Ultrazvuková výroba stabilních nanoemulzí
- Nanoemulze – známé také jako miniemulze nebo submikronové emulze – se používají v široké škále aplikací v chemii, barvách, nátěrových hmotách, kosmetice, farmacii a potravinářství.
- Sonikátory jsou známé jako vysoce účinná a spolehlivá technika pro výrobu dlouhodobě stabilních nanoemulzí.
Proč ultrazvuk pro nanoemulgaci
Ultrazvuková nanoemulgace je technika, která využívá nízkofrekvenční vysoce výkonné ultrazvukové vlny k vytváření stabilních a rovnoměrných emulzí drobných kapiček, typicky v rozmezí 10–200 nm. Tato technika má oproti tradičním emulgačním metodám několik výhod, díky nimž je v různých aplikacích lepší. Mezi tyto výhody patří:
- Jednotná velikost částic: Ultrazvuková nanoemulgace vytváří malé a jednotné kapičky, které nabízejí lepší stabilitu a biologickou dostupnost. Tyto kapičky mají vysoký poměr povrchu k objemu, díky čemuž jsou v různých aplikacích reaktivnější a účinnější.
- Vysoká stabilita: Ultrazvukové nanoemulze mají díky své malé velikosti a jednotnosti vysokou kinetickou stabilitu, která je činí odolnými vůči koalescenci, flokulaci a sedimentaci. Tato stabilita je činí ideálními pro použití v potravinářských, farmaceutických, kosmetických a chemických aplikacích.
- Nižší spotřeba energie: Ultrazvuková nanoemulgace vyžaduje nižší energetický vstup než tradiční emulgační metody, jako je homogenizace nebo mikrofluidizace, díky čemuž je energeticky účinnější a nákladově efektivnější.
- Univerzálnost: Ultrazvukovou nanoemulgaci lze použít k emulgaci široké škály materiálů, včetně lipidů, hydrofilních sloučenin a ve vodě nerozpustných látek. Díky tomu jde o univerzální techniku, kterou lze využít v různých aplikacích.
Krátká doba zpracování: Ultrazvuková nanoemulgace je rychlý proces, který lze dokončit během několika minut, takže je vhodná pro velkoobjemovou výrobu.
Celkově ultrazvuková nanoemulgace nabízí oproti tradičním emulgačním metodám několik výhod, díky nimž je lepší technikou pro různé aplikace.
Ultrazvuková příprava čiré nanoemulze pomocí sonikátoru UP400ST.
Ultrazvuková tvorba nanoemulzí
Ultrazvuková emulgace je způsobena přenosem vln výkonového ultrazvuku do kapalného systému. Při sonikaci kapaliny dochází ke dvěma mechanismům:
- Akustické pole generuje vlny, které se šíří kapalinou a způsobují mikroturbulence a pohyb mezifázového rozhraní. Tím se hraniční fáze stává nestabilní, takže se dispergovaná (vnitřní) fáze nakonec rozpadá a vytváří kapičky ve spojité (vnější) fázi.
- Aplikace nízkofrekvenčního ultrazvuku o vysokém výkonu vyvolává kavitaci (Kentish et al. 2008). Při ultrazvukové kavitaci vznikají v médiu v důsledku tlakových cyklů ultrazvukové vlny mikrobubliny nebo dutiny. Mikrobubliny / dutiny rostou během několika cyklů vlny, dokud prudce nezkolabují. Tato imploze bublin způsobuje lokálně extrémní podmínky, jako je velmi silný smyk, kapalinové proudy a extrémní rychlosti ohřevu a chlazení. (Suslick 1999).
Tyto extrémní síly rozbíjejí primární kapičky dispergované (vnitřní) fáze až na kapičky nanometrové velikosti a homogenně je vmíchávají do spojité (vnější) fáze.
Přečtěte si zde více o účincích ultrazvukové kavitace na emulgaci!
