Pickeringemulsioner med högeffektsultraljud
- Pickeringemulsioner stabiliseras av fasta partiklar.
- Pickeringemulsioner övertygar genom sin ”emulgeringsmedelsfria” karaktär och sin förbättrade stabilitet.
- Ultraljud är det perfekta verktyget för att framställa Pickeringemulsioner genom att först dispergera de stabiliserande partiklarna i vattenfasen och sedan emulgera olje-/vattenfasen.
Pickeringemulsioner
Pickeringemulsioner stabiliseras av adsorberade fasta partiklar i stället för av ett emulgeringsmedel eller en tensid. Därmed kan Pickeringemulsioner betraktas som ”emulgeringsmedelsfria” eller ”tensidfria”, eftersom de stabiliseras av fasta partiklar. Om olja och vatten blandas och små oljedroppar bildas och dispergeras i hela vattenvolymen, kommer dropparna så småningom att koalescera för att minska energimängden i systemet. Om fasta partiklar däremot tillsätts till blandningen binder de till gränsytan och hindrar dropparna från att koalescera, vilket gör emulsionen stabilare.
Framställning utan emulgeringsmedel är särskilt intressant vid formulering av produkter där användningen av tensider har negativa effekter, exempelvis läkemedel och kosmetiska produkter. Dessutom uppvisar Pickeringemulsioner förbättrad stabilitet jämfört med emulsioner som stabiliseras av konventionella emulgeringsmedel. Dropparnas beläggning av fasta partiklar fungerar som en styv barriär mot koalescens. Detta innebär att även högkoncentrerade emulsioner effektivt kan stabiliseras som Pickeringemulsioner. De fasta nanopartiklarna, som är adsorberade vid olje–vattengränsytan, är delvis nedsänkta i vatten- och oljemediet, vilket innebär att de stabiliserande nanopartiklarna kan ha hydrofila, hydrofoba eller amfifila egenskaper. Även partiklarnas form och storlek påverkar emulsionens stabilitet.
Ultraljudsreaktor för emulsioner
De starka mekaniska skjuvkrafterna vid ultraljudshomogenisering övervinner energibarriären mellan fasernas gränsytor. Dessutom bryter ultraljudsbehandling sönder aggregat och agglomerat av nanopartiklar och skapar en mycket polydispers emulsion.
Ultraljudsbehandling används i båda stegen vid framställning av en Pickeringemulsion:
- för att dispergera de adsorberade partiklarna i vattenfasen
- för att emulgera o/w-blandningen
Pickeringemulsion med kiseldioxid
Först dispergerades hydrofilt pyrogent kiseldioxidpulver (såsom Aerosil® 200 eller Aerosil® 380) som 100nm stora agglomerat i vatten med hjälp av en ultraljudsapparat.
I det andra steget framställdes stabila o/w-emulsioner med 20 wt% olja och en droppdiameter på 2–10nm genom ultraljudsbehandling.
För att erhålla stabila, transparenta emulsioner av butanol, etylacetat, butyllaktat och dietyladipat i vattenfasen krävdes 6% kiseldioxid. För diisobutyladipat krävs minst 8% kiseldioxid för att erhålla en stabil emulsion.
Alla framställda emulsioner har visat sig vara stabila i minst 6 månader.
Även om såväl omodifierad som funktionaliserad kiseldioxid (SiO2) är en av de vanligaste partikeltyperna, har andra partiklar såsom
- Fe3O4,
- hydroxiapatit,
- monodispersa polystyrenbaserade latexpartiklar,
- cyklodextrin och maltodextrin,
- halloysitnanorör,
- mikropartiklar av hematit (α-Fe2O3),
- poly(metylmetakrylat) (PMMA),
- olösliga komplexpartiklar av kitosan/gelatin-B
bland många andra fasta partiklar, med framgång använts för att framställa stabila Pickeringemulsioner.
Litteratur / Referenser
- 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.
Värt att veta
Pickeringemulsioner av olja i vatten (o/w)
En Pickeringemulsion av olja i vatten är en emulsion där oljedroppar är dispergerade i vatten som kontinuerlig fas. Denna typ av Pickeringemulsioner stabiliseras i allmänhet av nanopartiklar vars kontaktvinkel är mindre än 90º. Pickeringemulsioner av typen o/w kan stabiliseras exempelvis genom användning av pyrogen kiseldioxid eller nanopartiklar av Fe3O4 . Oljefasen i dessa Pickeringemulsioner kan exempelvis bestå av dodekan, oktadecenylbärnstenssyraanhydrid (ODSA), toluen respektive butylbutyrat i vatten.
Pickeringemulsioner av vatten i olja (w/o)
Pickeringemulsioner av vatten i olja innehåller vattendroppar som dispergerad fas och olja som kontinuerlig fas. Nanopartiklar med en kontaktvinkel större än 90º är de bästa stabiliseringsmedlen för dessa typer av emulsioner. Pickeringemulsioner av typen o/w kan stabiliseras genom användning av magnetiska nanopartiklar.
Komplexa Pickeringemulsioner
Dubbla eller multipla Pickeringemulsioner (w/o/w eller o/w/o) är komplexa polydispersa system där mycket små droppar är suspenderade i större droppar som i sin tur är suspenderade i en kontinuerlig fas. För multipla Pickeringemulsioner genomförs en emulgeringsprocess i två steg: För en w/o/w-emulsion stabiliseras w/o-emulsionen i det första emulgeringssteget av hydrofoba nanopartiklar; i det andra emulgeringssteget används hydrofila nanopartiklar som stabiliseringsmedel. Multipla emulsioner kan bildas som vatten i olja i vatten (w/o/w) eller olja i vatten i olja (o/w/o).
w/o/w-emulsioner används ofta som vehiklar / bärare för olika hydrofila aktiva föreningar och läkemedel (t.ex. vitaminer, antioxidanter, enzymer, vacciner, hormoner), som sedan frisätts långsamt. Eftersom vissa aktiva substanser också migrerar från den yttre till den inre fasen i en multipel emulsion fungerar sådana w/o/w-emulsioner perfekt för tillförsel av de aktiva substanserna med fördröjd frisättning / förlängd frisättning.
Bryggbildning mellan droppar
Ett unikt fenomen som förekommer i vissa system med Pickeringemulsioner är bryggbildning mellan droppar. Kolloider som sticker ut från en droppes yta kan samtidigt adsorberas till en annan gränsyta och därmed bilda en brygga mellan två droppar. Bryggorna består av monolager av kolloidala partiklar och dropparna skiljs endast åt av en tunn film av den kontinuerliga fasen.