Pickeringove emulzije z ultrazvokom visoke moči
- Pickeringove emulzije so stabilizirane s trdnimi delci.
- Pickeringove emulzije prepričajo s svojo naravo »brez emulgatorjev« in večjo stabilnostjo.
- Ultrazvok je popolno orodje za pripravo Pickeringovih emulzij, saj najprej dispergira stabilizacijske delce v vodni fazi, nato pa emulgira oljno/vodno fazo.
Pickeringove emulzije
Pickeringove emulzije so stabilizirane z adsorbiranimi trdnimi delci namesto z emulgatorjem ali površinsko aktivno snovjo. Zato lahko Pickeringove emulzije obravnavamo kot emulzije »brez emulgatorjev« ali »brez površinsko aktivnih snovi«, saj so stabilizirane s trdnimi delci. Če olje in vodo zmešamo ter nastanejo majhne oljne kapljice, ki se dispergirajo po vodi, bodo kapljice sčasoma koalescirale, da bi se zmanjšala količina energije v sistemu. Če pa zmesi dodamo trdne delce, se ti vežejo na medfazno površino in preprečijo koalescenco kapljic, zaradi česar je emulzija stabilnejša.
Priprava brez emulgatorja je posebej zanimiva za formuliranje izdelkov, pri katerih ima uporaba površinsko aktivnih snovi negativne učinke, npr. farmacevtskih in kozmetičnih izdelkov. Poleg tega Pickeringove emulzije izkazujejo večjo stabilnost v primerjavi z emulzijami, stabiliziranimi z običajnimi emulgatorji. Plast trdnih delcev na kapljicah deluje kot toga pregrada proti koalescenci. To pomeni, da lahko tudi zelo koncentrirane emulzije učinkovito stabiliziramo kot Pickeringove emulzije. Trdni nanodelci, adsorbirani na meji med oljem in vodo, so delno potopljeni v vodni in oljni medij, zato imajo lahko stabilizacijski nanodelci hidrofilne, hidrofobne ali amfifilne lastnosti. Na stabilnost emulzije vplivata tudi oblika in velikost delcev.
Ultrazvočni reaktor za emulzije
Velike mehanske strižne sile pri ultrazvočni homogenizaciji premagajo energijsko pregrado med faznimi mejami. Poleg tega sonikacija razbije agregate in aglomerate nanodelcev ter ustvari zelo polidisperzno emulzijo.
Sonikacija se uporablja v obeh korakih priprave Pickeringove emulzije:
- za dispergiranje adsorbiranih delcev v vodni fazi
- za emulgiranje zmesi o/w
Pickeringova emulzija s silicijevim dioksidom
Najprej so hidrofilne praške pirogenega silicijevega dioksida (kot sta Aerosil® 200 ali Aerosil® 380) z ultrazvočno napravo dispergirali v vodi v obliki aglomeratov velikosti 100nm.
V drugem koraku so s sonikacijo pripravili stabilne emulzije o/w z 20 wt% olja in kapljicami s premerom 2–10nm.
Za pridobitev stabilnih, prozornih emulzij butanola, etil acetata, butil laktata in dietil adipata v vodni fazi je bilo potrebnih 6% silicijevega dioksida. Pri diizobutil adipatu je za pridobitev stabilne emulzije potrebnih vsaj 8% silicijevega dioksida.
Vse pripravljene emulzije so se izkazale za stabilne vsaj 6 mesecev.
Čeprav je tako nefunkcionalizirani kot funkcionalizirani silicijev dioksid (SiO2) ena najpogosteje uporabljenih vrst delcev, so bili tudi drugi delci, kot so
- Fe3O4,
- hidroksiapatit,
- monodisperzni polistirenski delci lateksa,
- ciklodekstrin in maltodekstrin,
- halojzitne nanocevke,
- hematitni (α-Fe2O3) mikrodelci,
- poli(metil metakrilat) (PMMA),
- netopni delci kompleksa hitozan/želatina-B
med številnimi drugimi trdnimi delci uspešno uporabljeni za pripravo stabilnih Pickeringovih emulzij.
Literatura / reference
- 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.
Koristna dejstva
Pickeringove emulzije olja v vodi (o/w)
Pickeringova emulzija olja v vodi je emulzija, v kateri so oljne kapljice dispergirane v vodi kot zvezni fazi. Ta vrsta Pickeringovih emulzij je običajno stabilizirana z nanodelci, katerih kontaktni kot je manjši od 90º. Pickeringove emulzije o/w lahko stabiliziramo npr. z uporabo pirogenega silicijevega dioksida in nanodelcev Fe3O4 . Oljno fazo teh Pickeringovih emulzij lahko sestavljajo npr. dodekan, anhidrid oktadeceniljantarne kisline (ODSA), toluen oziroma butil butirat v vodi.
Pickeringove emulzije vode v olju (w/o)
Pickeringove emulzije vode v olju vsebujejo vodne kapljice kot dispergirano fazo in olje kot zvezno fazo. Nanodelci s kontaktnim kotom, večjim od 90º, so najboljša stabilizacijska sredstva za te vrste emulzij. Pickeringove emulzije o/w lahko stabiliziramo z uporabo magnetnih nanodelcev.
Kompleksne Pickeringove emulzije
Dvojne ali večkratne Pickeringove emulzije (w/o/w ali o/w/o) so kompleksni polidisperzni sistemi, v katerih so drobne kapljice suspendirane znotraj večjih kapljic, te pa so suspendirane v zvezni fazi. Pri večkratnih Pickeringovih emulzijah se izvaja dvostopenjski postopek emulgiranja: pri emulziji w/o/w se v prvem koraku emulgiranja emulzija w/o stabilizira s hidrofobnimi nanodelci; v drugem koraku emulgiranja se kot stabilizator uporabljajo hidrofilni nanodelci. Večkratne emulzije lahko nastanejo kot voda v olju v vodi (w/o/w) ali olje v vodi v olju (o/w/o).
Emulzije w/o/w se pogosto uporabljajo kot nosilni sistemi / nosilci za različne hidrofilne aktivne spojine in zdravila (npr. vitamine, antioksidante, encime, cepiva, hormone), ki se nato počasi sproščajo. Ker nekatere aktivne snovi prehajajo tudi iz zunanje v notranjo fazo večkratne emulzije, takšne emulzije w/o/w odlično delujejo pri dostavi aktivnih snovi z zakasnjenim / podaljšanim sproščanjem.
Premostitev kapljic
Edinstven pojav, ki se pojavlja v nekaterih sistemih Pickeringovih emulzij, je premostitev kapljic. Koloidi, ki štrlijo iz površine kapljice, se lahko hkrati adsorbirajo na drugo medfazno površino in tako premostijo dve kapljici. Mostovi so sestavljeni iz enojnih plasti koloidnih delcev, kapljici pa ločuje le tanek film zvezne faze.