Farmaceutické nanoemulze
Lipidové miniemulze – vyráběné pomocí ultrazvuku – se široce používají jako nosiče farmakologických látek ve farmaceutických formulacích. Miniemulze mohou například sloužit jako parenterální nosiče léčiv nebo jako prostředky pro dodávání léčiv do cílových tkání. Kromě vysoké biologické dostupnosti enkapsulovaných účinných látek spočívají výhody miniemulzí v jejich vysoké biokompatibilitě, biologické rozložitelnosti, stabilitě a snadné velkoobjemové výrobě. Díky svým strukturním vlastnostem mohou obsahovat hydrofobní i amfipatické molekuly. Ultrazvukem připravené nanoemulze byly naplněny tokoferoly, vitaminy, kurkuminem a mnoha dalšími farmakologickými látkami.
Ultrazvukové systémy Hielscher jsou spolehlivá emulgační zařízení pro přípravu nanoemulzí s obsahem léčiv. Pro ultrazvukovou emulgaci nabízí Hielscher různé příslušenství k optimalizaci emulgačního procesu. MultiPhaseCavitator od společnosti Hielscher je jedinečný doplněk pro ultrazvukové průtokové cely, u kterého se druhá fáze vstřikuje jako velmi úzký proud přímo do ultrazvukové zóny hot spot emulgace.
Sonikátor UP400ST pro formulaci farmaceutických nanosuspenzí se zvýšenou biologickou dostupností.
Nanoemulze potravinářské kvality
Nanoemulze nabízejí řadu výhod pro formulaci potravinářských výrobků. Nanoemulze vykazují dobrou stabilitu vůči gravitační separaci, flokulaci a koalescenci a díky malé velikosti kapiček a velkému povrchu umožňují řízené uvolňování a/nebo absorpci funkčních složek. Navíc nabízejí vysokou biologickou dostupnost účinných látek, což je důležité pro dodávání živin a účinných látek. Kromě toho mají dobré formulační vlastnosti, protože jsou průhledné nebo opticky průsvitné a jejich submikronové / nanometrové kapičky vytvářejí hladký a krémový pocit v ústech. Výroba stabilních nanoemulzí je proto v potravinářském průmyslu všudypřítomným úkolem, např. při formulaci výrobků obohacených vitaminy nebo mastnými kyselinami (např. vitamin C, vitamin E omega-3, omega-6, omega-9 získané ze semen rostlin nebo z rybího oleje) nebo při výrobě aromatizovaných výrobků (např. s esenciálními oleji).
Distribuce nanometrových kapiček ultrazvukem dispergované nanoemulze (emulze levandulového oleje ve vodě). Emulze byla připravena pomocí ultrazvukové sondy UP400St.
Kosmetické nanoemulze
Zejména nanoemulze typu voda v oleji (W/O) nabízejí řadu výhod pro enkapsulaci bioaktivních hydrofilních látek do kapiček nanometrové velikosti (v jednoduchých nebo dvojitých emulzích).
Klikněte zde a přečtěte si více o formulaci kosmetických emulzí bez povrchově aktivních látek pomocí ultrazvuku!
Miniemulzní polymerace
Ultrazvukem podporovaná miniemulzní polymerace se uplatňuje v různých procesech – od enkapsulace anorganických částic až po syntézu latexových částic. Aplikace výkonového ultrazvuku na chemické reakce, jako je polymerace, syntéza atd., se označuje jako sonochemie.
Klikněte zde a přečtěte si více o sonochemii, ultrazvukové syntéze latexu a ultrazvukovém srážení!
Stabilizace emulzí
Ačkoli některé nanoemulze mohou být díky nanometrové velikosti a distribuci kapiček stabilní při skladování bez použití jakýchkoli povrchově aktivních látek nebo emulgátorů, jiné nanoemulze vyžadují použití stabilizačních činidel, aby se dosáhlo dlouhodobé stability a optimální kvality produktu. Stabilizace lze dosáhnout přidáním buď povrchově aktivních látek (tenzidů), nebo pevných částic, které působí jako stabilizátory. Emulze stabilizované pevnými částicemi se označují jako Pickeringovy emulze. Jako koloidní stabilizátory v Pickeringových emulzích lze použít laktózu, albumin, lecitin, chitosan, cyklodextrin, maltodextrin, škrob atd. Klikněte zde a zjistěte více o ultrazvukem vytvářených Pickeringových emulzích!
Ultrazvukovou emulgaci lze provádět u všech typů emulzí. Zda je pro konkrétní emulzi zapotřebí stabilizační činidlo, lze snadno otestovat v malém měřítku.
Upozorňujeme, že množství potřebné povrchově aktivní látky roste s klesající velikostí kapiček, protože poměr povrchu k objemu (S/V) pro koule je dán vztahem: S/V = 3/R. Například čím menší je průměr částice nebo kapičky, tím větší povrch má vzhledem ke svému objemu.
Ultrazvuková emulgační zařízení
Výroba stabilních submikronových a nanoemulzí vyžaduje výkonná ultrazvuková zařízení. Ultrazvuková emulgační zařízení Hielscher poskytují velmi vysoké amplitudy (až 200µm u průmyslových sonikátorů, vyšší amplitudy na vyžádání) pro vytvoření intenzivního akustického pole.
Pro výrobu stabilních nanoemulzí však samotné zařízení pro výkonový ultrazvuk často nestačí. Kromě dostatečného ultrazvukového výkonu je k získání kapiček nanometrové velikosti a homogenní vzájemné disperze vodné i olejové fáze nezbytné přesné řízení procesních parametrů a sofistikované příslušenství (jako jsou sonotrody, reaktory s průtokovou celou, chlazení).
Hielscher MultiPhaseCavitator: Pro výrobu vynikajících emulzí s velmi úzkou distribucí kapiček vyvinula společnost Hielscher jedinečnou vložku do průtokové cely – MultiPhaseCavitator. S tímto speciálním doplňkem průtokové cely se druhá fáze emulze kontinuálně vstřikuje 48 malými kanylami do kavitační zóny. Tato technologie umožňuje spolehlivou a účinnou výrobu velmi malých kapiček nanometrové velikosti a vysoce stabilních emulzí.
Hielscher Ultrasonics se specializuje na dodávky špičkových ultrazvukových systémů a příslušenství pro optimální výsledky zpracování. Naše dlouholeté zkušenosti s ultrazvukovým zpracováním a úzká spolupráce s našimi zákazníky zajišťují úspěšnou implementaci ultrazvuku do výrobních linek.
Pro počáteční testy, vývoj procesů a optimalizaci procesů nabízíme plně vybavenou procesní laboratoř a technické centrum.
Dále nabízíme podrobné poradenství, vývoj zakázkových ultrazvukových systémů a odborný technický servis pro instalaci, školení a údržbu.
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0,5 až 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Fakta, která stojí za to znát
Emulze, velikost kapiček a povrchově aktivní látky
Emulze jsou definovány jako dvě nemísitelné kapaliny: Jedna z kapalin – tzv. dispergovaná neboli vnitřní fáze – je dispergována ve formě kulovitých kapiček v druhé kapalině, označované jako spojitá neboli vnější fáze. Nejvýznamnějšími kapalinami používanými k tvorbě emulze jsou olej a voda. Když je olejová fáze dispergována ve vodní/vodné fázi, jde o emulzi typu olej ve vodě, zatímco když je vodní/vodná fáze dispergována v olejové fázi, jde o emulzi typu voda v oleji. Podle velikosti částic a termodynamické stability se emulze rozlišují na makroemulze, mikroemulze a nanoemulze.
Nanoemulze
Nanoemulze jsou nanočásticové disperze, které se skládají z kapiček nanometrové velikosti. Vysoké smykové síly výkonového ultrazvuku rozrušují kapičky tak, že se zmenšují na submikronový a nanometrový průměr. Obecně platí, že menší velikost kapiček vede k větší stabilitě emulze. Nanoemulze lze rozlišit jako O/W (olej ve vodě), W/O (voda v oleji) nebo jako vícenásobné/dvojité emulze, například W/O/W a O/W/O. Nanoemulze jsou v závislosti na konzistenci a velikosti kapiček průhledné, nebo dokonce průsvitné (ve viditelném spektru). Nanoemulze jsou obecně definovány velikostí kapiček mezi 20 a 200nm. S klesající velikostí kapiček se snižuje sklon emulze ke koalescenci (klesající Ostwaldovo zrání).
Nanomateriály a nanoemulze se vyznačují fyzikálními vlastnostmi, které se liší od mikroemulzí. Částice nanometrové velikosti vykazují buď zcela odlišné vlastnosti, nebo se jejich typické vlastnosti projevují ve velmi extrémní podobě. Viditelný vzhled nanoemulzí se liší od vzhledu emulzí mikrometrové velikosti, protože kapičky jsou příliš malé na to, aby interferovaly s optickými vlnovými délkami viditelného spektra. Nanoemulze proto vykazují velmi malý rozptyl světla a jeví se jako průhledné nebo opticky průsvitné.
Velikost kapiček emulze ovlivňuje složení olejové fáze, mezifázové vlastnosti a viskozita spojité i dispergované fáze, typ emulgátoru/povrchově aktivní látky, smyková rychlost během emulgace a také rozpustnost olejové fáze ve vodě.
Nanoemulze se široce využívají v rozmanitých aplikacích, jako je dodávání léčiv, potraviny a nápoje, kosmetika, farmacie a materiálové vědy a syntéza.
Povrchově aktivní látky
Emulgátory jsou zásadním faktorem pro přípravu stabilní emulze / nanoemulze. Emulgátory jsou povrchově aktivní látky, které vytvářejí kolem kapičky ochrannou vrstvu a snižují mezifázové napětí, čímž zabraňují Ostwaldovu zrání, koalescenci a krémování.
Typy povrchově aktivních látek:
- Nízkomolekulární povrchově aktivní látky: Neionogenní emulgátory, jako jsou Tween a Span, vykazují při perorálním, parenterálním a dermálním podání nízkou toxicitu a dráždivost, a proto se upřednostňují před iontovými emulgátory. Tween a Span jsou preferovanými stabilizátory emulzních formulací v potravinářském, farmaceutickém a kosmetickém průmyslu.
Tweeny: Tween 20/60/80 jsou známé jako polysorbát 20/60/80 (PEG-20 dehydratovaný sorbierit monolaurát, PEG-20 dehydratovaný sorbierit monostearát, polyoxyethylensorbitan monooleát). Jsou to neionogenní povrchově aktivní látky / emulgátory odvozené od sorbitolu. Snadno se rozpouštějí ve vodě, ethanolu, methanolu nebo ethylacetátu, ale v minerálním oleji jen málo.
Spany: Span20/40/60/80 jsou estery mastných kyselin se sorbitanem / sorbitanové estery, což jsou neionogenní povrchově aktivní látky s emulgačními, dispergačními a smáčecími vlastnostmi. Povrchově aktivní látky Span se vyrábějí dehydratací sorbitolu. - Fosfolipidy: vaječný žloutek, sójový nebo mléčný lecitin
- Amfifilní proteiny: izolát syrovátkové bílkoviny, kaseinát
- Amfifilní polysacharidy: arabská guma, modifikované škroby
Literatura / Reference
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Pratap-Singh, A.; Guo, Y.; Lara Ochoa, S.; Fathordoobady, F.; Singh, A. (2021): Optimal ultrasonication process time remains constant for a specific nanoemulsion size reduction system. Scientific Report 11; 2021.
- Kentish, S.; Wooster, T.; Ashokkumar, M.; Simons, L. (2008): The use of ultrasonics for nanoemulsion preparation. Innovative Food Science & Emerging Technologies 9(2):170-175.
- Suslick, K.S. (1999): Application of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. 29: 295–326.
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorních až po průmyslové modely.