Разработка рецептур чистой косметики с помощью ультразвука

Натуральные органические ингредиенты (INCIs) в сочетании с высокой эффективностью и биодоступностью – отличительные особенности инновационной чистой косметики. Обработка ультразвуком используется как высокоэффективный и надёжный метод смешивания, перемешивания, диспергирования, наноэмульгирования и наноинкапсулирования косметических ингредиентов.

Почему стоит использовать обработку ультразвуком для вашей чистой косметики?

Смешивание, перемешивание, диспергирование, эмульгирование ингредиентов и инкапсулирование биоактивных молекул – основные процессы при производстве косметики, средств ухода за кожей, средств для красоты и космецевтических продуктов. Надёжное, эффективное и однородное выполнение этих основных процессов необходимо для получения высококачественных косметических продуктов с усиленным действием, активностью и эффективностью конечного продукта. Современные высокотехнологичные ингредиенты представляют собой тщательно разработанные вещества, которые требуют продуманных методов введения в конечный продукт для получения желаемых эффектов.

Обработка ультразвуком – широкий спектр применений

Обработка ультразвуком – высокоэффективный и надёжный метод гомогенизации суспензий типа «жидкость–жидкость» и «твёрдое вещество–жидкость». Инкапсулирование молекул в наноразмерные липидные носители (например, липосомы, ниосомы, твёрдые липидные наночастицы, наноструктурированные липидные носители, мицеллы и т. д.) – ещё одно важное применение высокопроизводительного ультразвукового оборудования.
Обработку ультразвуком можно применять на многих этапах производства чистой, полностью натуральной, органической косметики, средств для красоты и ухода за кожей, повышая эффективность смешивания и инкапсулирования. Поскольку ультразвуковые смесители обеспечивают интенсивное перемешивание и гомогенизацию, использование химических добавок, которые обычно вводят для повышения длительной стабильности и увеличения срока хранения, можно свести к минимуму или полностью исключить.
Обработка ультразвуком даёт вам конкурентное преимущество, обеспечивая превосходные результаты в ходе быстрого и эффективного процесса, позволяющего получать равномерные, однородные суспензии. Это положительно влияет на стабильность продукта, срок хранения и биосовместимость.

Обработка ультразвуком – исключительно механическое воздействие

Обработка ультразвуком – мягкий, нетермический процесс, который не вызывает разрушения сырья под действием тепла. Многие ингредиенты, такие как липиды, биоактивные молекулы или эфирные масла, чувствительны к нагреву и поэтому значительно выигрывают от контролируемой низкотемпературной обработки. Устройства Hielscher Ultrasonics обеспечивают точное управление, легко настраиваются и позволяют контролировать их работу и управлять ими дистанционно через браузер. Интеллектуальное программное обеспечение автоматически записывает параметры обработки на встроенную SD-карту. Эти функции упрощают стандартизацию процессов и качества, а также внедрение надлежащей производственной практики (GMP).

