Emulsje Pickering z ultradźwiękami mocy
- Emulsje Pickeringa są stabilizowane przez cząstki stałe.
- Emulsje Pickering przekonują swoim "wolnym od emulgatorów" charakterem i zwiększoną stabilnością.
- Ultradźwięki są doskonałym narzędziem do tworzenia emulsji Pickeringa, najpierw rozpraszając cząstki stabilizujące w fazie wodnej, a następnie emulgując fazę olej/woda.
Emulsje Pickeringa
Emulsje Pickeringa są stabilizowane przez zaadsorbowane cząstki stałe zamiast emulgatora lub środka powierzchniowo czynnego. W ten sposób emulsje Pickeringa można uznać za "wolne od emulgatora" lub “bez środków powierzchniowo czynnych” ponieważ są stabilizowane przez cząstki stałe. Jeśli olej i woda zostaną zmieszane, a małe kropelki oleju zostaną uformowane i rozproszone w wodzie, ostatecznie kropelki ulegną koalescencji, aby zmniejszyć ilość energii w układzie. Jeśli jednak do mieszaniny zostaną dodane cząstki stałe, będą one wiązać się z powierzchnią interfejsu i zapobiegać koalescencji kropelek, dzięki czemu emulsja będzie bardziej stabilna.
Tworzenie emulsji bez emulgatora jest szczególnie interesujące w przypadku formułowania produktów, w przypadku których stosowanie środków powierzchniowo czynnych ma negatywne skutki, np. w przypadku produktów farmaceutycznych i kosmetycznych. Ponadto emulsje Pickeringa wykazują zwiększoną stabilność w porównaniu do emulsji stabilizowanych konwencjonalnymi emulgatorami. Powłoka kropli cząstek stałych działa jako sztywna bariera zapobiegająca koalescencji. Oznacza to, że nawet wysoce stężone emulsje mogą być skutecznie stabilizowane jako emulsje Pickeringa. Stałe nanocząstki, które są adsorbowane między interfejsem olej-woda, są częściowo zanurzone w wodzie i medium olejowym, dzięki czemu stabilizujące nanocząstki mogą mieć właściwości hydrofilowe, hydrofobowe lub amfifilowe. Kształt i wielkość cząstek również wpływają na stabilność emulsji.
Reaktor ultradźwiękowy do emulsji
Wysokie mechaniczne siły ścinające homogenizacji ultradźwiękowej pokonują barierę energetyczną między interfejsami faz. Ponadto sonikacja rozbija agregaty i aglomeraty nanocząstek i tworzy wysoce polidyspersyjną emulsję.
Sonikacja jest stosowana na obu etapach przygotowania emulsji trawiącej:
- rozproszenie zaadsorbowanych cząstek w fazie wodnej
- do emulgowania mieszaniny o/w
Emulsja Pickeringa z krzemionką
Na początku hydrofilowe proszki zmatowionej krzemionki (takie jak Aerosil® 200 lub Aerosil® 380) rozproszono jako aglomeraty 100 nm w wodzie za pomocą urządzenia ultradźwiękowego.
W drugim etapie, stabilne emulsje o/w z 20% mas. oleju i kroplami o średnicy 2-10nm zostały przygotowane przez sonikację.
Do uzyskania stabilnych, przezroczystych emulsji butanolu, octanu etylu, mleczanu butylu i adypinianu dietylu w fazie wodnej wymagane było 6% krzemionki. W przypadku adypinianu diizobutylu do uzyskania stabilnej emulsji wymagane jest co najmniej 8% krzemionki.
Wszystkie przygotowane emulsje wykazały stabilność przez co najmniej 6 miesięcy.
Zarówno goła, jak i funkcjonalizowana krzemionka (SiO2) jest jedną z najczęściej używanych cząsteczek, inne cząsteczki takie jak
- fe3O4,
- hydroksyapatyt,
- polistyren monodyspersyjny cząsteczki lateksu,
- cyklodekstryna i maltodekstryna,
- nanorurki haloizytowe,
- hematyt (α-Fe2O3),
- poli(metakrylan metylu) (PMMA),
- nierozpuszczalne cząstki kompleksu chitozan/żelatyna-B
wiele innych cząstek stałych zostało z powodzeniem wykorzystanych do stworzenia stabilnych emulsji Pickeringa.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Emulsje Pickeringa typu olej w wodzie (o/w)
Emulsja Pickeringa typu olej w wodzie odnosi się do emulsji, w której kropelki oleju są rozproszone w wodzie jako fazie ciągłej. Ten typ emulsji Pickeringa jest zazwyczaj stabilizowany przez nanocząstki, których kąt zwilżania jest mniejszy niż 90º. Emulsje Pickeringa typu o/w mogą być stabilizowane np. przez zastosowanie zmatowionej krzemionki, Fe3O4 nanocząstki. Faza olejowa tych emulsji Pickeringa może składać się np. z dodekanu, bezwodnika oktadecenylobursztynowego (ODSA), toluenu i maślanu butylu w wodzie.
Emulsje Pickeringa typu woda w oleju (w/o)
Emulsje Pickeringa typu woda w oleju zawierają krople wody jako fazę rozproszoną i olej jako fazę ciągłą. Nanocząstki o kącie zwilżania większym niż 90º są najlepszymi środkami stabilizującymi dla tego typu emulsji. Emulsje Pickeringa typu woda-w-olej można stabilizować za pomocą magnetycznych nanocząstek.
Złożone emulsje Pickeringa
Podwójne lub wielokrotne emulsje Pickeringa (w/o/w lub o/w/o) są złożonymi układami polidyspersyjnymi, w których małe kropelki są zawieszone w większych kropelkach, które są ponadto zawieszone w fazie ciągłej. W przypadku emulsji wielokrotnych Pickeringa przeprowadzany jest dwuetapowy proces emulgowania: W przypadku emulsji w/o/w, w pierwszym etapie emulsyfikacji, emulsja w/o jest stabilizowana przez hydrofobowe nanocząstki; w drugim etapie emulsyfikacji, hydrofilowe nanocząstki są stosowane jako stabilizator. Emulsje wielokrotne mogą być tworzone jako woda-w-oleju-w-wodzie (w/o/w) lub olej-w-wodzie-w-oleju (o/w/o).
Emulsje w/o/w są często stosowane jako nośniki dla różnych hydrofilowych związków aktywnych i leków (np. witamin, przeciwutleniaczy, enzymów, szczepionek, hormonów), które są następnie powoli uwalniane. Ponieważ niektóre substancje czynne migrują również z fazy zewnętrznej do wewnętrznej emulsji wielokrotnej, takie emulsje w/o/w doskonale nadają się do opóźnionego uwalniania / dostarczania substancji czynnych o przedłużonym uwalnianiu.
Mostkowanie kropel
Unikalnym zjawiskiem występującym w niektórych układach emulsyjnych Pickeringa jest mostkowanie kropel. Koloidy wystające z powierzchni kropli mogą jednocześnie adsorbować się na innym interfejsie, łącząc dwie krople. Mostki składają się z monowarstw cząstek koloidalnych, a kropelki są oddzielone jedynie cienką warstwą fazy ciągłej.
