Emulsies Pickeren met Power Ultrasonics
- Pickering-emulsies worden gestabiliseerd door vaste deeltjes.
- Pickering-emulsies overtuigen door hun "emulgator-vrije" karakter en hun verbeterde stabiliteit.
- Ultrasoon is het perfecte hulpmiddel om Pickering-emulsies te creëren 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 worden beschouwd als "emulgator-vrij" of “oppervlakteactieve stofvrij” omdat ze gestabiliseerd worden door vaste deeltjes. Als olie en water worden gemengd en kleine oliedruppeltjes worden gevormd en door het water worden verspreid, zullen de druppeltjes uiteindelijk samenklonteren om de hoeveelheid energie in het systeem te verminderen. Als er echter vaste deeltjes aan het mengsel worden toegevoegd, zullen deze zich binden aan het oppervlak van het grensvlak en voorkomen dat de druppels samenklonteren, waardoor de emulsie stabieler wordt.
De vorming zonder emulgator is vooral interessant voor de formulering van producten waarvoor het gebruik van oppervlakteactieve stoffen negatieve effecten heeft, bijvoorbeeld voor farmaceutische en cosmetische producten. Bovendien vertonen Pickering-emulsies een verbeterde stabiliteit in vergelijking met emulsies die gestabiliseerd worden door conventionele emulgatoren. De druppelcoating van vaste deeltjes fungeert als een harde barrière tegen coalescentie. Dit betekent dat zelfs sterk geconcentreerde emulsies efficiënt kunnen worden gestabiliseerd als Pickering-emulsies. De vaste nanodeeltjes, die geadsorbeerd worden tussen het olie-water grensvlak, worden gedeeltelijk ondergedompeld in water en oliemedium, zodat de stabiliserende nanodeeltjes hydrofiele, hydrofobe of amfifiele eigenschappen kunnen hebben. De deeltjesvorm en de deeltjesgrootte hebben ook invloed op de stabiliteit van de emulsie.
Ultrasone reactor voor emulsies
De hoge mechanische schuifkrachten van ultrasone homogenisatie overwinnen de energiebarrière tussen de fase-interfaces. Bovendien breekt sonicatie de aggregaten en agglomeraten van nanodeeltjes en creëert een zeer polydisperse emulsie.
Sonificatie wordt gebruikt voor beide stappen van de bereiding van een pickeringemulsie:
- om de geadsorbeerde deeltjes in de waterfase te dispergeren
- om het o/w-mengsel te emulgeren
Pickering-emulsie met silica
Eerst werden hydrofiele pyrogeen kiezelzuurpoeders (zoals Aerosil® 200 of Aerosil® 380) met behulp van een ultrasoon apparaat als agglomeraten van 100 nm in water gedispergeerd.
In de tweede stap werden stabiele o/w-emulsies met 20 wt% olie en druppeltjes met een diameter van 2-10 nm bereid door middel van sonicatie.
Om stabiele, transparante emulsies van butanol, ethylacetaat, butyllactaat en diethyldipaat in de waterfase te verkrijgen was 6% silica nodig. Voor diisobutyladipaat is ten minste 8% silica nodig om een stabiele emulsie te verkrijgen.
Alle bereide emulsies bleken minstens 6 maanden stabiel.
Terwijl zowel kaal als gefunctionaliseerd silica (SiO2) is een van de meest gebruikte deeltjes, andere deeltjes zoals
- fe3O4,
- hydroxyapatiet,
- monodispers polystyreen latexdeeltjes,
- cyclodextrine en maltodextrine,
- halloysiet-nanobuisjes,
- hematiet (α-Fe2O3) microdeeltjes,
- poly(methylmethacrylaat) (PMMA),
- onoplosbare chitosan/gelatine-B complexdeeltjes
onder vele andere vaste deeltjes zijn 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
Olie-in-water Pickering-emulsie verwijst naar een emulsie waarbij oliedruppeltjes gedispergeerd zijn in water als continue fase. Dit type Pickering-emulsie wordt over het algemeen gestabiliseerd door nanodeeltjes waarvan de contacthoek kleiner is dan 90º. o/w Pickering-emulsies kunnen bijvoorbeeld gestabiliseerd worden door het gebruik van pyrogeen kiezelzuur, Fe3O4 nanodeeltjes. De oliefase van deze Pickering-emulsies kan bijvoorbeeld bestaan uit respectievelijk dodecaan, octadecenyl succinic anhydride (ODSA), tolueen en butylbutyraat in water.
Water-in-olie (w/o) Pickering-emulsies
Water-in-olie Pickering-emulsies bevatten druppels water als gedispergeerde fase en olie als continue fase. Nanodeeltjes met een contacthoek groter dan 90º zijn de beste stabilisatoren voor dit soort 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 waarbij kleine druppeltjes gesuspendeerd zijn binnen grotere druppels die bovendien gesuspendeerd zijn in een continue fase. Voor meervoudige Pickering-emulsies wordt een emulgeerproces in twee stappen uitgevoerd: Voor een w/o/w emulsie wordt in de eerste emulsiestap de w/o emulsie gestabiliseerd door hydrofobe nanodeeltjes; in de tweede emulsiestap worden hydrofiele nanodeeltjes gebruikt als stabilisator. 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 vehikel / drager voor verschillende hydrofiele actieve stoffen en geneesmiddelen (bijv. vitaminen, antioxidanten, enzymen, vaccins, hormonen), die dan langzaam vrijkomen. Aangezien sommige actieve stoffen ook migreren van de buitenste naar de binnenste fase van een meervoudige emulsie, werken zulke w/o/w-emulsies perfect voor de vertraagde afgifte / afgifte op lange termijn van de actieve stoffen.
Druppelbruggen
Een uniek fenomeen dat voorkomt in sommige Pickering-emulsiesystemen is druppeloverbrugging. Colloïden die uitsteken aan het oppervlak van een druppel kunnen tegelijkertijd adsorberen aan een ander grensvlak, waardoor twee druppels worden overbrugd. De bruggen bestaan uit monolagen van colloïdale deeltjes en de druppels worden slechts gescheiden door een dunne film van de continue fase.