Принцип действия обработки ультразвуком

Поскольку обработка ультразвуком представляет собой исключительно механическое воздействие, химические добавки, которые противоречили бы философии чистой косметики, не вводятся. Такие применения ультразвука, как смешивание, перемешивание, эмульгирование, инкапсулирование и экстракция, основаны на принципе акустической кавитации.
Мощные ультразвуковые волны передаются в суспензию с помощью ультразвукового процессора зондового типа. Ультразвуковые волны высокой энергии распространяются через жидкость, создавая чередующиеся циклы высокого / низкого давления, что приводит к возникновению акустической кавитации. Акустическая, или ультразвуковая, кавитация локально создаёт экстремальные температуры, давления, скорости нагрева/охлаждения, перепады давления и высокие силы сдвига в среде. Когда кавитационные пузырьки схлопываются на поверхности частиц или капель, микроструи и столкновения между частицами вызывают такие эффекты, как отслаивание поверхности, эрозия, разрушение частиц, сонопорация, а также разрушение капель и разрушение клеток. Кроме того, схлопывание кавитационных пузырьков в жидких средах создаёт макротурбулентность и микроперемешивание. Ультразвуковое воздействие представляет собой эффективный способ интенсификации процессов массопереноса, поскольку обработка ультразвуком вызывает кавитацию и связанные с ней механизмы, такие как микроперемещения под действием струй жидкости, сжатие и декомпрессия в материале с последующим разрушением капель, а также высокие скорости нагрева и охлаждения.
Ультразвуковые устройства зондового типа могут создавать очень высокие амплитуды, необходимые для возникновения интенсивной кавитации. Hielscher Ultrasonic производит высокопроизводительные ультразвуковые процессоры, которые легко обеспечивают амплитуды 200µm при непрерывной работе 24/7. Для ещё более высоких амплитуд Hielscher предлагает специальные высокоамплитудные сонотроды (зонды).
Для усиления кавитации используются ультразвуковые реакторы и проточные ячейки, допускающие работу под давлением. При повышении давления кавитация и кавитационные силы сдвига становятся более разрушительными, тем самым усиливая ультразвуковые эффекты.

Преимущества ультразвукового перемешивания и эмульгирования

Получение однородных смесей, дисперсий, эмульсий и наноэмульсий с помощью обработки ультразвуком привлекло интерес разработчиков косметических рецептур благодаря исключительной энергоэффективности, возможности использования простого смесительного оборудования, лёгкости управления системой и, самое главное, низким производственным затратам. Ультразвуковое смешивание, перемешивание и эмульгирование расширяют возможности выбора поверхностно-активных веществ и внутренних структур эмульсий. (см. Marzuki et al. 2019)

Размер молекул имеет значение

Молекулы субмикронного и наноразмера демонстрируют значительно повышенную скорость трансдермального проникновения. В то время как крупные молекулы остаются на поверхности кожи и не могут проникать в неё из-за своего размера, более мелкие молекулы способны проходить через эпидермис.
Это означает, что биоактивные соединения доставляются в более глубокие слои дермы, где они могут выполнять свою «работу», питая или восстанавливая кожу.
Наглядный пример значимости размера молекул – гиалуроновая кислота, длинноцепочечная молекула. Если гиалуроновая кислота имеет высокую молекулярную массу, она не может проходить через кожный барьер и остаётся в виде плёнки на наружном слое кожи. Низкомолекулярная гиалуроновая кислота, напротив, доставляется в более глубокие слои кожи, где проявляет своё увлажняющее действие.
Ещё один пример значимости размера частиц – диоксид титана и оксид цинка. Оба вещества используются в качестве активных ингредиентов в натуральных солнцезащитных средствах (например, лосьонах, увлажняющих средствах, спреях). Равномерно малый размер частиц важен для предотвращения закупоривания кожных пор и, таким образом, появления высыпаний. Кроме того, при меньшем размере частиц отбеливающий эффект и блеск от солнцезащитных средств уменьшаются или устраняются.

Ультразвуковое наноэмульгирование используется для получения наноэмульсий, липосом и твёрдых липидных наночастиц с инкапсулированными веществами. Обработка ультразвуком обеспечивает узкое распределение капель по размерам и получение наноструктурированных частиц.

Улучшенное проникновение в кожу

К химическим усилителям проникновения в кожу относятся такие вещества, как l-α-лецитин, мочевина, жирные кислоты, этанол и гликоли.

