Арт. BFS
Решения от Elveflow идеально подходят для поддержки этого тренда. Например, системы могут использоваться для создания высокостабильных эмульсий для передовых исследований формул. Они также идеальны для автоматизированных микровыжимок или в моделях «кожа-на-чипе», что помогает воспроизводить динамические физиологические условия при тестировании косметики. Эти возможности открывают новые перспективы для исследователей, стремящихся повысить воспроизводимость, снизить расход реагентов и ускорить сроки разработки.
Разработка косметики претерпевает глубокие преобразования, в первую очередь вызванные этическими соображениями и строгими нормативными требованиями, которые ограничивают или запрещают проведение испытаний на животных. В 2004 году Европейский парламент запретил коммерциализацию косметических средств, тестируемых на животных. В условиях меняющейся нормативной базы технологии микрофлюидики теперь рассматриваются как революционное решение. Создавая сложные модели человеческого организма в микромасштабе, микрофлюидика представляет собой надёжную, воспроизводимую и этичную альтернативу для оценки косметической продукции. Эти системы соответствуют международным стандартам безопасности, одновременно улучшая точность тестирования и защиту потребителей.
В этом обзоре представлена информация о том, как микрофлюидика внедряется в современные косметологические исследования: от методов продвинутой формулировки до токсикологических испытаний и разработки сложных моделей «кожа-на-чипе». Получите обзор новейших инноваций в применении микрофлюидики и ее роли в создании более точной, этичной и ориентированной на потребителя индустрии.
Как микрофлюидика улучшает косметическую индустрию
- Микрофлюидика определяется как контролируемое манипулирование малыми объёмами жидкости в микроканалах. Уменьшение объёмов приводит к снижению затрат, а также обеспечивает воспроизводимость и масштабируемость тестирования. Эти преимущества особенно важны для косметологических применений, как в вопросах формулировки, так и в биологических испытаниях.
- Микрофлюидные системы работают в условиях ламинарного потока, что обеспечивает предсказуемое смешивание и эффективный тепло- и массоперенос – идеальные условия для работы с чувствительными косметическими активными веществами. Типичная установка микрофлюидики включает:
- Микрофлюидные чипы: Изготовленные из биосовместимых материалов, таких как PDMS, COC или стекло, эти чипы имеют специально разработанную геометрию (например, T-образные соединения или конструкции с фокусировкой потока) для формирования монодисперсных капель или создания условий, приближенных к тканям.
- Инструменты контроля потока: Приборы, такие как , обеспечивают точное регулирование потока для повышения воспроизводимости и точности. Контроль потока также может поддерживаться с помощью простых и сложных микрофлюидических клапанов.
- Интеграция системы: Для повышения актуальности системы могут быть интегрированы датчики, приводы и системы реального времени для улучшенного сбора данных.
- Автоматизация с использованием программного обеспечения: Инструменты типа – интуитивно понятные интерфейсы для мониторинга и управления экспериментами по разработке формул косметики и токсикологических исследований.
Микрофлюидные технологии для формирования косметических формул
Одним из ключевых параметров в косметической индустрии является контроль над формулировкой, который позволяет защитить активные молекулы или достичь определённой текстуры. Это часто связано с созданием , что может быть реализовано с помощью микрофлюидикических систем с генерацией капель. Такая технология позволяет исследователям контролировать переменные формулировки, обеспечивая лучший механизм доставки активных веществ и повышенную стабильность косметических продуктов.
Стабилизация эмульсии
Микрофлюидические методы позволяют преодолеть некоторые ограничения традиционных методов эмульгирования, такие как широкий разброс размеров капель и низкий выход продукта. С помощью контролируемой можно получать монодисперсные эмульсии, что критически важно как для визуальной привлекательности косметических средств, так и для повышения их эксплуатационных характеристик [D. Park, H. Kim, and J. W. Kim, “Microfluidic production of monodisperse emulsions for cosmetics,” Biomicrofluidics].
Микроэкстракция активных компонентов
Другим применением микрофлюидикики является инкапсуляция и доставка косметических ингредиентов. Например, магнитный твердофазный экстракционный метод (MSPE) продемонстрировал высокую эффективность в выделении активных соединений, таких как парабены, из сложных образцов. Кроме того, технология микрофлюидики используется для предварительной концентрации целевых анализируемых веществ, оптимизирована для минимизации эффекта дисперсии в микроканалах. Метод, предложенный M. Farahmandi и соавторами, использует наночастицы магнетита, покрытые полианилином, что обеспечивает высокую эффективность экстракции и быстрое время обработки [M. Farahmandi, Y. Yamini, M. Baharfar, and M. Karami, “Dispersive magnetic solid phase microextraction on microfluidic systems for extraction and determination of parabens,” Analytica Chimica Acta].
Инкапсуляция в микрокапсулы и наночастицы
Во многих косметических формулах активные вещества необходимо инкапсулировать для сохранения их свойств и предотвращения токсичности. Так, например, химические УФ-фильтры могут вызывать раздражение глаз. Один из подходов заключается в создании микрокапсульных структур с разной толщиной оболочки для повышения эффективности УФ-абсорбции, одновременно снижая прямой контакт с кожей [J. Du, P. Canamas, P. Guichardon, N. Ibaseta, B. Montagnier, and J.-C. Hubaud, “Adaptability of polyurea microcapsules loaded with octyl salicylate for sunscreen application: Influence of shell thickness of microfluidic-calibrated capsules on UV absorption efficiency,” 4open]. Микрофлюидикическое производство таких капсул позволяет контролировать их размер и свойства мембраны, что дополнительно оптимизирует их применение в косметике для эффективной и безопасной защиты от УФ-излучения [W. M. Hamonangan, S. Lee, Y. H. Choi, W. Li, M. Tai, and S.-H. Kim, “Osmosis-mediated microfluidic production of submillimeter-sized capsules with an ultrathin shell for cosmetic applications”].
Кроме того, на ещё меньшем масштабе используются для улучшения физических свойств формул солнцезащитных средств. Эти носители, широко изученные в биомедицинских приложениях, демонстрируют универсальность в инкапсуляции как гидрофильных, так и гидрофобных биоактивных веществ. В одном исследовании, проведённом J. N. Schianti и соавторами, был разработан 3D микрофлюидикический чип для производства наночастиц методом нанодепонирования Benzophenone-3 – ещё одного УФ-фильтра. Скорости потока и соотношения фаз тщательно регулируются для получения частиц с равномерным распределением размеров, что является важным для стабильности и эффективности формулы [J. N. Schianti, N. P. N. Cerize, A. M. Oliveira, S. Derenzo, and M. R. Góngora-Rubio, “3-d LTCC microfluidic device as a tool for studying nanoprecipitation,” Journal of Physics: Conference Series].
Параллелизация и автоматизация косметического тестирования
Микрофлюидикика обладает огромным потенциалом для параллелизации, что позволяет проводить эксперименты с высокой пропускной способностью, особенно актуальные для косметической индустрии. Применяя управление потоком с использованием давления и интеллектуальных клапанных систем (например, ротационных клапанов для работы с жидкостями или матричных массивов клапанов для скрининга препаратов), команды R&D и исследователи могут автоматизировать и масштабировать сложные процессы для скрининга и разработки формул. Эти сложные микрофлюидикические установки также используются для воспроизведения физиологических условий для культивирования клеток в контролируемой и динамичной среде. Хотя такие системы уже широко применяются в биомедицинских исследованиях для in vitro тестирования, их внедрение в косметическую индустрию только набирает обороты.
Токсикологическое тестирование с микрофлюидикикой и технология «кожа-на-чипе»
Запрет на тестирование косметики на животных, особенно в Европе, создал необходимость в надёжных in vitro моделях. Микрофлюидикические системы, в частности микрофизиологические системы (MPS), отвечают на эту потребность, воспроизводя функции человеческих органов на чипах. Рассмотрим несколько примеров применения микрофлюидикики для in vitro тестирования:
Многоорганные системы
Сложность живых организмов невозможно воспроизвести на плоской культвальной пластине. Именно поэтому исследователи создают всё более сложные in vitro системы, объединяющие различные типы клеток, контролируемые микросреды и межклеточную коммуникацию для получения более релевантных результатов. Например, инновационные MPS платформы теперь интегрируют модели кожи, печени и кишечника в одном устройстве. Контроль потока в микрофлюидикике становится ключевым для обеспечения более реалистичной оценки системной токсичности и канцерогенности.
Взаимосвязанная природа этих моделей органов значительно повышает физиологическую релевантность и помогает изучать эндокринные нарушения и системные реакции до ввода продукта на рынок. В исследовании N. Indolfo и соавторов [N. Indolfo et al., “Combining a microphysiological system of three organ equivalents and transcriptomics to assess toxicological endpoints for cosmetics ingredients.” Lab on a Chip] была разработана 3D модель, объединяющая эквиваленты кожи, кишечного барьера и печени на одном микрофлюидикическом чипе, специально предназначенном для косметической индустрии для оценки системной токсичности и канцерогенности местного применения. Хотя применение MPS в оценке безопасности косметики ещё не стандартизировано, оно имеет светлое будущее, особенно с использованием клеток, полученных от человека, вместо менее релевантных и ныне запрещённых животных моделей.
Современные тесты на раздражение глаз
Стремление к этичным методам испытаний в косметике сыграло ключевую роль в прекращении использования животных для тестирования раздражения. Это движение действительно стимулировало инновации, и микрофлюидикика сыграла важную роль в оптимизации in vitro испытаний на раздражение глаз. В исследовании T. Tian и соавторов [T. Tian, S. Cho, and S. W. Rhee, “Microfluidic devices for eye irritation tests of cosmetics and cosmetic ingredients,” BioChip Journal] был разработан микрофлюидикический чип, имитирующий метод HET-CAM (яичный хориоаллантоичный мембранный тест) для оценки раздражения глаз. Используя клетки эндотелия пуповинной вены человека, исследователи подвергали их воздействию тестовых веществ и оценивали токсичность по уровню клеточной гибели. Метод оказался быстрее и чувствительнее, чем традиционные подходы. Это исследование демонстрирует, что микрофлюидикические системы способны оптимизировать тестирование, оставаясь при этом надёжными и чувствительными.
Машинное обучение и ко-культурные массивы
Косметическая индустрия также получает выгоду от развития методов машинного обучения для оценки своих продуктов с целью постепенного снижения зависимости от испытаний на живых клетках. Интеграция алгоритмов машинного обучения с многоклеточными ко-культурными массивами (MCA) особенно перспективна для повышения прогностической способности микрофлюидикических платформ. Моделируя сложное взаимодействие между различными типами клеток, такими как гепатоциты, кератиноциты и иммунные клетки, исследователи могут более точно оценивать риск возникновения кожной сенсибилизации под влиянием метаболитов лекарственных средств [N. Indolfo et al., “Combining a microphysiological system of three organ equivalents and transcriptomics to assess toxicological endpoints for cosmetics ingredients.” Lab on a Chip]. Эти методы упрощают изучение сложных биологических взаимодействий, превращая их в более управляемые анализы и предлагая решение для высокопроизводительного скрининга, применимое как в косметологии, так и в фармакологии.
Технология «Кожа-на-чипе»: новый стандарт в тестировании кожи
В условиях всё более жесткого запрета на испытания косметики на животных, предписанного законодательством, таким как нормативы Европейского Союза, индустрия красоты и средств личной гигиены ищет альтернативные методологии, способные воспроизвести сложную in vivo среду человеческой кожи.
Кожа – самый большой орган человеческого организма, представляющий собой многослойную структуру, состоящую из эпидермиса, дермы и гиподермы, где каждый слой выполняет свою специфическую функцию. Внешний слой, эпидермис, в основном состоит из кератиноцитов и представляет собой первичный барьер против потери влаги, патогенов и внешних агрессоров. Этот слой также содержит меланоциты (пигментация), клетки Лангерганса (иммунный надзор) и клетки Меркеля (сенсорная функция). Под эпидермисом дерма обеспечивает структурную поддержку за счёт фибробластов, коллагена, эластиновых волокон, кровеносных сосудов и нервов, отвечающих за эластичность, восстановление и снабжение питательными веществами. Самый глубокий слой – гиподерма – в основном состоит из жировой ткани, которая служит изоляцией и амортизацией. В совокупности эти слои образуют барьерную систему, поддерживающую гидратацию, защищающую от механических и микробных угроз и обеспечивающую гомеостаз.
Состав кожи, адаптировано по Nianfang Hu et. al 2023. [N. Hu et al., “Advancements in microfluidics for skin cosmetics screening,” The Analyst]
Для максимально точного воспроизведения физиологических функций кожи, микрофлюидикические устройства становятся ключевым элементом при создании моделей человеческой кожи, предлагая более этичную и эффективную платформу для оценки безопасности и эффективности косметической продукции [N. Indolfo et al., “Combining a microphysiological system of three organ equivalents and transcriptomics to assess toxicological endpoints for cosmetics ingredients.” Lab on a Chip] [N. Hu et al., “Advancements in microfluidics for skin cosmetics screening,” The Analyst] [K. Mistry and M. H. Alexander, “Skin-on-a-chip microfluidic devices: Production, verification, and uses in cosmetic toxicology,” Springer Nature Singapore].
Будущие тенденции: персонализированная и этичная косметика
Воссоздание васкуляризованной, иммунокомпетентной кожи
Последние достижения в области микрофлюидикической технологии привели к разработке сложных моделей «кожа-на-чипе», которые максимально точно воспроизводят структуру и функции человеческой кожи. Эти модели интегрируют ключевые клеточные типы – кератиноциты, фибробласты и иммунные клетки, создавая ко-культурную среду, имитирующую естественную микросреду кожи.
Модель кожи на чипе (кератиноциты – зелёные, фибробласты – синие, эндотелиальные клетки – красные), состоящая из трёх слоев, представляющих эпидермис, дерму и эндотелий. Адаптировано по Nianfang Hu et. al 2023 [N. Hu et al., “Advancements in microfluidics for skin cosmetics screening,” The Analyst].
Как отмечают Krishan Mistry и Michael H. Alexander, современные тонкие микрофлюидикические кожные модели все чаще включают васкулярные и иммунные компоненты, что позволяет исследователям изучать воспалительные процессы, трансдермальную абсорбцию и барьерные функции с большей физиологической релевантностью. Интеграция микроканалов и систем контроля потока обеспечивает точную регулировку сдвигового напряжения и биохимических градиентов, что критически важно для понимания реакции кожи на внешние воздействия. Непрерывная перфузия, поддерживающая долгосрочную жизнеспособность и динамическую стимуляцию, может быть реализована с использованием систем, таких как , обеспечивающих контролируемый поток и доставку питательных веществ для повышения надежности и воспроизводимости токсикологических исследований в косметике.
Синергия 3D-биопечати для технологии «Кожа-на-чипе»
Во многих исследованиях учёные комбинируют 3D-биопечать с микрофлюидикическими технологиями для создания сложных, многослойных моделей кожи, максимально приближенных к архитектуре и функциям настоящей человеческой кожи. Биопечать – это технология, использующая био-«чернила», состоящие из живых клеток и биоматериалов, для создания структур, похожих на ткани, с высокой точностью. При интеграции таких печатных конструкций в микрофлюидикические чипы, можно получить модели, включающие отдельные слои эпидермиса, дермы и даже васкулярные компоненты. Такое многослойное устройство позволяет моделировать процессы воспаления кожи или ее заболевания, а также оценивать взаимодействие косметических ингредиентов с кожей в условиях, приближенных к реальным. Эти модели особенно полезны для оценки выделения цитокинов, проницаемости активных веществ и других ключевых показателей раздражения или сенсибилизации, предлагая более предсказуемую и этичную альтернативу тестированию на животных [K. Mistry and M. H. Alexander, “Skin-on-a-chip microfluidic devices: Production, verification, and uses in cosmetic toxicology,” Springer Nature Singapore].
Заключение: Микрофлюидикика для косметической индустрии
Микрофлюидикика уже давно перестала быть нишевой технологией и стала надёжным союзником современной косметологической науки. Её способность воспроизводить физиологическое поведение человеческих тканей, обеспечивать проведение экспериментов с высокой пропускной способностью и совершенствовать методы формулировки помогает устанавливать новые стандарты в области безопасности и инноваций.
От помощи в создании формул косметических средств до замены тестирования на животных с использованием передовых моделей in vitro – микрофлюидикические платформы могут сыграть ключевую роль в разработке и валидации косметических продуктов. Хотя остаются вызовы, связанные с масштабированием этих технологий для полной интеграции в промышленность, тенденция ясна: микрофлюидикика станет центральным элементом в создании более безопасной, эффективной и этически произведённой косметики.
По мере дальнейшего развития этой области мы увидим появление персонализированной косметологии, ориентированной на индивидуальные потребности, подобно персонализированной медицине, где микрофлюидикика уже прочно заняла своё место. Мы вступаем в эпоху, где инновации и этика сливаются воедино, благодаря достижениям микрофлюидикической технологии.
