Pikeringa emulsijas ar jaudīgu ultraskaņu
- Pikeringa emulsijas stabilizē cietas daļiņas.
- Pikeringa emulsijas pārliecina ar to, ka tās ir „bez emulgatoriem”, un ar paaugstinātu stabilitāti.
- Ultraskaņa ir ideāls līdzeklis Pikeringa emulsiju iegūšanai, vispirms disperģējot stabilizējošās daļiņas ūdens fāzē un pēc tam emulģējot eļļas/ūdens fāzi.
Pikeringa emulsijas
Pikeringa emulsijas stabilizē adsorbētas cietas daļiņas, nevis emulgators vai virsmaktīvā viela. Tādēļ Pikeringa emulsijas var uzskatīt par emulsijām „bez emulgatoriem” vai „bez virsmaktīvajām vielām”, jo tās stabilizē cietas daļiņas. Ja eļļu un ūdeni sajauc un veidojas mazi eļļas pilieni, kas izkliedējas visā ūdens tilpumā, pilieni ar laiku saplūst, lai samazinātu enerģijas daudzumu sistēmā. Tomēr, ja maisījumam pievieno cietas daļiņas, tās saistās ar fāžu robežvirsmu un novērš pilienu saplūšanu, tādējādi padarot emulsiju stabilāku.
Emulsiju veidošana bez emulgatora ir īpaši interesanta tādu produktu formulēšanā, kuros virsmaktīvo vielu izmantošanai ir negatīva ietekme, piemēram, farmaceitiskajos un kosmētikas produktos. Turklāt Pikeringa emulsijām ir paaugstināta stabilitāte salīdzinājumā ar emulsijām, kuras stabilizē tradicionālie emulgatori. Pilienu pārklājums no cietām daļiņām darbojas kā stingra barjera pret saplūšanu. Tas nozīmē, ka pat ļoti koncentrētas emulsijas var efektīvi stabilizēt kā Pikeringa emulsijas. Cietās nanodaļiņas, kas adsorbētas uz eļļas–ūdens robežvirsmas, ir daļēji iegremdētas ūdens un eļļas vidē, tāpēc stabilizējošajām nanodaļiņām var būt hidrofilas, hidrofobas vai amfifilas īpašības. Arī daļiņu forma un izmērs ietekmē emulsijas stabilitāti.
Ultraskaņas reaktors emulsijām
Ultraskaņas homogenizācijas spēcīgie mehāniskie bīdes spēki pārvar enerģijas barjeru starp fāžu robežvirsmām. Turklāt apstrāde ar ultraskaņu sašķeļ nanodaļiņu agregātus un aglomerātus un rada izteikti polidispersu emulsiju.
Apstrādi ar ultraskaņu izmanto abos Pikeringa emulsijas sagatavošanas posmos:
- lai disperģētu adsorbētās daļiņas ūdens fāzē
- lai emulģētu o/w maisījumu
Pikeringa emulsija ar silīcija dioksīdu
Vispirms hidrofilus pirogēnā silīcija dioksīda pulverus (piemēram, Aerosil® 200 vai Aerosil® 380) ar ultraskaņas ierīci disperģēja ūdenī kā 100nm aglomerātus.
Otrajā posmā, apstrādājot ar ultraskaņu, sagatavoja stabilas o/w emulsijas ar 20 wt% eļļas un pilienu diametru 2–10nm.
Lai iegūtu stabilas, caurspīdīgas butanola, etilacetāta, butillaktāta un dietiladipāta emulsijas ūdens fāzē, bija nepieciešami 6% silīcija dioksīda. Diizobutiladipātam nepieciešami vismaz 8% silīcija dioksīda, lai iegūtu stabilu emulsiju.
Visas sagatavotās emulsijas bija stabilas vismaz 6 mēnešus.
Lai gan nefunkcionalizēta un funkcionalizēta silīcija dioksīda (SiO2) daļiņas ir vienas no visbiežāk izmantotajām daļiņām, arī citas daļiņas, piemēram,
- Fe3O4,
- hidroksiapatīts,
- monodispersa polistirola lateksa daļiņas,
- ciklodekstrīns un maltodekstrīns,
- haloizīta nanocaurulītes,
- hematīta (α-Fe2O3) mikrodaļiņas,
- poli(metilmetakrilāts) (PMMA),
- nešķīstošas hitozāna/B tipa želatīna kompleksa daļiņas
līdzās daudzām citām cietām daļiņām ir veiksmīgi izmantotas stabilu Pikeringa emulsiju iegūšanai.
Literatūra / Atsauces
- Xu, Yayuan; Song, Jiangfeng; Dai, Zhuqing; Niu, Liying; Dajing, Li; Wu, Caie (2022): Study on physicochemical characteristics of lutein nanoemulsions stabilized by chickpea protein isolate-stevioside complex. Journal of the Science of Food and Agriculture 102; 2022. 1872-1882.
- Xiao-Yan Wang and Marie-Claude Heuzey (2016): Chitosan-Based Conventional and Pickering Emulsions with Long-Term Stability. Langmuir 32, 4; 2016. 929–936.
- Bordes, C.; Bolzinger, M.-A.; El Achak, M.; Pirot, F.; Arquier, D.; Agusti, G.; Chevalier, Y. (2021): Formulation of Pickering emulsions for the development of surfactant-free sunscreen creams. International Journal of Cosmetic Science 43, 2021. 432-445.
Noderīgi fakti
Eļļa ūdenī (o/w) tipa Pikeringa emulsijas
Eļļa ūdenī tipa Pikeringa emulsija ir emulsija, kurā eļļas pilieni ir disperģēti ūdenī kā nepārtrauktajā fāzē. Šī tipa Pikeringa emulsijas parasti stabilizē nanodaļiņas, kuru kontakta leņķis ir mazāks par 90º. o/w Pikeringa emulsijas var stabilizēt, piemēram, izmantojot pirogēnā silīcija dioksīda vai Fe3O4 nanodaļiņas. Šo Pikeringa emulsiju eļļas fāzi var veidot, piemēram, attiecīgi dodekāns, oktadecenildzintarskābes anhidrīds (ODSA), toluols un butilbutirāts ūdenī.
Ūdens eļļā (w/o) tipa Pikeringa emulsijas
Ūdens eļļā tipa Pikeringa emulsijās ūdens pilieni veido disperso fāzi, bet eļļa – nepārtraukto fāzi. Nanodaļiņas, kuru kontakta leņķis ir lielāks par 90º, ir vislabākie stabilizatori šī tipa emulsijām. o/w Pikeringa emulsijas var stabilizēt, izmantojot magnētiskās nanodaļiņas.
Sarežģītas Pikeringa emulsijas
Dubultās vai vairākkārtējās Pikeringa emulsijas (w/o/w vai o/w/o) ir sarežģītas polidispersas sistēmas, kurās sīki pilieni ir suspendēti lielākos pilienos, kas savukārt ir suspendēti nepārtrauktajā fāzē. Vairākkārtējo Pikeringa emulsiju iegūšanai veic divpakāpju emulģēšanas procesu: w/o/w emulsijas gadījumā pirmajā emulģēšanas posmā w/o emulsiju stabilizē hidrofobas nanodaļiņas; otrajā emulģēšanas posmā kā stabilizatoru izmanto hidrofilas nanodaļiņas. Vairākkārtējās emulsijas var veidot kā ūdens eļļā ūdenī (w/o/w) vai eļļa ūdenī eļļā (o/w/o) tipa emulsijas.
w/o/w emulsijas bieži izmanto kā nesējvides / nesējus dažādiem hidrofiliem aktīvajiem savienojumiem un zālēm (piemēram, vitamīniem, antioksidantiem, fermentiem, vakcīnām, hormoniem), kas pēc tam lēni atbrīvojas. Tā kā dažas aktīvās vielas migrē arī no vairākkārtējās emulsijas ārējās fāzes uz iekšējo fāzi, šādas w/o/w emulsijas lieliski nodrošina aktīvo vielu aizkavētu / ilgstošu atbrīvošanu.
Tiltu veidošanās starp pilieniem
Unikāla parādība, kas rodas dažās Pikeringa emulsiju sistēmās, ir tiltu veidošanās starp pilieniem. Koloidālās daļiņas, kas izvirzās no piliena virsmas, var vienlaikus adsorbēties uz citas robežvirsmas, savienojot divus pilienus ar tiltu. Tiltus veido koloidālo daļiņu monoslāņi, un pilienus atdala tikai plāna nepārtrauktās fāzes plēvīte.