• К везикулярным усилителям проникновения в кожу относятся везикулярные носители, такие как липосомы и ниосомы. Везикулярные носители представляют собой эффективные системы доставки активных молекул. Благодаря своему составу они обладают преимуществом переноса как гидрофильных, так и липофильных молекул. Гидрофильные молекулы инкапсулируются в водное ядро, а липофильные молекулы встраиваются в липидную мембрану, окружающую водное ядро. Поскольку стенки везикул состоят из фосфолипидных бислоёв в случае липосом и синтетических поверхностно-активных веществ в случае ниосом, везикулы водорастворимы и поэтому обладают высокой биосовместимостью.
  Узнайте больше о липосомах, получаемых с помощью ультразвука!
• К ферментативным усилителям проникновения в кожу относятся такие ферменты, как HMGCoA-редуктаза и ацетил-CoA-карбоксилаза, которые ингибируют ключевые ферменты синтеза липидов эпидермиса и изменяют критически важное молярное соотношение основных липидов рогового слоя.
• Мочевина, также известная как карбамид, используется для усиления всасывания других активных косметических ингредиентов, поскольку повышает проницаемость кожи.

Повышение биодоступности активных веществ в средствах ухода за кожей с помощью ультразвука

Биодоступность определяется как скорость проникновения активного соединения к месту его действия. Так называемая плотность потока, или количество активного вещества, проникающего за определённое время, измеряется в микрограммах/cm²/час. Для активных ингредиентов косметических продуктов целевым местом действия обычно являются нижние слои эпидермиса. Исключения составляют такие активные вещества, как оксид цинка или диоксид титана, распространённые ингредиенты солнцезащитных лосьонов и спреев, поскольку эти вещества действуют на поверхности кожи, где частицы могут проявлять максимальную способность поглощать УФ-излучение.
Биодоступность активных ингредиентов в значительной степени зависит от типов используемых косметических рецептур. Распространённые рецептуры средств для красоты и личного ухода включают эмульсии «масло в воде» (O/W), эмульсии «вода в масле» (W/O), эмульсии «вода в масле в воде» (W/O/W), эмульсии «полиол в масле», а также гидрогели. (В натуральных косметических рецептурах используются такие полиолы, как сорбитол, маннитол и т. д.).

Получение эмульсии с помощью ультразвука (красная вода / жёлтое масло). Несколько секунд обработки ультразвуком превращают отдельные водную и масляную фазы в мелкодисперсную эмульсию.

Обработка ультразвуком для повышения проницаемости кожи

Проницаемость кожи и, следовательно, биодоступность косметических активных веществ и космецевтических средств можно повысить путём воздействия на кожный барьер или увеличения растворимости активных молекул.
Для уменьшения барьерной функции кожи и облегчения переноса активных молекул в нижние слои эпидермиса различные вещества, такие как растворители, фосфолипиды и везикулы поверхностно-активных веществ на основе фосфолипидов, а также эксфолианты могут улучшать проникновение активных веществ в более глубокие слои кожи.

• Используемые растворители включают диметилизосорбид, этоксидигликоль, этанол и олеиновую кислоту. Эти растворители хорошо совместимы с процессами ультразвукового смешивания, перемешивания и эмульгирования.
• Хорошо известно, что фосфолипиды усиливают проникновение в кожу как жирорастворимых, так и водорастворимых молекул. Часто используемые фосфолипиды – лецитин, гидрогенизированный лецитин, лизолецитин и токоферилфосфат. Обработка ультразвуком полезна для них, поскольку равномерно распределяет фосфолипиды в суспензии.
• Везикулы поверхностно-активных веществ: поверхностно-активные вещества могут образовывать многослойные и однослойные везикулы с активными веществами. Липосомы и твёрдые липидные наночастицы – наглядные примеры проникающих в кожу везикул, доставляющих биоактивные соединения к целевым участкам. Обработка ультразвуком – наиболее эффективный и результативный метод получения липосом, нанолипосом и твёрдых липидных наночастиц (SLNs) с высоким содержанием активных веществ, высокой эффективностью инкапсулирования (%EE), стабильностью и биодоступностью.
• К химическим эксфолиантам относятся молочная, гликолевая, салициловая кислоты и N-ацетилглюкозамин. Средства для механического пилинга включают мельчайшие абразивные частицы древесного угля, кокосовой стружки или кофейного скраба. Все эти вещества можно эффективно диспергировать с помощью обработки ультразвуком.

Растворимость активных ингредиентов в косметике можно повысить с помощью комплексов включения, инкапсулирования, субмикронных эмульсий / наноэмульсий, а также эффективной солюбилизации в рецептуре.

• Образование комплексов включения с использованием циклодекстринов (таких как альфа-, гамма-, гидроксипропил-бета-циклодекстрин) достигается с помощью обработки ультразвуком. Комплексы циклодекстринов имеют полость, в которой инкапсулируются биоактивные ингредиенты. Инкапсулирование / комплексообразование делает активные соединения водорастворимыми и, следовательно, биодоступными. Узнайте больше об ультразвуковом комплексообразовании посредством инфузии!
• Фитогликоген представляет собой углеводную (полисахаридную) наночастицу растительного происхождения с высокой плотностью и полостью, способной инкапсулировать множество различных типов активных веществ. Октенилсукцинат фитогликогена (PG-OS) – амфифильная углеводная наночастица, добавление которой придаёт эмульсиям высокую устойчивость липидов к окислению. Ультразвуковое эмульгирование улучшает получение однородных, стабильных эмульсий фитогликогена.
• Субмикронные эмульсии и наноэмульсии используются как миниатюрные системы доставки, которые делают соединения водорастворимыми и позволяют переносить активные ингредиенты к целевому месту действия. Малый наноразмер капель повышает проницаемость через кожный барьер в более глубокие слои кожи.
• Высокополярные эмоленты обычно используются в рецептурах для солюбилизации гидрофобных / нерастворимых в воде ингредиентов, поскольку лишь немногие активные вещества неполярны. Часто используются следующие высокополярные эмоленты: изопропиллауроилсаркозинат, лауриллактат, фенилэтилбензоат, диоктилмалеат и диоктилизосорбид. Известно, что различные типы солнцезащитных средств также усиливают проникновение. Ультразвуковое смешивание и диспергирование обеспечивают однородную смесь полярных эмолентов и активных ингредиентов.

Высокопроизводительные ультразвуковые смесители для чистой косметики

Как исключительно механический способ смешивания, обработка ультразвуком может использоваться для производства всех видов сертифицированной натуральной косметики. Системы Hielscher Ultrasonics – надёжное оборудование, используемое при производстве высококачественной косметики и терапевтических средств для получения наноэмульгированных и инкапсулированных в липосомы биоактивных соединений с превосходной скоростью всасывания и биосовместимостью. Для удовлетворения потребностей клиентов Hielscher поставляет ультразвуковое оборудование от компактных ручных лабораторных гомогенизаторов и настольных ультразвуковых устройств до полностью промышленных ультразвуковых систем для производства больших объёмов косметических составов. Ультразвуковые процессы приготовления косметических и космецевтических составов могут выполняться в периодическом режиме или как непрерывный процесс в потоке с использованием ультразвукового проточного реактора. Широкий ассортимент ультразвуковых сонотродов (зондов) и реакторных ёмкостей позволяет обеспечить оптимальную конфигурацию для вашего производства липосом. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках в сложных условиях и обеспечивает длительный срок службы оборудования.
Точный контроль всех важных параметров процесса, таких как амплитуда, давление, температура и время обработки ультразвуком, делает ультразвуковой процесс надёжным и воспроизводимым. Hielscher Ultrasonics понимает важность постоянно высокого качества продукции и помогает производителям косметики внедрять стандартизацию процессов и надлежащую производственную практику (GMP) с помощью интеллектуального программного обеспечения и автоматической регистрации данных. Наши цифровые ультразвуковые гомогенизаторы автоматически записывают все параметры ультразвукового процесса на встроенную SD-карту. Цифровые сенсорные дисплеи и дистанционное управление через браузер позволяют непрерывно контролировать процесс и точно настраивать его параметры при необходимости. Это значительно упрощает мониторинг процесса и контроль качества.
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность обработки наших ультразвуковых устройств: