Formulering av clean beauty-produkter med ultraljud

Naturliga, ekologiska ingredienser (INCI) i kombination med hög effektivitet och biotillgänglighet kännetecknar innovativa clean beauty-produkter. Ultraljudsbehandling används som en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för att mixa, blanda, dispergera, nanoemulgera och nanoinkapsla kosmetiska ingredienser.

Varför bör du använda ultraljudsbehandling för dina clean beauty-produkter?

Mixning, blandning, dispergering och emulgering av ingredienser samt inkapsling av bioaktiva molekyler är centrala processer vid tillverkning av kosmetika, hudvårdsprodukter, skönhetsprodukter och kosmeceutiska produkter. Ett tillförlitligt, effektivt och homogent genomförande av dessa centrala processer är avgörande för att erhålla kosmetiska produkter av hög kvalitet med förbättrade effekter, högre verkningsgrad och större effektivitet hos slutprodukten. Moderna högteknologiska ingredienser är högt utvecklade ämnen som kräver sofistikerade metoder för införlivning i slutprodukten för att ge önskade effekter.

Ultraljudsbehandling – ett brett spektrum av tillämpningar

Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv och tillförlitlig teknik för homogenisering av vätska–vätska- och fast ämne–vätska-suspensioner. Inkapsling av molekyler i lipidbaserade bärare i nanostorlek (t.ex. liposomer, niosomer, fasta lipidnanopartiklar, nanostrukturerade lipidbärare, miceller osv.) är en annan viktig tillämpning av högeffektivt ultraljud.
Ultraljudsbehandling kan användas i många steg vid tillverkning av rena, helt naturliga och ekologiska kosmetika-, skönhets- och hudvårdsprodukter och förbättra effektiviteten vid blandning och inkapsling. Eftersom ultraljudsblandare ger intensiv blandning och homogenisering kan användningen av kemiska tillsatser som vanligtvis tillsätts för att uppnå förlängd stabilitet och hållbarhet minimeras eller helt undvikas.
Ultraljudsbehandling ger dig en konkurrensfördel genom att ge överlägsna resultat i en snabb och effektiv process som resulterar i enhetliga, homogena suspensioner. Detta påverkar produktens stabilitet, hållbarhet och biokompatibilitet positivt.

Ultraljudsbehandling – en rent mekanisk behandling

Ultraljudsbehandling är en skonsam, icke-termisk behandling som inte bryter ned råvarorna genom värme. Många ingredienser, såsom lipider, bioaktiva molekyler eller eteriska oljor, är värmekänsliga och gynnas därför i hög grad av kontrollerad bearbetning vid låg temperatur. Apparater från Hielscher Ultrasonics kan styras exakt, är enkla att justera och kan övervakas och manövreras via fjärrstyrning i en webbläsare. Den intelligenta programvaran loggar automatiskt processparametrarna på ett inbyggt SD-kort. Dessa funktioner underlättar standardisering av processer och kvalitet samt införandet av god tillverkningssed (GMP).

Funktionsprincipen för ultraljudsbehandling

Eftersom ultraljudsbehandling är en rent mekanisk behandling tillsätts inga kemiska tillsatser som skulle strida mot filosofin bakom ren kosmetik. Ultraljudstillämpningar som blandning, sammanblandning, emulgering, inkapsling och extraktion bygger på verkningsprincipen för akustisk kavitation.
Ultraljudsvågor med hög effekt kopplas in i suspensionen via en ultraljudsprocessor av sondtyp. Ultraljudsvågor med hög energi fortplantar sig genom vätskan och skapar omväxlande högtrycks- och lågtryckscykler, vilket ger upphov till fenomenet akustisk kavitation. Akustisk kavitation eller ultraljudskavitation leder lokalt till extrema temperaturer, tryck, uppvärmnings-/kylningshastigheter, tryckskillnader och höga skjuvkrafter i mediet. När kavitationsbubblor imploderar på ytan av partiklar eller droppar genererar mikrostrålar och kollisioner mellan partiklar effekter som ytavskalning, erosion, partikelnedbrytning, sonoporation samt sönderdelning av droppar och celler. Dessutom skapar implosionen av kavitationsbubblor i flytande medier makroturbulens och mikroblandning. Ultraljudsbestrålning är ett effektivt sätt att förbättra massöverföringsprocesser, eftersom ultraljudsbehandling ger upphov till kavitation och tillhörande mekanismer som mikrorörelser orsakade av vätskestrålar, kompression och dekompression i materialet med efterföljande sönderdelning av droppar samt höga uppvärmnings- och kylningshastigheter.
Ultraljudsapparater av sondtyp kan generera mycket höga amplituder, vilket krävs för att skapa kraftfull kavitation. Hielscher Ultrasonic tillverkar högpresterande ultraljudsprocessorer som enkelt kan skapa amplituder på 200µm vid kontinuerlig drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder erbjuder Hielscher särskilda sonotroder (sonder) för höga amplituder.
Trycksättningsbara ultraljudsreaktorer och flödesceller används för att intensifiera kavitationen. Med ökande tryck blir kavitationen och de kavitationsrelaterade skjuvkrafterna mer destruktiva och förbättrar därmed ultraljudseffekterna.

Fördelar med blandning och emulgering med ultraljud

Framställning av homogena blandningar, dispersioner, emulsioner och nanoemulsioner med ultraljudsbehandling har väckt intresse hos utvecklare av kosmetiska formuleringar tack vare metodens exceptionella energieffektivitet, behov av enklare blandningsutrustning, enkla systemhantering och framför allt låga produktionskostnad. Blandning, sammanblandning och emulgering med ultraljud ökar flexibiliteten vid val av tensid och emulsionernas inre strukturer. (jfr Marzuki et al. 2019)

Molekylstorleken spelar roll

Molekyler i submikron- och nanostorlek uppvisar en betydligt högre transdermal permeationshastighet. Medan stora molekyler ligger kvar på hudytan och inte kan tränga igenom huden på grund av sin storlek kan mindre molekyler passera genom överhuden.
Detta innebär att de bioaktiva föreningarna transporteras till djupare hudlager, där de kan utföra sitt ”arbete” genom att ge huden näring eller reparera den.
Ett framträdande exempel på molekylstorlekens betydelse är hyaluronsyra, en långkedjig molekyl. Om hyaluronsyran har hög molekylvikt kan den inte passera genom hudbarriären utan stannar som en film på dess yttersta lager. Lågmolekylär hyaluronsyra transporteras däremot till djupare hudlager, där den utövar sin fuktgivande effekt.
Ett annat exempel på partikelstorlekens betydelse är titandioxid och zinkoxid. Båda används som aktiva ingredienser i naturliga solskyddsprodukter (t.ex. lotioner, fuktkrämer och sprejer). En jämnt fördelad, liten partikelstorlek är viktig för att undvika att hudens porer täpps till och därmed förebygga finnutbrott. Dessutom minskar eller försvinner solskyddsprodukternas vitgörande och glansgivande effekt med mindre partiklar.

Nanoemulgering med ultraljud används för att framställa laddade nanoemulsioner, liposomer och nanopartiklar av fasta lipider. Ultraljudsbehandling ger en snäv droppstorleksfördelning och nanostrukturerade partiklar.

Förbättrad hudpenetration

Kemiska hudpenetrationsförstärkare omfattar ämnen som l-α-lecitin, urea, fettsyror, etanol och glykoler.

• Vesikulära hudpenetrationsförstärkare omfattar vesikulära bärare som liposomer och niosomer. Vesikulära bärare är effektiva tillförselsystem för aktiva molekyler. Tack vare sin sammansättning har de fördelen att kunna transportera såväl hydrofila som lipofila molekyler. Hydrofila molekyler inkapslas i den vattenhaltiga kärnan, och lipofila molekyler införlivas i lipidmembranet som omger den vattenhaltiga kärnan. Eftersom vesikelväggarna består av fosfolipiddubbelskikt i liposomer respektive syntetiska tensider i niosomer är vesiklarna vattenlösliga och därmed mycket biokompatibla.
  Läs mer om liposomer framställda med ultraljud!
• Enzymatiska hudpenetrationsförstärkare omfattar enzymer som HMGCoA-reduktas och acetyl-CoA-karboxylas, vilka hämmar nyckelenzymer i den epidermala lipidsyntesen och förändrar det kritiska molförhållandet mellan de viktigaste lipiderna i hornlagret.
• Urea, även känt som karbamid, används för att förbättra absorptionen av andra aktiva kosmetiska ingredienser eftersom det ökar hudens permeabilitet.

