Production de nanoémulsions stables par ultrasons

• Les nanoémulsions – également appelées miniémulsions ou émulsions submicroniques – sont utilisées dans un large éventail d’applications en chimie, dans les peintures, les revêtements, les cosmétiques, les produits pharmaceutiques et l’alimentation.
• Les appareils à ultrasons sont reconnus comme une technique très efficace et fiable pour produire des nanoémulsions stables à long terme.

Pourquoi utiliser les ultrasons pour la nanoémulsification

La nanoémulsification par ultrasons est une technique qui utilise des ondes ultrasonores de basse fréquence et de forte puissance pour créer des émulsions stables et uniformes composées de minuscules gouttelettes, généralement comprises entre 10–200 nm. Cette technique présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes d’émulsification traditionnelles, ce qui la rend supérieure dans diverses applications. Voici certains de ces avantages :

• Taille uniforme des particules : La nanoémulsification par ultrasons produit de petites gouttelettes uniformes, qui offrent une meilleure stabilité et une meilleure biodisponibilité. Ces gouttelettes présentent un rapport surface/volume élevé, ce qui les rend plus réactives et plus efficaces dans diverses applications.
• Stabilité élevée : Les nanoémulsions produites par ultrasons présentent une stabilité cinétique élevée grâce à la petite taille et à l’uniformité de leurs gouttelettes, ce qui les rend résistantes à la coalescence, à la floculation et à la sédimentation. Cette stabilité les rend idéales pour les applications alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques et chimiques.
• Consommation d’énergie réduite : La nanoémulsification par ultrasons nécessite un apport d’énergie inférieur à celui des méthodes d’émulsification traditionnelles telles que l’homogénéisation ou la microfluidisation, ce qui la rend plus économe en énergie et plus rentable.
• Polyvalence : La nanoémulsification par ultrasons permet d’émulsionner un large éventail de matières, notamment des lipides, des composés hydrophiles et des substances insolubles dans l’eau. Il s’agit donc d’une technique polyvalente, utilisable dans diverses applications.
  Temps de traitement court : La nanoémulsification par ultrasons est un procédé rapide qui peut être réalisé en quelques minutes, ce qui la rend adaptée à la production à grande échelle.

Dans l’ensemble, la nanoémulsification par ultrasons offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes d’émulsification traditionnelles, ce qui en fait une technique supérieure pour diverses applications.
 

Formation de nanoémulsions par ultrasons

L’émulsification par ultrasons résulte du couplage des ondes ultrasonores de puissance dans un système liquide. La sonication d’un liquide fait intervenir deux mécanismes :

1. Le champ acoustique génère des ondes qui se propagent dans le liquide et provoquent des microturbulences ainsi qu’un mouvement interfacial. La zone interfaciale devient ainsi instable, de sorte que la phase dispersée (interne) finit par se fragmenter et former des gouttelettes dans la phase continue (externe).
2. L’application d’ultrasons de basse fréquence et de forte puissance génère une cavitation (Kentish et al. 2008). La cavitation ultrasonore forme des microbulles ou des cavités dans le milieu sous l’effet des cycles de pression de l’onde ultrasonore. Les microbulles / cavités grossissent pendant plusieurs cycles de l’onde jusqu’à leur effondrement violent. Cette implosion des bulles crée localement des conditions extrêmes, telles qu’un cisaillement très élevé, des jets de liquide et des vitesses de chauffage et de refroidissement extrêmes. (Suslick 1999).

Ces forces extrêmes fragmentent les gouttelettes primaires de la phase dispersée (interne) en gouttelettes nanométriques et les mélangent de manière homogène dans la phase continue (externe).
Découvrez ici les effets de la cavitation ultrasonore sur l’émulsification !

Nanoémulsions pharmaceutiques

Les miniémulsions lipidiques – produites par ultrasons – sont largement utilisées comme vecteurs d’agents pharmacologiques dans les formulations pharmaceutiques. Par exemple, les miniémulsions peuvent servir de vecteurs de médicaments administrés par voie parentérale ou de systèmes d’administration de médicaments aux tissus cibles. Outre la biodisponibilité élevée des composés actifs encapsulés, les avantages des miniémulsions résident dans leur biocompatibilité, leur biodégradabilité et leur stabilité élevées, ainsi que dans leur facilité de production à grande échelle. Grâce à leurs propriétés structurelles, elles peuvent incorporer des molécules aussi bien hydrophobes qu’amphipathiques. Des nanoémulsions préparées par ultrasons ont été chargées en tocophérols, en vitamines, en curcumine et en de nombreuses autres substances pharmacologiques.
Les systèmes à ultrasons Hielscher sont des émulsificateurs fiables pour préparer des nanoémulsions chargées en médicaments. Pour l’émulsification par ultrasons, Hielscher propose divers accessoires permettant d’optimiser le procédé. Le MultiPhaseCavitator de Hielscher est un accessoire unique pour les cellules à circulation ultrasonores, dans lequel la seconde phase est injectée sous la forme d’un flux très étroit directement dans la zone ultrasonore la plus intense où se produit l’émulsification.

Nanoémulsions de qualité alimentaire

Les nanoémulsions offrent divers avantages pour la formulation de produits alimentaires. Elles présentent une bonne stabilité vis-à-vis de la séparation gravitationnelle, de la floculation et de la coalescence, et permettent une libération et/ou une absorption contrôlées des ingrédients fonctionnels grâce à la petite taille de leurs gouttelettes et à leur grande surface. Elles offrent également une biodisponibilité élevée des composés actifs, ce qui est important pour l’apport de nutriments et de substances actives. En outre, elles présentent de bonnes propriétés de formulation, car elles sont transparentes ou visuellement translucides, et leurs gouttelettes submicroniques / nanométriques procurent une sensation douce et crémeuse en bouche. La production de nanoémulsions stables constitue donc une tâche omniprésente dans l’industrie alimentaire, par exemple pour formuler des produits enrichis en vitamines ou en acides gras (par exemple vitamine C, vitamine E, oméga-3, oméga-6, oméga-9 issus de graines de plantes ou d’huile de poisson), ou pour produire des produits aromatisés (par exemple avec des huiles essentielles).

Distribution des gouttelettes nanométriques d’une nanoémulsion dispersée par ultrasons (émulsion d’huile de lavande dans l’eau). L’émulsion a été préparée avec la sonde ultrasonore UP400St.

Nanoémulsions cosmétiques

Les nanoémulsions eau-dans-huile (W/O), en particulier, offrent divers avantages pour l’encapsulation de substances hydrophiles bioactives dans des gouttelettes nanométriques (dans des émulsions simples ou doubles).
Cliquez ici pour en savoir plus sur la formulation d’émulsions cosmétiques sans tensioactifs à l’aide d’ultrasons !

Polymérisation en miniémulsion

La polymérisation en miniémulsion assistée par ultrasons est utilisée dans divers procédés – de l’encapsulation de particules inorganiques à la synthèse de particules de latex. L’application d’ultrasons de puissance à des réactions chimiques telles que la polymérisation, la synthèse, etc., est appelée sonochimie.
Cliquez ici pour en savoir plus sur la sonochimie, la synthèse de latex par ultrasons et la précipitation par ultrasons!

Stabilisation des émulsions

Bien que certaines nanoémulsions puissent rester stables pendant le stockage sans utiliser de tensioactifs ni d’émulsifiants, grâce à la taille nanométrique et à la distribution de leurs gouttelettes, d’autres nécessitent des agents stabilisants pour obtenir une stabilité à long terme et une qualité optimale du produit. La stabilisation peut être réalisée en ajoutant soit des tensioactifs, soit des particules solides jouant le rôle de stabilisants. Les émulsions stabilisées par des particules solides sont appelées émulsions de Pickering. Le lactose, l’albumine, la lécithine, le chitosane, la cyclodextrine, la maltodextrine, l’amidon, etc., peuvent être utilisés comme stabilisants colloïdaux dans les émulsions de Pickering. Cliquez ici pour en savoir plus sur les émulsions de Pickering produites par ultrasons !
L’émulsification par ultrasons peut être réalisée pour tous les types d’émulsions. Il est facile de déterminer par des essais à petite échelle si un agent stabilisant est nécessaire pour une émulsion donnée.
Veuillez noter que la quantité de tensioactif nécessaire augmente lorsque la taille des gouttelettes diminue, car le rapport surface/volume (S/V) des sphères est donné par : S/V = 3/R. Par exemple, plus le diamètre d’une particule ou d’une gouttelette est petit, plus sa surface est importante par rapport à son volume.

Équipements d’émulsification par ultrasons

La production d’émulsions submicroniques et de nanoémulsions stables nécessite des équipements à ultrasons puissants. Les équipements d’émulsification par ultrasons Hielscher délivrent des amplitudes très élevées (jusqu’à 200µm pour les appareils à ultrasons industriels, amplitudes supérieures sur demande) afin de générer un champ acoustique intense.
Cependant, pour produire des nanoémulsions stables, les équipements à ultrasons de puissance seuls ne suffisent souvent pas. Outre une puissance ultrasonore suffisante, un contrôle précis des paramètres du procédé et des accessoires élaborés (tels que des sonotrodes, des réacteurs à cellule à circulation et des dispositifs de refroidissement) sont nécessaires pour obtenir des gouttelettes nanométriques et une dispersion homogène des phases aqueuse et huileuse l’une dans l’autre.
Hielscher MultiPhaseCavitator : Afin de produire des émulsions de qualité supérieure présentant une distribution très étroite de la taille des gouttelettes, Hielscher a développé un insert unique pour cellule à circulation – le MultiPhaseCavitator. Grâce à cet accessoire spécial pour cellule à circulation, la seconde phase de l’émulsion est injectée en continu par 48 petites canules dans la zone de cavitation. Cette technologie permet de produire de manière fiable et efficace de très petites gouttelettes nanométriques et des émulsions hautement stables.

Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la fourniture de systèmes et d’accessoires à ultrasons de qualité supérieure pour des résultats de traitement optimaux. Notre longue expérience du traitement par ultrasons et notre étroite collaboration avec nos clients assurent une intégration réussie des ultrasons dans les lignes de production.
Pour les premiers essais, le développement des procédés et leur optimisation, nous proposons un laboratoire de procédés et un centre technique entièrement équipés.
Nous proposons également des conseils approfondis, le développement de systèmes à ultrasons sur mesure et un service technique complet pour l’installation, la formation et la maintenance.