Pickering-emulsies met ultrasoontechnologie met hoog vermogen
- Pickering-emulsies worden gestabiliseerd door vaste deeltjes.
- Pickering-emulsies overtuigen door hun “emulgatorvrije” karakter en hun verhoogde stabiliteit.
- Ultrasoontechnologie is het perfecte hulpmiddel om Pickering-emulsies te maken door eerst de stabiliserende deeltjes in de waterfase te dispergeren en vervolgens de olie/waterfase te emulgeren.
Pickering-emulsies
Pickering-emulsies worden gestabiliseerd door geadsorbeerde vaste deeltjes in plaats van door een emulgator of oppervlakteactieve stof. Daardoor kunnen Pickering-emulsies als “emulgatorvrij” of “vrij van oppervlakteactieve stoffen” worden beschouwd, aangezien ze door vaste deeltjes worden gestabiliseerd. Wanneer olie en water worden gemengd en kleine oliedruppeltjes worden gevormd en door het water worden verspreid, zullen de druppeltjes uiteindelijk samenvloeien om de hoeveelheid energie in het systeem te verminderen. Als er echter vaste deeltjes aan het mengsel worden toegevoegd, zullen deze zich aan het grensvlak binden en voorkomen dat de druppeltjes samenvloeien, waardoor de emulsie stabieler wordt.
De vorming zonder emulgator is vooral interessant voor de formulering van producten waarbij het gebruik van oppervlakteactieve stoffen negatieve effecten heeft, bijvoorbeeld farmaceutische en cosmetische producten. Bovendien vertonen Pickering-emulsies een verhoogde stabiliteit in vergelijking met emulsies die door conventionele emulgatoren worden gestabiliseerd. De laag vaste deeltjes rond de druppeltjes fungeert als een starre barrière tegen coalescentie. Dit betekent dat zelfs sterk geconcentreerde emulsies efficiënt als Pickering-emulsies kunnen worden gestabiliseerd. De vaste nanodeeltjes, die aan het olie–watergrensvlak zijn geadsorbeerd, bevinden zich gedeeltelijk in het watermedium en gedeeltelijk in het oliemedium, zodat de stabiliserende nanodeeltjes hydrofiele, hydrofobe of amfifiele eigenschappen kunnen hebben. Ook de vorm en grootte van de deeltjes beïnvloeden de stabiliteit van de emulsie.
Ultrasone reactor voor emulsies
De hoge mechanische afschuifkrachten van ultrasone homogenisatie overwinnen de energiebarrière tussen de fasegrensvlakken. Bovendien breekt sonicatie de aggregaten en agglomeraten van nanodeeltjes op en creëert ze een sterk polydisperse emulsie.
Sonicatie wordt gebruikt voor beide stappen van de bereiding van een Pickering-emulsie:
- om de geadsorbeerde deeltjes in de waterfase te dispergeren
- om het o/w-mengsel te emulgeren
Pickering-emulsie met silica
Eerst werden hydrofiele poeders van pyrogene silica (zoals Aerosil® 200 of Aerosil® 380) met een ultrasoon apparaat als agglomeraten van 100nm in water gedispergeerd.
In de tweede stap werden door sonicatie stabiele o/w-emulsies met 20 wt% olie en druppeltjes met een diameter van 2–10nm bereid.
Om stabiele, transparante emulsies van butanol, ethylacetaat, butyllactaat en diethyladipaat in de waterige fase te verkrijgen, was 6% silica nodig. Voor di-isobutyladipaat is ten minste 8% silica nodig om een stabiele emulsie te verkrijgen.
Alle bereide emulsies bleken gedurende ten minste 6 maanden stabiel te zijn.
Hoewel zowel ongemodificeerde als gefunctionaliseerde silica (SiO2) tot de meest gebruikte deeltjes behoort, zijn andere deeltjes zoals
- Fe3O4,
- hydroxyapatiet,
- monodisperse latexdeeltjes van polystyreen,
- cyclodextrine en maltodextrine,
- nanobuisjes van halloysiet,
- hematiet (α-Fe2O3) in de vorm van microdeeltjes,
- poly(methylmethacrylaat) (PMMA),
- onoplosbare complexdeeltjes van chitosan/gelatine-B
naast vele andere vaste deeltjes met succes gebruikt om stabiele Pickering-emulsies te maken.
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Olie-in-water (o/w) Pickering-emulsies
Een olie-in-water Pickering-emulsie is een emulsie waarin oliedruppeltjes zijn gedispergeerd in water als continue fase. Dit type Pickering-emulsie wordt doorgaans gestabiliseerd door nanodeeltjes waarvan de contacthoek kleiner is dan 90º. o/w Pickering-emulsies kunnen bijvoorbeeld worden gestabiliseerd door het gebruik van pyrogene silica en nanodeeltjes van Fe3O4 . De oliefase van deze Pickering-emulsies kan bijvoorbeeld bestaan uit respectievelijk dodecaan, octadecenylbarnsteenzuuranhydride (ODSA), tolueen en butylbutyraat in water.
Water-in-olie (w/o) Pickering-emulsies
Water-in-olie Pickering-emulsies bevatten waterdruppeltjes als gedispergeerde fase en olie als continue fase. Nanodeeltjes met een contacthoek groter dan 90º zijn de beste stabilisatoren voor deze typen emulsies. o/w Pickering-emulsies kunnen worden gestabiliseerd door het gebruik van magnetische nanodeeltjes.
Complexe Pickering-emulsies
Dubbele of meervoudige Pickering-emulsies (w/o/w of o/w/o) zijn complexe polydisperse systemen waarin zeer kleine druppeltjes zijn gesuspendeerd in grotere druppeltjes, die op hun beurt in een continue fase zijn gesuspendeerd. Voor meervoudige Pickering-emulsies wordt een emulgeerproces in twee stappen uitgevoerd: bij een w/o/w-emulsie wordt de w/o-emulsie in de eerste emulgeerstap gestabiliseerd door hydrofobe nanodeeltjes; in de tweede emulgeerstap worden hydrofiele nanodeeltjes als stabilisator gebruikt. Meervoudige emulsies kunnen worden gevormd als water-in-olie-in-water (w/o/w) of olie-in-water-in-olie (o/w/o).
w/o/w-emulsies worden vaak gebruikt als vehikels / dragers voor verschillende hydrofiele werkzame verbindingen en geneesmiddelen (bijvoorbeeld vitaminen, antioxidanten, enzymen, vaccins en hormonen), die vervolgens langzaam worden afgegeven. Omdat sommige werkzame stoffen ook vanuit de buitenste naar de binnenste fase van een meervoudige emulsie migreren, werken dergelijke w/o/w-emulsies perfect voor de vertraagde afgifte / langdurige afgifte van de werkzame stoffen.
Brugvorming tussen druppeltjes
Een uniek verschijnsel dat in sommige systemen met Pickering-emulsies optreedt, is brugvorming tussen druppeltjes. Colloïden die uit het oppervlak van een druppeltje steken, kunnen tegelijkertijd aan een ander grensvlak adsorberen en zo een brug tussen twee druppeltjes vormen. De bruggen bestaan uit monolagen van colloïdale deeltjes en de druppeltjes worden slechts gescheiden door een dunne film van de continue fase.