Förbättrad biotillgänglighet för aktiva ämnen i hudvård med hjälp av ultraljud

Biotillgänglighet definieras som den penetrationshastighet med vilken en aktiv förening når sitt verkningsställe. Den så kallade flödestätheten, eller mängden aktivt ämne som tränger in över tid, anges i mikrogram/cm²/timme. För aktiva ingredienser i kosmetiska produkter är en ingrediens avsedda verkningsställe vanligtvis den nedre delen av epidermis. Undantag är aktiva ämnen som zinkoxid eller titandioxid, vanliga ingredienser i solskyddslotioner och solskyddssprayer, eftersom dessa ämnen verkar på hudytan, där partiklarna kan utveckla sin maximala UV-absorptionsförmåga.
Biotillgängligheten för aktiva ingredienser påverkas i hög grad av vilka typer av kosmetiska formuleringar som används. Vanliga formuleringar i skönhetsprodukter och produkter för personlig vård är olja-i-vatten-emulsioner (O/W), vatten-i-olja-emulsioner (W/O), vatten-i-olja-i-vatten-emulsioner (W/O/W), polyol-i-olja-emulsioner samt hydrogeler. (Polyoler som används i naturkosmetiska formuleringar är sorbitol, mannitol etc.).

Framställning av en emulsion med ultraljud (rött vatten / gul olja). Några sekunders ultraljudsbehandling omvandlar de separata vatten-/oljefaserna till en fin emulsion.

Ultraljudsbehandling för ökad hudpermeabilitet

Hudens permeabilitet och därmed biotillgängligheten för kosmetiska aktiva ämnen och kosmeceutika kan ökas antingen genom att påverka hudbarriären eller genom att öka de aktiva molekylernas löslighet.
För att minska hudbarriärens motstånd och underlätta transporten av de aktiva molekylerna till den nedre delen av epidermis kan en mängd olika ämnen, såsom lösningsmedel, fosfolipider och tensidvesiklar framställda av fosfolipider samt exfolierande ämnen, förbättra de aktiva ämnenas penetration till djupare hudlager.

• Lösningsmedel som används omfattar dimetylisosorbid, etoxidiglykol, etanol och oljesyra. Dessa lösningsmedel är mycket kompatibla med blandnings- och emulgeringsprocesser med ultraljud.
• Fosfolipider är välkända för att förbättra hudpenetrationen av både olje- och vattenlösliga molekyler. Vanligt förekommande fosfolipider är lecitin, hydrerat lecitin, lysolecitin och tokoferylfosfat. De gynnas av ultraljudsbehandling eftersom behandlingen fördelar fosfolipiderna jämnt i suspensionen.
• Tensidvesiklar: Tensider kan bilda multilamellära och unilamellära vesiklar med aktiva ämnen. Liposomer och fasta lipidnanopartiklar är framträdande exempel på hudpenetrerande vesiklar som transporterar bioaktiva föreningar till målområden. Ultraljudsbehandling är den mest effektiva och verkningsfulla metoden för att framställa liposomer, nanoliposomer och fasta lipidnanopartiklar (SLNs) med hög halt av aktiva ämnen, hög inkapslingseffektivitet (%EE), hög stabilitet och hög biotillgänglighet.
• Kemiska exfolieringsmedel omfattar mjölksyra, glykolsyra, salicylsyra och N-acetylglukosamin. Mekaniska peelingprodukter innehåller mycket små slipande partiklar från träkol, kokosflingor eller kaffeskrubb. Alla dessa ämnen kan dispergeras effektivt med ultraljudsbehandling.

Lösligheten hos aktiva ingredienser i kosmetika kan ökas genom inklusionskomplex, inkapsling, submikronemulsioner/nanoemulsioner samt effektiv solubilisering i formuleringen.

• Inklusionskomplexbildning med cyklodextriner (såsom alfa-, gamma- och hydroxipropyl-beta-cyklodextrin) åstadkoms genom ultraljudsbehandling. Cyklodextrinkomplex har en hålighet där bioaktiva ingredienser kapslas in. Inkapslingen / komplexbildningen gör de aktiva föreningarna vattenlösliga och därmed biotillgängliga. Läs mer om ultraljudsbaserad infusionskomplexbildning!
• Fytoglykogen är en växtbaserad kolhydratnanopartikel (polysackarid) med hög densitet och en hålighet som kan kapsla in många olika typer av aktiva ämnen. Fytoglykogenoktenylsuccinat (PG-OS) är en amfifil kolhydratnanopartikel vars tillsats ger emulsioner hög oxidativ stabilitet hos lipiderna. Ultraljudsemulgering förbättrar framställningen av homogena, stabila fytoglykogenemulsioner.
• Submikronemulsioner och nanoemulsioner används som mycket små leveranssystem som gör föreningarna vattenlösliga och möjliggör transport av de aktiva ingredienserna till målområdet. Dropparnas ringa storlek på nanoskalan ökar genomsläppligheten genom hudbarriären till djupare hudlager.
• Mycket polära mjukgörande ämnen används ofta i formuleringar för att solubilisera hydrofoba / vattenolösliga ingredienser, eftersom endast få aktiva ämnen är opolära. Följande mycket polära mjukgörande ämnen används ofta: isopropyllauroylsarkosinat, lauryllaktat, fenyletylbensoat, dioktylmaleat och dioktylisosorbid. Olika typer av solskyddsmedel är också kända för att främja penetration. Ultraljudsblandning och ultraljudsdispergering säkerställer en homogen blandning av polära mjukgörande ämnen och aktiva ingredienser.

Högpresterande ultraljudsblandare för clean beauty-produkter

Som en rent mekanisk blandningsbehandling kan ultraljudsbehandling användas för produktion av alla slags certifierade naturkosmetiska produkter. Systemen från Hielscher Ultrasonics är tillförlitliga maskiner som används vid produktion av högkvalitativ kosmetika och terapeutiska produkter för att formulera nanoemulgerade och liposomalt inkapslade bioaktiva föreningar med överlägsen absorptionshastighet och biokompatibilitet. För att möta kundernas krav levererar Hielscher ultraljudsapparater från kompakta handhållna laboratoriehomogenisatorer och bänkmodeller till helt industriella ultraljudssystem för produktion av stora volymer kosmetiska formuleringar. Ultraljudsbaserade formuleringsprocesser för kosmetika och kosmeceutiska produkter kan köras satsvis eller som en kontinuerlig inlineprocess med en ultraljudsreaktor för genomflöde. Ett brett utbud av ultraljudssonotroder (sonder) och reaktorkärl finns tillgängligt för att säkerställa en optimal konfiguration för din liposomproduktion. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, 24/7, under hög belastning i krävande miljöer och säkerställer en lång livslängd för maskinerna.
Den exakta kontrollen över alla viktiga processparametrar, såsom amplitud, tryck, temperatur och ultraljudsbehandlingstid, gör ultraljudsprocessen tillförlitlig och reproducerbar. Hielscher Ultrasonics känner till vikten av en genomgående hög produktkvalitet och hjälper kosmetikatillverkare att införa processstandardisering och GMP (god tillverkningssed) med hjälp av intelligent programvara och automatisk dataregistrering. Våra digitala ultraljudshomogenisatorer registrerar automatiskt alla ultraljudsprocessparametrar på ett inbyggt SD-kort. Digitala pekskärmar och fjärrstyrning via webbläsare möjliggör kontinuerlig processövervakning och exakt justering av processparametrarna när det behövs. Detta underlättar processövervakningen och kvalitetskontrollen avsevärt.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: