การกระจายขนาดอนุภาค (Particle Size Distribution: PSD) คือข้อมูลที่บอกว่าอนุภาคในตัวอย่างมีขนาดเท่าใด และแต่ละช่วงขนาดมีสัดส่วนมากน้อยเพียงใด ไม่ใช่ขนาดเฉลี่ยเพียงค่าเดียว ผลวิเคราะห์จึงบอกได้ว่าผงหรือระบบอิมัลชันของแต่ละล็อตเหมือนกันหรือไม่ และอนุภาคเกาะกลุ่มหรือโตขึ้นระหว่างการเก็บรักษาหรือไม่
ในเครื่องสำอางพรีเมียมและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารเชิงฟังก์ชัน ขนาดอนุภาคไม่ได้กำหนดเพียงรูปลักษณ์ของผลิตภัณฑ์ แต่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติหลายด้านที่ตามมา ตั้งแต่อัตราการละลายและการปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ (Bioactive Compound) ความคงตัวของระบบอิมัลชันตลอดอายุการเก็บรักษา (Shelf Life) ความสม่ำเสมอของการกระจายตัวในระบบสารแขวนลอย (Suspension) ความสามารถในการละลายของผงสารสกัดเมื่อนำไปชงดื่ม ไปจนถึงคุณค่าเชิงพาณิชย์ของระบบกักเก็บสาร (Encapsulation)
ปัญหาที่ทีมพัฒนาผลิตภัณฑ์ในไทยพบบ่อยคือ ขนาดอนุภาคของสูตรต้นแบบในห้องวิจัยไม่ตรงกับขนาดอนุภาคของสูตรที่ขยายขนาดการผลิต (Scale-up) ในระดับโรงงาน ผงสารสกัดที่กระจายตัวสม่ำเสมอในล็อตทดลองกลับจับตัวเป็นก้อนเมื่อผลิตเป็นล็อตการค้า อิมัลชันที่เตรียมด้วยเครื่องโฮโมจีไนเซอร์ (Homogenizer) ระดับห้องวิจัยอาจมีขนาดหยดต่างไปเมื่อใช้เครื่องในสายการผลิต ส่วนระบบไลโปโซมและนาโนอิมัลชันที่ขนาดอนุภาคเปลี่ยนไปหลังขยายขนาดการผลิต ก็อาจมีประสิทธิภาพการกักเก็บสาร (Encapsulation Efficiency: %EE) ต่างจากล็อตทดลอง
ห้องปฏิบัติการวิสไบโอให้บริการวิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคร่วมกับห้องปฏิบัติการพันธมิตรด้วยสองเทคนิค ได้แก่ การเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ (Laser Diffraction) และการกระเจิงแสงแบบไดนามิก (Dynamic Light Scattering: DLS) ครอบคลุมผงสารสกัดสมุนไพร ผลิตภัณฑ์เสริมอาหารแบบผง อิมัลชัน สารแขวนลอย ไลโปโซม นาโนอิมัลชัน และระบบนำส่งสารออกฤทธิ์หลายรูปแบบ ใช้ได้ทั้งในงานพัฒนาสูตร การขยายขนาดการผลิต การตรวจปล่อยล็อต และการติดตามระหว่างการทดสอบความคงตัว (Stability Test)
ทำไมการกระจายขนาดอนุภาคจึงสำคัญต่อสมรรถนะของสูตรและอายุการเก็บรักษา
ขนาดอนุภาคเป็นพารามิเตอร์ที่เชื่อมโยงคุณสมบัติหลายด้านของผลิตภัณฑ์เข้าด้วยกัน ในเครื่องสำอาง ขนาดอนุภาคมีผลต่อความรู้สึกบนผิว ความใสหรือความขุ่นของเนื้อผลิตภัณฑ์ และความสม่ำเสมอของการกระจายสารออกฤทธิ์ในสูตร ส่วนการที่สารออกฤทธิ์จะซึมผ่านผิวได้มากน้อยเพียงใดขึ้นกับหลายปัจจัย ทั้งชนิดของสาร องค์ประกอบของสูตร และสภาพผิว จึงต้องพิสูจน์ด้วยการทดสอบเฉพาะ ไม่ได้ตัดสินจากขนาดอนุภาคเพียงอย่างเดียว ในผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร ระบบกักเก็บสารถูกออกแบบให้ปกป้องสารออกฤทธิ์ระหว่างการเก็บรักษาและระหว่างผ่านทางเดินอาหาร และขนาดอนุภาคเป็นหนึ่งในปัจจัยที่กำหนดพฤติกรรมนี้ ข้อมูลขนาดอนุภาคจึงเป็นข้อมูลพื้นฐานที่ใช้ยืนยันคุณลักษณะของระบบนำส่งที่แบรนด์สื่อสาร แต่ไม่ใช่หลักฐานการดูดซึมในร่างกาย ซึ่งต้องพิสูจน์ด้วยการศึกษาเฉพาะ
ในมิติของอายุการเก็บรักษา ขนาดอนุภาคที่เปลี่ยนไปตามเวลาเป็นสัญญาณว่าระบบสูตรกำลังเสื่อมสภาพ ขนาดหยดที่เพิ่มขึ้นในระบบอิมัลชันมักหมายถึงการรวมตัวของหยดน้ำมัน (Coalescence) ซึ่งนำไปสู่การลอยตัวของหยดน้ำมัน (Creaming) และการแยกชั้น ขนาดอนุภาคที่เพิ่มขึ้นในระบบสารแขวนลอยหมายถึงการเกาะกลุ่มและการตกตะกอน ซึ่งทำให้สารออกฤทธิ์ไปรวมอยู่ที่ก้นบรรจุภัณฑ์ ส่วนค่า Span ที่เปลี่ยนไปหมายถึงการกระจายขนาดเริ่มไม่สม่ำเสมอ
สำหรับระบบกักเก็บสารซึ่งเป็นจุดขายสำคัญของเครื่องสำอางและผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร ขนาดของไลโปโซมหรือสารประกอบเชิงซ้อนแบบอินคลูชันของไซโคลเดกซ์ทริน (Cyclodextrin Inclusion Complex) เป็นตัวชี้วัดความคงตัวที่ใช้คู่กับค่า %EE ซึ่งผู้ผลิตใช้สื่อสารกับผู้ซื้อแบบองค์กรธุรกิจ (Business-to-Business: B2B) ตัวอย่างเช่น ไลโปโซมที่วัดได้ประมาณ 100 นาโนเมตรในวันแรก หากโตขึ้นเป็นประมาณ 250 นาโนเมตรในเดือนที่หก แสดงว่าอนุภาคเกาะกลุ่มหรือหลอมรวมกัน ซึ่งมักเกิดพร้อมการรั่วของสารที่กักเก็บไว้ จึงควรวัด %EE ซ้ำเพื่อยืนยัน มิฉะนั้นข้อความที่แบรนด์เคยสื่อสารเรื่องระบบกักเก็บอาจไม่ตรงกับสภาพจริงของผลิตภัณฑ์
ในมุมการกำกับดูแล สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ขนาดอนุภาคมีผลต่อคุณภาพ ขนาดอนุภาคควรเป็นหัวข้อหนึ่งในข้อกำหนดเฉพาะ (Specification) ที่ผู้ผลิตใช้ควบคุมคุณภาพให้เป็นไปตามกฎหมายของผลิตภัณฑ์แต่ละประเภท เช่น พระราชบัญญัติเครื่องสำอาง พ.ศ. 2558 และพระราชบัญญัติผลิตภัณฑ์สมุนไพร พ.ศ. 2562 สำหรับการส่งออก กฎหมายเครื่องสำอางของสหภาพยุโรปมีข้อกำหนดเฉพาะสำหรับวัตถุดิบระดับนาโน (Nanomaterial) โดยทั่วไปกำหนดให้แจ้งข้อมูลซึ่งรวมถึงขนาดอนุภาคก่อนวางจำหน่าย และให้ระบุคำว่า nano ในวงเล็บต่อท้ายชื่อส่วนผสมบนฉลาก (European Parliament & Council of the European Union, 2009)
หลักการของการวิเคราะห์ขนาดอนุภาคด้วยสองเทคนิคหลัก
การวิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคใช้สองเทคนิคหลักที่ครอบคลุมช่วงขนาดต่างกัน เทคนิคแรกคือการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ (Laser Diffraction) ซึ่งวัดรูปแบบมุมการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์เมื่อส่องผ่านกลุ่มอนุภาค แล้วคำนวณกลับเป็นการกระจายขนาดด้วยทฤษฎี Mie (Mie Theory) สำหรับอนุภาคที่มีขนาดใกล้เคียงความยาวคลื่นแสง หรือการประมาณแบบ Fraunhofer (Fraunhofer Approximation) สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ ผลรายงานเป็นการกระจายเชิงปริมาตร (Volume-weighted Distribution) เช่น ค่า D10, D50 และ D90 ซึ่งหมายถึงขนาดที่ปริมาตรของอนุภาคร้อยละ 10, 50 และ 90 มีขนาดเล็กกว่าค่านั้น และค่า Span ซึ่งคำนวณจาก (D90 − D10)/D50 เทคนิคนี้ครอบคลุมขนาดประมาณ 0.1 ไมโครเมตร (µm) ถึง 3 มิลลิเมตร (International Organization for Standardization [ISO], 2020; United States Pharmacopeial Convention, 2023) จึงเหมาะกับผงสารสกัด ผลิตภัณฑ์เสริมอาหารแบบผง อิมัลชันที่มีหยดขนาดใหญ่ ระบบสารแขวนลอย และวัตถุดิบแบบผง
เทคนิคที่สองคือการกระเจิงแสงแบบไดนามิก (DLS) ซึ่งวัดความผันผวนของความเข้มแสงกระเจิงตามเวลาที่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบบราวน์ (Brownian Motion) ของอนุภาค แล้วใช้สมการสโตกส์–ไอน์สไตน์ (Stokes-Einstein Equation) คำนวณกลับเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงอุทกพลศาสตร์ (Hydrodynamic Diameter) ผลรายงานเป็นขนาดเฉลี่ย Z-average พร้อมดัชนีการกระจายตัว (Polydispersity Index: PdI) ครอบคลุมขนาดประมาณ 1 นาโนเมตรถึง 5 ไมโครเมตร (ISO, 2017) เทคนิคนี้ใช้กับระบบนาโนหลายชนิด ตั้งแต่ไลโปโซม นาโนอิมัลชัน และอนุภาคนาโนพอลิเมอร์ ไปจนถึงโปรตีนที่เกาะกลุ่มและระบบคอลลอยด์ ช่วงขนาดที่วัดได้จริงของทั้งสองเทคนิคขึ้นกับรุ่นของเครื่อง
ในเชิงเทคนิค ความถูกต้องของผลขึ้นกับการควบคุมสามจุด จุดแรกคือการเลือกค่าดัชนีหักเห (Refractive Index) และค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงให้ตรงกับชนิดของสารตัวอย่าง จุดที่สองคือขั้นตอนการกระจายตัวอย่าง (Dispersion Protocol) การใช้คลื่นเหนือเสียง (Ultrasonication) นานเกินไปอาจทำให้กลุ่มก้อนที่เกิดขึ้นจริงในผลิตภัณฑ์แตกออกหรือทำให้อนุภาคแตกหัก ผลจึงเล็กกว่าสภาพจริง ส่วนการกระจายที่น้อยเกินไปทำให้กลุ่มก้อนยังไม่แยกออกจากกัน ผลจึงใหญ่กว่าขนาดของอนุภาคเดี่ยว จุดที่สามคือการควบคุมช่วงการบดบังลำแสง (Obscuration Range) สำหรับ Laser Diffraction และความเข้มข้นของตัวอย่างสำหรับ DLS
ขอบเขตบริการวิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคของห้องปฏิบัติการวิสไบโอ
บริการของห้องปฏิบัติการวิสไบโอ ซึ่งดำเนินการร่วมกับห้องปฏิบัติการพันธมิตร ครอบคลุมตัวอย่างสามกลุ่ม
- ผงและของแห้ง: ผงสารสกัดสมุนไพร สารสกัดผงพร้อมใช้ พรีมิกซ์สำหรับเครื่องดื่มชง ผลิตภัณฑ์เสริมอาหารแบบผง ผงพ่นแห้ง (Spray-dried Powder) ผงทำแห้งแบบเยือกแข็ง (Freeze-dried Powder) และวัตถุดิบสารออกฤทธิ์ในรูปผง
- อิมัลชันและสารแขวนลอย: ครีม โลชั่น เซรั่ม อิมัลชันชนิดน้ำในน้ำมันและชนิดน้ำมันในน้ำ และระบบสารแขวนลอยของผลิตภัณฑ์เสริมอาหารชนิดเหลว
- ระบบนำส่งระดับนาโน: ไลโปโซม นิโอโซม (Niosome) นาโนอิมัลชัน อนุภาคนาโนพอลิเมอร์ และอนุภาคนาโนไขมันแข็ง (Solid Lipid Nanoparticle: SLN)
การนำผลการวิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคไปใช้ประโยชน์
ผลการวิเคราะห์ขนาดอนุภาคใช้ได้ในหลายช่วงของผลิตภัณฑ์
- ขั้นวิจัยและพัฒนา: ใช้เปรียบเทียบประสิทธิภาพของเครื่องผสมหลายแบบ เปรียบเทียบระบบสารลดแรงตึงผิวหลายระบบ และเปรียบเทียบขนาดของไลโปโซมที่เตรียมด้วยวิธีต่างกัน
- ขั้นขยายขนาดการผลิต (Scale-up): ใช้เทียบขนาดอนุภาคของล็อตโรงงานกับล็อตทดลอง เพื่อยืนยันว่าสภาวะการผลิตจริงให้ผลเหมือนในห้องวิจัย
- ขั้นการผลิตเชิงพาณิชย์: ใช้เป็นเกณฑ์ปล่อยล็อต โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่สื่อสารเรื่องระบบนำส่ง และใช้คู่กับการศึกษาความคงตัวเพื่อยืนยันว่าขนาดอนุภาคยังเป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะตลอดอายุการเก็บรักษา
- ขั้นส่งออก: ใช้เป็นเอกสารแนบใบรับรองผลการวิเคราะห์ (Certificate of Analysis: COA) โดยเฉพาะเมื่อส่งออกไปตลาดที่มีข้อกำหนดเรื่องวัตถุดิบระดับนาโน เช่น สหภาพยุโรป
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับขนาดอนุภาค (Particle Size)
การกระจายขนาดอนุภาค (Particle Size Distribution) คืออะไร
คือข้อมูลที่บอกว่าอนุภาคในตัวอย่างมีขนาดเท่าใด และแต่ละช่วงขนาดมีสัดส่วนมากน้อยเพียงใด ไม่ใช่ขนาดเฉลี่ยเพียงค่าเดียว จึงใช้เทียบระหว่างล็อตและติดตามการเกาะกลุ่มของอนุภาคระหว่างการเก็บรักษาได้
Laser Diffraction กับ DLS ต่างกันอย่างไร
Laser Diffraction วัดมุมการเลี้ยวเบนของแสงเลเซอร์ ครอบคลุมขนาดประมาณ 0.1 ไมโครเมตรถึง 3 มิลลิเมตร เหมาะกับผง อิมัลชันที่มีหยดขนาดใหญ่ และสารแขวนลอย ส่วน DLS วัดความผันผวนของแสงกระเจิงจากการเคลื่อนที่แบบบราวน์ ครอบคลุมขนาดประมาณ 1 นาโนเมตรถึง 5 ไมโครเมตร เหมาะกับไลโปโซม นาโนอิมัลชัน และระบบนาโนอื่น
ค่า D50, Span, Z-average และ PdI หมายถึงอะไร
D50 คือขนาดที่ปริมาตรของอนุภาคครึ่งหนึ่งเล็กกว่าค่านั้น Span คือความกว้างของการกระจายขนาด คำนวณจาก (D90 − D10)/D50 ทั้งสองค่ามาจาก Laser Diffraction ส่วน Z-average คือขนาดเฉลี่ยเชิงอุทกพลศาสตร์ และ PdI คือดัชนีการกระจายตัว ซึ่งมาจาก DLS
ขนาดอนุภาคที่เปลี่ยนไประหว่างการเก็บรักษาบอกอะไร
ขนาดหยดที่เพิ่มขึ้นในอิมัลชันมักหมายถึงการรวมตัวของหยดน้ำมันซึ่งนำไปสู่การแยกชั้น ขนาดอนุภาคที่เพิ่มขึ้นในสารแขวนลอยหมายถึงการเกาะกลุ่มและการตกตะกอน ส่วนไลโปโซมที่โตขึ้นมักเกิดพร้อมการรั่วของสารที่กักเก็บไว้ จึงควรวัด %EE ซ้ำเพื่อยืนยัน
อนุภาคขนาดเล็กหรือระดับนาโนหมายความว่าสารออกฤทธิ์ซึมเข้าผิวหรือดูดซึมได้ดีกว่าใช่ไหม
ไม่ได้หมายความเช่นนั้นเสมอไป การซึมผ่านผิวขึ้นกับชนิดของสาร องค์ประกอบของสูตร และสภาพผิว ส่วนการดูดซึมในร่างกายต้องพิสูจน์ด้วยการศึกษาเฉพาะ ข้อมูลขนาดอนุภาคใช้ยืนยันคุณลักษณะและความคงตัวของระบบนำส่ง แต่ไม่ใช่หลักฐานการซึมผ่านหรือการดูดซึมโดยลำพัง
ห้องปฏิบัติการวิสไบโอรับวิเคราะห์ขนาดอนุภาคของตัวอย่างประเภทใดบ้าง
รับตัวอย่างสามกลุ่ม ได้แก่ ผงและของแห้ง เช่น ผงสารสกัดสมุนไพรและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารแบบผง อิมัลชันและสารแขวนลอย เช่น ครีม โลชั่น และเซรั่ม และระบบนำส่งระดับนาโน เช่น ไลโปโซม นาโนอิมัลชัน และอนุภาคนาโนไขมันแข็ง
เอกสารอ้างอิง:
- European Parliament & Council of the European Union. (2009). Regulation (EC) No 1223/2009 of the European Parliament and of the Council of 30 November 2009 on cosmetic products (recast). Official Journal of the European Union, L 342, 59–209. https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2009/1223/oj
- International Organization for Standardization. (2017). Particle size analysis — Dynamic light scattering (DLS) (ISO 22412:2017). ISO.
- International Organization for Standardization. (2020). Particle size analysis — Laser diffraction methods (ISO 13320:2020). ISO.
- United States Pharmacopeial Convention. (2023). Light diffraction measurement of particle size (USP <429>). USP.
- ราชกิจจานุเบกษา. (2558, กันยายน 8). พระราชบัญญัติเครื่องสำอาง พ.ศ. 2558. ราชกิจจานุเบกษา, 132(86 ก), 1–22.
- ราชกิจจานุเบกษา. (2562, เมษายน 30). พระราชบัญญัติผลิตภัณฑ์สมุนไพร พ.ศ. 2562. ราชกิจจานุเบกษา, 136(56 ก), 116–161.