composto ativo até atingir o seu local de ação. A chamada taxa de fluxo, ou a quantidade de ativo que penetra ao longo do tempo, é determinada em microgramas/cm²/hora. Para os ingredientes ativos dos produtos cosméticos, o local de ação pretendido para um ingrediente é geralmente a epiderme inferior. As exceções são ativos como o óxido de zinco ou o dióxido de titânio, ingredientes comuns em loções e produtos de proteção solar em spray, uma vez que estas substâncias têm o seu local de ação na superfície da pele, onde as partículas podem exercer a sua capacidade máxima de absorção de UV.
A biodisponibilidade dos ingredientes ativos é fortemente influenciada pelos tipos de formulações cosméticas utilizados. As formulações comuns em produtos de beleza e de cuidados pessoais são emulsões de óleo em água (O/W), emulsões de água em óleo (W/O), emulsões de água em óleo em água (W/O/W), emulsões de poliol em óleo, bem como hidrogéis. (Os polióis utilizados em formulações cosméticas naturais são o sorbitol, o manitol, etc.).

Preparação ultrassónica de uma emulsão (água vermelha / óleo amarelo). Alguns segundos de sonicação transformam as fases separadas de água/óleo numa emulsão fina.

Sonicação para aumentar a permeabilidade cutânea

A permeabilidade cutânea e, consequentemente, a biodisponibilidade dos ativos cosméticos e dos cosmecêuticos podem ser aumentadas por influência sobre a barreira cutânea ou pelo aumento da solubilidade das moléculas ativas.
Para reduzir a barreira cutânea e facilitar o transporte das moléculas ativas para a epiderme inferior, diversas substâncias, como solventes, fosfolípidos e vesículas de tensioativos feitas de fosfolípidos, bem como esfoliantes, podem melhorar a penetração dos ativos em camadas mais profundas da pele.

• Os solventes utilizados incluem dimetil isossorbida, etoxidiglicol, etanol e ácido oleico. Estes solventes são altamente compatíveis com os processos ultrassónicos de mistura, combinação e emulsificação.
• Os fosfolípidos são bem conhecidos por melhorarem a penetração cutânea tanto de moléculas solúveis em óleo como de moléculas solúveis em água. Os fosfolípidos habitualmente utilizados são a lecitina, a lecitina hidrogenada, a lisolecitina e o fosfato de tocoferilo. Beneficiam do processamento ultrassónico, uma vez que a sonicação distribui os fosfolípidos uniformemente na suspensão.
• Vesículas de tensioativos: os tensioativos podem formar vesículas multilamelares e unilamelares com ativos. Os lipossomas e as nanopartículas lipídicas sólidas são exemplos importantes de vesículas que penetram na pele, transportando compostos bioativos para os locais-alvo. A ultrassonicação é o método mais eficiente e eficaz para produzir lipossomas, nanolipossomas e nanopartículas lipídicas sólidas (SLNs) com elevada carga de ativos, eficiência de encapsulação (%EE), estabilidade e biodisponibilidade.
• Os esfoliantes químicos incluem os ácidos láctico, glicólico e salicílico, bem como a N-acetil-glucosamina. Os esfoliantes mecânicos incluem partículas abrasivas minúsculas de carvão, flocos de coco ou esfoliante de café. Todas estas substâncias podem ser eficientemente dispersas por ultrassonicação.

A solubilidade dos ingredientes ativos nos cosméticos pode ser aumentada através de complexos de inclusão, encapsulação, emulsões submicrométricas/nanoemulsões, bem como de uma solubilização eficiente na formulação.

• A complexação por inclusão utilizando ciclodextrinas (como alfa-, gama- e hidroxipropil-beta-ciclodextrina) é obtida por ultrassonicação. Os complexos de ciclodextrina apresentam uma cavidade na qual os ingredientes bioativos são encapsulados. A encapsulação / complexação torna os compostos ativos hidrossolúveis e, consequentemente, biodisponíveis. Saiba mais sobre a complexação por infusão ultrassónica!
• O fitoglicogénio é uma nanopartícula de hidratos de carbono (polissacárido) de origem vegetal e elevada densidade, com uma cavidade que pode encapsular muitos tipos diferentes de ativos. O octenilsuccinato de fitoglicogénio (PG-OS) é uma nanopartícula anfifílica de hidratos de carbono, cuja adição confere às emulsões uma elevada estabilidade oxidativa dos lípidos. A emulsificação ultrassónica melhora a formação de emulsões de fitoglicogénio homogéneas e estáveis.
• As emulsões submicrométricas e as nanoemulsões são utilizadas como sistemas de veiculação diminutos, que tornam os compostos hidrossolúveis e permitem transportar os ingredientes ativos até ao local-alvo. O pequeno tamanho nanométrico das gotículas aumenta a permeabilidade através da barreira cutânea até às camadas mais profundas da pele.
• Os emolientes altamente polares são habitualmente utilizados em formulações para solubilizar ingredientes hidrofóbicos / insolúveis em água, uma vez que apenas poucas substâncias ativas são apolares. São frequentemente utilizados os seguintes emolientes altamente polares: lauroil sarcosinato de isopropilo, lactato de laurilo, benzoato de feniletilo, maleato de dioctilo e isossorbida de dioctilo. Sabe-se que vários tipos de protetores solares também promovem a penetração. A mistura e a dispersão ultrassónicas asseguram uma mistura homogénea de emolientes polares e ingredientes ativos.

Misturadores ultrassónicos de elevado desempenho para produtos de beleza limpa

Como tratamento de mistura puramente mecânico, a sonicação pode ser utilizada na produção de todos os tipos de produtos cosméticos naturais certificados. Os sistemas da Hielscher Ultrasonics são máquinas fiáveis utilizadas na produção de cosméticos e produtos terapêuticos de elevada qualidade para formular compostos bioativos nanoemulsionados e encapsulados em lipossomas, com taxa de absorção e biocompatibilidade superiores. Para responder às exigências dos seus clientes, a Hielscher fornece sonicadores que vão desde o homogeneizador de laboratório compacto e de mão e os sonicadores de bancada até aos sistemas ultrassónicos totalmente industriais para a produção de grandes volumes de formulações cosméticas. Os processos ultrassónicos de formulação de cosméticos e cosmecêuticos podem ser realizados por lotes ou como processo contínuo em linha, utilizando um reator ultrassónico de fluxo contínuo. Está disponível uma ampla gama de sonotrodos ultrassónicos (sondas) e recipientes de reação para assegurar uma configuração ideal para a sua produção de lipossomas. A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo em ambientes exigentes e assegura uma longa vida útil das máquinas.
O controlo preciso de todos os parâmetros importantes do processo, como a amplitude, a pressão, a temperatura e o tempo de sonicação, torna o processo ultrassónico fiável e reprodutível. A Hielscher Ultrasonics conhece a importância de uma qualidade do produto continuamente elevada e apoia os fabricantes de cosméticos na implementação da normalização dos processos e das GMP (Boas Práticas de Fabrico), através de software inteligente e do registo automático de dados. Os nossos homogeneizadores ultrassónicos digitais registam automaticamente todos os parâmetros do processo ultrassónico num cartão SD integrado. Os ecrãs táteis digitais e o controlo remoto por navegador permitem a monitorização contínua do processo e o ajuste preciso dos parâmetros do processo sempre que necessário. Isto facilita significativamente a monitorização do processo e o controlo da qualidade.
A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: