Emulsje Pickeringa z wykorzystaniem ultradźwięków dużej mocy
- Emulsje Pickeringa są stabilizowane przez cząstki stałe.
- Emulsje Pickeringa przekonują swoim charakterem „bez emulgatorów” i zwiększoną stabilnością.
- Ultradźwięki są idealnym narzędziem do wytwarzania emulsji Pickeringa poprzez najpierw zdyspergowanie cząstek stabilizujących w fazie wodnej, a następnie zemulgowanie fazy olejowej i wodnej.
Emulsje Pickeringa
Emulsje Pickeringa są stabilizowane przez zaadsorbowane cząstki stałe zamiast emulgatora lub środka powierzchniowo czynnego. Dlatego emulsje Pickeringa można uznać za „wolne od emulgatorów” lub „wolne od środków powierzchniowo czynnych”, ponieważ są stabilizowane przez cząstki stałe. Jeśli olej i woda zostaną zmieszane, a małe krople oleju powstaną i zostaną rozproszone w całej objętości wody, z czasem krople ulegną koalescencji, aby zmniejszyć ilość energii w układzie. Jeśli jednak do mieszaniny doda się cząstki stałe, zwiążą się one z powierzchnią granicy faz i zapobiegną koalescencji kropli, zwiększając tym samym stabilność emulsji.
Wytwarzanie emulsji bez emulgatora jest szczególnie interesujące przy opracowywaniu formulacji produktów, w których stosowanie środków powierzchniowo czynnych ma negatywne skutki, np. produktów farmaceutycznych i kosmetycznych. Ponadto emulsje Pickeringa wykazują większą stabilność niż emulsje stabilizowane konwencjonalnymi emulgatorami. Powłoka kropli złożona z cząstek stałych działa jako sztywna bariera zapobiegająca koalescencji. Oznacza to, że nawet emulsje o wysokim stężeniu można skutecznie stabilizować jako emulsje Pickeringa. Stałe nanocząstki, zaadsorbowane na granicy faz olej–woda, są częściowo zanurzone w wodzie i oleju, dzięki czemu nanocząstki stabilizujące mogą mieć właściwości hydrofilowe, hydrofobowe lub amfifilowe. Kształt i wielkość cząstek również wpływają na stabilność emulsji.
Reaktor ultradźwiękowy do emulsji
Duże mechaniczne siły ścinające występujące podczas homogenizacji ultradźwiękowej pokonują barierę energetyczną na granicach faz. Ponadto sonikacja rozbija agregaty i aglomeraty nanocząstek oraz wytwarza emulsję o wysokiej polidyspersyjności.
Sonikację stosuje się na obu etapach przygotowania emulsji Pickeringa:
- do zdyspergowania zaadsorbowanych cząstek w fazie wodnej
- do zemulgowania mieszaniny o/w
Emulsja Pickeringa z krzemionką
Najpierw hydrofilowe proszki krzemionki pirogenicznej (takie jak Aerosil® 200 lub Aerosil® 380) zdyspergowano w wodzie w postaci aglomeratów o wielkości 100nm za pomocą urządzenia ultradźwiękowego.
W drugim etapie za pomocą sonikacji przygotowano stabilne emulsje o/w o zawartości oleju 20 wt% i średnicy kropli 2–10nm.
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.
Choć zarówno niemodyfikowana, jak i funkcjonalizowana krzemionka (SiO2) jest jednym z najczęściej stosowanych rodzajów cząstek, inne cząstki, takie jak
- Fe3O4,
- hydroksyapatyt,
- monodyspersyjne polistyrenowe cząstki lateksu,
- cyklodekstryna i maltodekstryna,
- nanorurki haloizytowe,
- mikrocząstki hematytu (α-Fe2O3),
- poli(metakrylan metylu) (PMMA),
- nierozpuszczalne cząstki kompleksu chitozan/żelatyna-B
wśród wielu innych cząstek stałych zostały z powodzeniem wykorzystane do wytwarzania stabilnych emulsji Pickeringa.
Literatura / Źródła
- 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.
Warto wiedzieć
Emulsje Pickeringa typu olej w wodzie (o/w)
Emulsja Pickeringa typu olej w wodzie to emulsja, w której krople oleju są rozproszone w wodzie stanowiącej fazę ciągłą. Ten typ emulsji Pickeringa jest zazwyczaj stabilizowany przez nanocząstki, których kąt zwilżania jest mniejszy niż 90º. Emulsje Pickeringa o/w można stabilizować np. przy użyciu krzemionki pirogenicznej i nanocząstek Fe3O4 . Fazę olejową tych emulsji Pickeringa mogą stanowić np. odpowiednio dodekan, bezwodnik oktadecenylobursztynowy (ODSA), toluen i maślan 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 te typy emulsji. Emulsje Pickeringa o/w można stabilizować przy użyciu nanocząstek magnetycznych.
Złożone emulsje Pickeringa
Podwójne lub wielokrotne emulsje Pickeringa (w/o/w lub o/w/o) to złożone układy polidyspersyjne, w których drobne krople są zawieszone wewnątrz większych kropli, z kolei zawieszonych w fazie ciągłej. W przypadku wielokrotnych emulsji Pickeringa przeprowadza się dwuetapowy proces emulgowania: w przypadku emulsji w/o/w w pierwszym etapie emulgowania emulsja w/o jest stabilizowana przez nanocząstki hydrofobowe; w drugim etapie emulgowania jako stabilizator stosuje się nanocząstki hydrofilowe. Emulsje wielokrotne mogą powstawać jako układy 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 różnych hydrofilowych związków aktywnych i leków (np. witamin, przeciwutleniaczy, enzymów, szczepionek, hormonów), które następnie są powoli uwalniane. Ponieważ niektóre substancje aktywne migrują również z fazy zewnętrznej do fazy wewnętrznej emulsji wielokrotnej, takie emulsje w/o/w doskonale sprawdzają się w dostarczaniu substancji aktywnych z opóźnionym / przedłużonym uwalnianiem.
Mostkowanie kropli
Wyjątkowym zjawiskiem występującym w niektórych układach emulsji Pickeringa jest mostkowanie kropli. Koloidy wystające z powierzchni kropli mogą jednocześnie adsorbować się na innej granicy faz, tworząc mostek między dwiema kroplami. Mostki składają się z monowarstw cząstek koloidalnych, a krople są rozdzielone jedynie cienką warstwą fazy ciągłej.