NANOEMULSIONES: FORMULACIÓN Y CARACTERIZACIÓN

Transcripción

1 Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas NANOEMULSIONES: FORMULACIÓN Y CARACTERIZACIÓN Aileen Lozsán Lab. Dispersiones e Interfases Centro de Estudios Interdisciplinarios de la Física IVIC El Salvador, 1-11 Junio 216

2 Emulsiones Gf= A - T S

3 Definición MACROEMULSION NANOEMULSION Micrométricas Nanométricas < 5nm 1-1 nm Turbia Transparente - translucida Transparente G> Baja estabilidad cinética G> Estabilidad cinética (<1)% surfactante MICROEMULSION G< Estabilidad termodinámica (15-3)% surfactante

4 Aplicaciones Síntesis de Nano-Partículas Cosméticos Farmacéuticas

5 Aplicaciones Ventajas que permiten la diversidad de aplicaciones: El pequeño tamaño de gotas reduce: las fuerzas de gravedad que actúan sobre estas: Durante el almacenamiento la formación de crema o sedimentación es controlado. la floculación de las gotas. La coalescencia (gotas no deformables) fluctuaciones superficiales menos importantes; además la relación d/d es pequeña lo que previene el adelgazamiento o ruptura de la película liquida entre las gotas. Eficiencia en la liberación controlada de ingredientes activos (Ej. A través de la piel) esto debido a gran área superficial y a su pequeño tamaño. Cantidad razonable de surfactante para su preparación (5-1% para 2% O/W). Debido a su pequeño tamaño son capaces de depositarse de forma uniforme sobre un sustrato. Transparencia óptica.

6 Aplicaciones EMULSION NANOEMULSION MICROEMULSION Tamaño de gota Concentración de Surfactante Aplicaciones asociadas con el tamaño de gota: Preparación de nanopartículas con tamaños similares a las de la gotas de la nanoemulsión (Nano - reactores) Aplicaciones asociadas a la solubilización: Transporte de compuestos a través de una fase continua a la cual no son solubles, por medio de la preparación de una cápsula que logra la encapsulación y la distribución controlada de medicamentos.

7 Nanoemulsión: Apariencia Física d= 35 nm d=1 m

8 Nanoemulsión: Apariencia Física Sistema: Agua/Brij 3/Dodecano (4% S/2% O) d 11 nm IVIC

9 Métodos de Preparación Equipos mecánicos ALTA ENERGIA ENERGIA Potencial químico G= A - T S> Directa Inversión de fase BAJA ENERGIA

10 Métodos de Alta Energía: Uso de homogenizadores de alta presión, homogenizadores ultrasónicos, microfluidificadores. Las características de la nanoemulsión dependen tanto de las condiciones de operación del equipo (temperatura, presión, velocidad) como de las propiedades de los componentes. Son fácilmente implementados para la producción de nanoemulsiones a nivel industrial.

11 Métodos de Baja Energía Emulsificación Directa (Auto-emulsificación) ACEITE (AGUA), SURFACTANTE Y SOLVENTE APROPIADO AGUA (ACEITE) O/W (W/O) Energía química de disolución del solvente presente en la fase inicial Efecto Ouzo Tipo de emulsión inicial = Tipo de emulsión final No ocurre cambio en la curvatura de la capa de surfactante

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13 Métodos de Baja Energía Surfactantes Iónicos Emulsificación Directa (Auto-emulsificación) Dilución de microemulsiones 1-4 mn/m Alcohol ~ mn/m)

14 Métodos de Baja Energía Métodos de inversión de fases: (Condensación) PIC (Phase Inversion Composition) o EIP (Emulsion Inversion Point) PIT (Phase Inversion Temperature)

15 Métodos de Baja Energía Inversión de fase E PIC ó EIP PIT Cambio de condiciones de afinidad Reacciones químicas Adición de la futura fase continua Temperatura No iónicos polietoxilados W/O H2O H2O pura O/W H2O + Surf Surfactantes en general

16 Métodos de Baja Energía PIC: Composición Principio del Método Sagitani ~198 Es necesario pasar a través de un sistema en el cual está presente una fase de microemulsión [O] fase bicontinua lamelar = [O] Total GOTAS PEQUEÑAS MONODISPERSAS Bajas velocidades de adición Adecuada agitación

17 Métodos de Baja Energía PIT: Temperatura Principio del Método THLB Es necesario pasar a través de un sistema en el cual está presente una fase de microemulsión Por regla general se ha adoptado enfriar al menos 2ºC por debajo de la THLB

18 Métodos de Baja Energía PIT: Temperatura Principio del Método Dependencia de la Tensión Interfacial con la Temperatura para n-octano/agua en presencia de diferentes surfactantes no-iónicos THLB C8En(3,4,5) C1En(4,5,6) C12En(4,5,6) Una variación pequeña de temperatura provoca fuertes cambios en la tensión interfacial en las vecindades del mínimo de tensión.

19 Métodos de Baja Energía PIT: Temperatura Agitación Ligera PIT T=Ambiente W O+S Emulsión Nanoemulsión

20 Métodos de Preparación: PIT ROS=.67 95% W D. Morales, J. M. Gutierrez, M. J. Garcia-Celma and Y. C. Solans*.Langmuir 23, 19,

21 POSIBLE MECANISMO PARA LA FORMACIÓN DE NANOEMULSIONES MEDIANTE AUMENTO DE TEMPERATURA PIT REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA Formación de nanoemulsiones a partir de la fractura de la fase de microemulsión bicontinua D que ocurre cuando aumenta la hidratación de los grupos EO por reducción de la temperatura, promoviendo así un cambio en la curvatura de la capa de surfactante y en consecuencia la formación de gotas. El exceso de agua actúa como un medio de dilución

22 Variables que influencian las característica finales de las Nanoemulsiones preparadas mediante el Método PIT

23 Determinación de la Temperatura de Inversión de Fases o THLB mediante medidas de conductividad: 45 Conductividad µs/cm Temperatura ºC 45 5

24 DEPENDENCIA DE LA THLB CON LA [S] W/Brij3/Hexadecano. 2% Aceite Asociado al uso de surfactantes comerciales los cuales tienen una alta polidispersidad en el #EO Asociados a la formación de fases líquidas cristalinas. La THLB depende no sólo del tipo de emulsionante sino de su proporción en la emulsión.

25 DEPENDENCIA DE LA THLB CON LA WOR Agua/Brij3/Decano. [S]=5% La THLB depende para un surfactante comercial a concentración fija, de la proporción O/W presente en la emulsión.

26 DEPENDENCIA DEL TAMAÑO DE GOTA Y POLIDISPERSIDAD CON LA [S] Datos de Nanoemulsiones de Agua-C12EO4-Hexadecano La polidispersidad de una nanoemulsión es afectada por la cantidad de emulsionante que se introduzca en el sistema. A mayor cantidad de emulsionante menor polidispersidad y menor radio de gotas

27 DEPENDENCIA DEL TAMAÑO DE GOTA Y POLIDISPERSIDAD CON LA [S] Datos de Nanoemulsiones de Agua-C12EO4-Isohexadecano En estos sistemas no hay reglas sino tendencias pero estas dependen del sistema en estudio.

28 Estabilidad de Nanoemulsiones Maduración de Ostwald

29 Maduración de Ostwald Ecuación de Kelvin: Teoría de LSW: Lifschitz-Slezov-Wagner: dr 1 dr dt r dt r

30 Estabilidad de Nanoemulsiones obtenidas mediante PIT Influencia de la [S] Agua-C12EO4-Hexadecano P. Izquierdo, J. Esquena, Th. F. Tadros, C. Dederen, M. J. Garcia, N. Azemar, and C. Solans*. Langmuir 22, 18, 26-3.

31 Estabilidad de Nanoemulsiones obtenidas mediante PIT Influencia de la solubilidad del aceite Agua-C12EO4-HC S]=4%, WOR=8 La velocidad de Ostwald Ripening puede disminuirse empleando un aceite con poca solubilidad en agua. El cambio de aceite no modifica de forma sustancial el radio de las gotas a obtener en la emulsión.

32 ESTABILIDAD FRENTE A OR DE ACUERDO A LA NATURALEZA DEL ACEITE

33 Estudios de Estabilidad IVIC Agua/SDS/Dodecano

34 1 9 [SDS] w(m3/s) mm 4.37E-26 5mM 1.45E E-26 6mM 1.6E E-26 7mM 1.16E-26 8mM 1.15E-26 y = 8.61E-5x E+ R² = 9.82E y = 4.71E-5x + 1.6E+ R² = 9.83E mM 6mM y = 3.66E-5x E+ R² = 9.8E mm 8mM 3 mm y = 2.83E-5x E-1 R² = 9.75E-1 2 y = 2.56E-5x E-1 R² = 9.67E Lineal (5mM) D(nm)

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37 Radio promedio de Nanoemulsiones de Agua/SDS(,25%)/tridecano a diferentes Temperaturas P. Taylor / Advances in Colloid and Interface Science 16 (23)

38 IVIC Formulación de Nanoemulsiones con ingredientes biocompatibles mediante el método PIT Aceite Mineral Agua deionizada Surfactantes no iónicos: Tween 8 (T8) HLB=15. Tween 6 (T6) HLB= 14.9 Span 8 (S8) HLB= 4.3 Span 6 (S6) HLB= 4.7 Arlacel 183 (A183) HLB= 3.7

39 Variables de composición: Concentración de surfactante o relación surfactante/aceite RSO=mo/ms Concentración de fase interna ó relación agua/aceite WOR= 1*mw/(mw+mo); mw Variables de Formulación: HLBM (HLBM= X1HLB1+X2HLB2) Temperatura Salinidad Tipo de mezclas de surfactantes

40 Curva de Conductividad 1 T8-S8 T6-S2 µs/cm Cel-S8 T6-A83 1 A2-A83 T8-S6 T6-S6 T6-S8 T8-A T C 8 Mezcla T8-S8 T8-S6 T8-A83 T6-S6 T6-S8 T6-A83 T6-S2 Cel-S8 A2-A83 1 HLB 1,7 1, 1, 1,1 1,2 9,97 1,4 1,2 1,6 Proporción 54/46 56/44 57/43 52/48 58/42 23/77 49/51 53/47 D(nm) I.P. (%) 1 29, , , ,4 Separación de Fases Separación de Fases ,8

41 3 HLB=1,7 25 Influencia de los Ciclos de T ciclo 1 ciclo 2 ciclo Comparación de Tamaño HLB=1,7 14 ciclos d (nm) I.P (%) er ciclo 2do ciclo 3er ciclo 4to ciclo 12 Volumen( %) d.4 (µm)

42 Influencia de la [S] WOR RSO,25,3,35,4,45, PIT (ºC) 9 PIT DT Concentracion de Surfactante 25 Diametro(nm) 2 8 PIT DT D (nm) 212, 137, 128, 96, 16, 88, IP Diametro (nm) 45 Polidispersidad % Concentracion de Surfactante

43 Influencia del HLBM D(nm) D vs HLB D(nm) %CV HLB HLB Ciclos 9, 3 9,25 3 9, ,76 3 1,7 3 1,29 3 1,5 1, , 3 11, ,5 3 12, 3 T8-S8 PIT Tc D (nm) CV 571, 1 129, , ,2 34 1, , , , 3 154, , , ,6 1

44 14 14 D(nm) 12 %CV 1 D(nm) HLB ,25 1 1,75 11, Comparación de tamaño 12 1 % volume D vs HLB Conductividad vs Temperatura D (µm).6.7

45 3 3 HLB=1, ciclo 1 ciclo 2 ciclo Comparación de Tamaño HLB=1, er ciclo 2do ciclo 3er ciclo 4to ciclo % volume 12 ciclo 1 ciclo 2 ciclo Volumen( %) HLB=1, Comparación de tamaño. HLB 1,75 3 ciclos 2 ciclos 1 ciclo d (µm).6 ciclos d (nm) I.P (%) diameter µm ciclos d (nm) I.P (%) ,

46 25 HLB=9, HLB=11, ciclo 1 ciclo 2 ciclo Comparación de Tamaño 12 ciclo 1 ciclo 2 ciclo % volume % volume 1 ciclo ciclos 6 4 Comparación de tamaño. HLB 11, ciclos ciclos 6 2 Ciclos 4 1 ciclos µm diameter ciclos d (nm) I.P (%) µm diameter ciclos d (nm) I.P (%)

47 Influencia de la [NaCl] [NaCl] PIT (ºC) T (ºC) D (nm), , , , ,5M 5,2M 14,1M , T (ºC), ,2 1,2 M 2,5 12 Volumen% λ (µs/cm) 5 IP % 29,6 29,2 3,2 3,1.1 D (µm).2.3

48 Estabilidad a diferentes [NaCl] mm NaCl 16 14,5 M NaCl D (nm) t (dias) 3 4 5

49 Influencia de la relación WOR 3 3 WOR 9 WOR 8 WOR 7 WOR Rso=,3 25 Conductividad µs/cm Conductividad µs/cm WOR 9 WOR 8 WOR 7 WOR 6 Rso=, Temperatura ºC S/O WOR Temperatura ºC,3 PIT (ºC) ,5 PIT(ºC)

50 Influencia de la relación W/O RSO=,3 8 WOR=6 6 WOR=7 4 WOR=8 12 WOR=6 1 WOR=7 8 WOR=8 6 WOR=9 4 WOR=9 2 RSO=,5 14 Volumen% S/O WOR ,3 D (nm) IP % Diametro µm,5 D (nm) IP %

51 WOR ,3 D IP D(nm) Rso RSO=, D 9 %CV 8 6 D IP D IP 13 D(nm) WOR ,5 8WOR RSO=,5 15 Rso WOR

52 Efecto de la estructura química de la mezcla de surfactantes TWEEN 8 SPAN 8 w+x+y+z=2 TWEEN 6 SPAN 6 a+b+c=2 Arlacel 83

53 1 T8-S8 T6-S8 T8-S6 T6-S Comparación 4 3 T8-S8 T8-A83 T6-A83 T6-S HLB D(nm) D(nm) Efecto de la estructura química de la mezcla de surfactantes Comparación HLB

54 Laboratorio de Dispersiones e Interfases Dr. Máximo García-Sucre Dr. Jhoan Toro Mendoza Dra. Aileen Lozsán Dr. Aly Castellanos Dra. Clara Rojas Lic. Enyeni Rodríguez Lic. Issarly Rivas TSU. Bárbara Centeno Lic. Fernando Rodríguez Proyectos de Investigación Estudio de las propiedades interfaciales Estudios de mecanismos de disipación de sistemas ternarios y su relación con la de dispersiones fluido/fluido. estabilidad de dispersiones simples Estudio de procesos estocásticos relacionados con la estabilidad de suspensiones y emulsiones. Estudio Fisicoquímico de Nanoemulsiones y Dispersiones Coloidales.

55 Gracias