Optimization and development of stable w/o/w cosmetic multiple emulsions by means of the Quality by Design approach

• Published in: International journal of cosmetic science Vol. 38; no. 2; pp. 128 - 138
• Main Authors: Kovacs, A, Ers, I, Csoka, I
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: England Blackwell Publishing Ltd 01.04.2016; Wiley Subscription Services, Inc
• Subjects: Cosmetics; droplet size; Emulsions; multiple emulsion; Quality by Design concept; Risk Assessment; stability; Viscosity; Quality by Design concept; droplet size; risk assessment; viscosity; stability; multiple emulsion
• ISSN: 0142-5463; 1468-2494
• DOI: 10.1111/ics.12248

Synopsis Objectives The aim of our present work was to develop stable water‐in‐oil‐in‐water (w/o/w) cosmetic multiple emulsions that are proper for cosmetic use and can also be applied on the skin as pharmaceutical vehicles by means of Quality by Design (QbD) concept. This product design concept consists of a risk assessment step and also the ‘predetermination’ of the critical material attributes and process parameters of a stable multiple emulsion system. We have set up the hypothesis that the stability of multiple emulsions can be improved by the development based on such systematic planning – making a map of critical product parameters – so their industrial usage can be increased. Methods The risk assessment and the determination of critical physical–chemical stability parameters of w/o/w multiple emulsions to define critical control points were performed by means of quality tools and the leanqbd™ (QbD Works LLC, Fremont, CA, U.S.A.) software. Results Critical materials and process parameters: Based on the results of preformulation experiments, three factors, namely entrapped active agent, preparation methodology and shear rate, were found to be highly critical factors for critical quality attributes (CQAs) and for stability, whereas the nature of oil was found a medium level risk factor. The results of the risk assessment are the following: (i) droplet structure and size distribution should be evaluated together to be able to predict the stability issues, (ii) the presence of entrapped active agents had a great impact on droplet structure, (iii) the viscosity curves represent the structural changes during storage, if the decrease in relative viscosity is >15% the emulsion disintegrates, and (iv) it is enough to use the shear rate between 34g and 116g relative centrifugal force (RCF). CQAs: By risk assessment, we discovered that four factors should be considered to be high‐risk variables as compared to others: droplet size, droplet structure, viscosity and multiple character were found to be highly critical attributes. Conclusion The preformulation experiment is the part of a development plan. On the basis of these results, the control strategy can be defined and a stable multiple emulsion can be ensured that meets the relevant stakeholders' quality expectations. Résumé Objectifs Le but de notre travail est de développer des émulsions stables eau‐dans‐l'huile‐dans‐l'eau (w/o/w) qui sont adaptées à l'usage cosmétique et peuvent également être appliquézs sur la peau comme véhicules pharmaceutiques par le biais du concept ‘qualité par la conception’. Ce concept de conception de produits se compose d'une étape d'évaluation des risques et aussi de ‘pré‐détermination’ des attributs matériels et des paramètres critiques du processus d'un système d'émulsion multiple stable. Nous avons mis en place l'hypothèse que la stabilité d'émulsions multiples peut être améliorée par le développement fondé sur une telle planification systématique – faire une carte des paramètres des produits critiques ‐, de sorte que leur utilisation industrielle peut être augmentée. Methodes L'évaluation des risques, la détermination des paramètres critiques de stabilité physique et chimique des émulsions multiples w/o/w afin de définir des points de contrôle critiques a été réalisée au moyen d'outils de qualité et le logiciel LeanQbD™ (QbD Works LLC, Fremont, CA, U.S.A.). Resultats Matériaux critiques et paramètres du processus: Basé sur les résultats des expériences de préformulation, trois facteurs, l'agent actif piégé, la méthodologie de préparation et le taux de cisaillement, ont été trouvés être des facteurs très critiques pour les attributs de qualité critiques (CQAs) et pour la stabilité tandis que la nature de l'huile a été trouvée être un facteur de risque de niveau moyen. Les résultats de l'évaluation des risques sont les suivants: (i) la structure des gouttelettes et de la distribution de la taille doivent être évaluées ensemble pour être en mesure de prévoir les problèmes de stabilité, (ii) la présence d'agents actifs piégés a un grand impact sur la structure des gouttelettes, (iii) les courbes de viscosité représentent les changements structurels lors du stockage; si la diminution de la viscosité relative est supérieure à 15%, l'émulsion se désintègre (iv); il suffit d'utiliser le taux de cisaillement compris entre 34g (RCF) et 116g (RCF) tours par minute. CQAs: Par l'évaluation des risques nous avons découvert que quatre facteurs doivent être considérés comme des variables à risque élevé par rapport aux autres: la taille des gouttelettes, la structure de gouttelettes, la viscosité et le caractère multiple ont été jugés attributs hautement critiques. Conclusion L'expérience de préformulation est la partie d'un plan de développement. Sur la base de ces résultats, la stratégie de contrôle peut être définie et une émulsion multiple stable peut être assurée qui répond aux attentes de qualité des parties prenantes pertinentes.