| М. Ю. Королёва, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, кафедра нанотехнологии и наноматериалов |
В последнее время значительно возрос интерес к наноэмульсиям, так как такие дисперсные системы перспективны для использования в качестве средства доставки лекарственных и биологически активных соединений.
Существует три типа эмульсионных систем – традиционные эмульсии, микроэмульсии (МЭ) и наноэмульсии (НЭ). Основные их отличительные особенности – это тип стабильности и размер капель внутренней фазы:
– Эмульсии – термодинамически нестабильные системы с размером капель внутренней фазы > 100нм;
– Микроэмульсии – термодинамически стабильные системы с каплями < 100 нм;
– Наноэмульсии – термодинамически нестабильны, размер капель < 00 нм.
В литературе достаточно часто под НЭ подразумевают эмульсии с размером капель внутренней фазы размером до 1000 нм, но это не правильно. К НЭ относятся только эмульсионные системы с размером капель менее 100 нм. НЭ также называют ультрадисперсными эмульсиями или миниэмульсиями.
НЭ, также как и традиционные эмульсии, являются кинетически стабильными дисперсными системами, поэтому для их получения необходимы затраты энергии. При этом НЭ могут быть устойчивыми и не расслаиваться в течение нескольких месяцев и даже лет.
Если сравнивать НЭ с МЭ, то, безусловно, термодинамическая стабильность последних является их неоспоримым достоинством. Однако МЭ образуются при значительно более высоких концентрациях ПАВ, что является нежелательным при их использовании в косметических препаратах.
Устойчивость наноэмульсий
Так как НЭ являются термодинамически нестабильными системами, в них протекают такие же процессы, приводящие к расслаиванию, как и в обычных эмульсиях. Седиментация в НЭ практически отсутствует, поскольку размер капель очень низкий, а скорость броуновского движения высокая. Коалесценция, также как и в традиционных эмульсиях, может быть существенно замедлена при правильном выборе эмульгатора.
Как правило, прямые НЭ не устойчивы к оствальдову созреванию (изотермической перегонке), при протекании которого более мелкие капли растворяются, а более крупные увеличиваются в размерах. Даже если получить НЭ с очень узким распределением капель по размерам, из-за различия размеров капель существует разность химических потенциалов вещества внутри капель. В результате протекает оствальдово созревание – укрупнение капель внутренней фазы, которое неизбежно приводит к последующему расслаиванию эмульсий.
Наиболее эффективный способ снижения скорости оствальдова созревания был предложен Higuchi и Misra [1]. При добавлении во внутреннюю фазу эмульсии второго компонента, который значительно меньше растворим в дисперсионной среде, скорость данного процесса снижается. Более растворимое в дисперсионной среде соединение быстрее переходит из мелких капель в крупные, чем менее растворимое вещество. В результате изменяется состав капель внутренней фазы – происходит увеличение концентрации малорастворимого компонента в мелких каплях, и уменьшение в больших. При этом лимитирующей становится диффузия менее растворимого компонента, и удается кинетически стабилизировать эмульсии относительно оствальдова созревания.
Этот способ замедления скорости оствальдова созревания может быть использован и для НЭ. Органическая фаза эмульсий, предназначенных для косметического применения, обычно состоит из смеси различных масел и других органических компонентов, которые характеризуются различной растворимостью в дисперсионной среде. Поэтому в таких дисперсных системах оствальдово созревание существенно замедлено. Включение в состав дисперсной фазы практически нерастворимых в воде компонентов в концентрациях, не превышающих нескольких десятых процента, позволяет снизить скорость оствальдова созревания до нулевых значений.
Для обратных НЭ основной причиной нестабильности обычно является коагуляция капель внутренней фазы. Дисперсионная среда таких НЭ неполярна, поэтому в отсутствии сильного электростатического отталкивания при столкновении капель происходит их коагуляция и последующая седиментация флокул капель внутренней фазы. Эффективная стабилизация обратных НЭ возможна при структурировании дисперсионной среды – создание в ней мицеллярных и полимерных органогелей, дисперсии твердых наночастиц и др.
Рис. 1. Прямая НЭ с долей внутренней фазы 15 об.% (слева) и 25 об.% (справа) [2]
По внешнему виду НЭ отличаются от традиционных макроэмульсий. НЭ с размером капель менее 100 нм – полупрозрачны и немного опалесцируют.
При увеличении доли внутренней фазы в НЭ возрастает их вязкость, и они становятся нетекучими (рис. 1). Благодаря нетрадиционному виду НЭ, возникает дополнительный интерес к их использованию в косметической и фармацевтической промышленности.
Способы получения наноэмульсий
Способы получения НЭ можно разделить на высоко- и низкоэнергетические. К высокоэнергетическим методам относятся механическое диспергирование, диспергирование под действием ультразвука (УЗ), гомогенизация под давлением, в том числе, микрофлюидные методы. Среди низкоэнергетических способов получения НЭ наибольшее распространение получили методы, основанные на инверсии фаз, происходящей при изменении температуры или состава системы.
Высокоэнергетические методы получения НЭ
Первоначально НЭ пытались получать, используя перемешивающие устройства с большим числом оборотов и коллоидные мельницы. Увеличивая интенсивность перемешивания в таких устройствах можно получать НЭ с низкой долей внутренней фазы. Увеличение вязкости эмульсии, например, с ростом доли дисперсионной фазы или при введение загустителя дисперсионной среды приводит к резкому увеличению размеров капель, и получаются традиционные макроэмульсии.
Эмульгирование под действием УЗ позволяет получать эмульсии с относительно низким средним диаметром, тем не менее, достаточно часто размер капель внутренней фазы в них превышает 100 нм. Это связано с тем, что эффективное эмульгирование протекает в непосредственной близости от волновода-излучателя. Поэтому при эмульгировании больших объемов необходимо механическое перемешивание системы.
На сегодняшний день наиболее эффективным из высокоэнергетических методов считается метод гомогенизации под давлением. Наибольшее распространение получили клапанные гомогенизаторы (радиальные диффузоры) и струйные диспергаторы.
В клапанном гомогенизаторе происходит отклонение потока эмульсии под углом 90° от направления первоначального движения. Подвижная заслонка-клапан позволяет изменять толщину зазора, тем самым варьируя скорость потока эмульгируемых жидкостей и создаваемое в аппарате давление (рис. 2). Гомогенизаторы такого типа работают в непрерывном режиме.
Рис. 2. Схематичное изображение эмульгирования в клапанном гомогенизаторе [3]
Размер капель в получаемой эмульсии зависит от конструкции клапана и выходного отверстия, вязкости эмульгируемой системы и создаваемого в аппарате давления. Существуют гомогенизаторы, способные работать в широком диапазоне давлений от 10 до 350 МПа. Так как толщина зазора между поршнем и выходящим отверстием составляет 10–100 мкм, то возникают очень большие скорости движения жидкости, порядка сотен м/с.
Время пребывания эмульсии в зазоре составляет несколько миллисекунд. В связи с этим одним из наиболее важных факторов, влияющих на конечный размер капель в эмульсии, является скорость адсорбции ПАВ. Если скорость адсорбции ПАВ меньше скорости коалесценции капель, то даже при формировании капель наноразмера и наличии достаточного количества ПАВ будет происходить укрупнение капель после выхода эмульсии из зоны гомогенизации. Но даже при использовании быстро адсорбирующихся ПАВ влияние коалесценции можно заметно снизить, но нельзя полностью устранить. Поэтому часто используется многократная циркуляция эмульсии через гомогенизатор.
Действие капиллярно-струйных гомогенизаторов основано на диспергировании при столкновении двух и более потоков, движущихся с большой скоростью. Аппараты, в которых происходит столкновение потоков жидкостей, движущихся под высоким давлением в микроканалах, получили название – микрофлюидные гомогенизаторы. Такие гомогенизаторы не содержат в своей конструкции движущихся частей, поэтому в них могут создаваться более высокие давления, чем в клапанных гомогенизаторах.
Для получения НЭ наиболее эффективно использовать микрофлюидные устройства с бифуркацией. Первоначально проводится формирование достаточно крупных капель – размером несколько десятков микрометров. Капли перемещаются по каналу и достигают зоны бифуркации (раздвоения канала), в которой происходит деление капли на две части.
В аппаратах, изготавливаемых фирмой Microfluidics, используются многократные разделения и объединения потоков (рис. 3), что позволяет добиться значительного снижения размеров формируемых капель.
Рис. 3. Схематическое изображение каналов в аппарате Microfluidizer® Processor [4]
Микрофлюидные аппараты позволяют получать эмульсии с практически монодисперсными каплями внутренней фазы, но только в системах с невысокой вязкостью. Одним из основных недостатков данных аппаратов является возможная закупорка каналов твердыми частицами и газовыми пузырьками. При использовании микрофлюидных аппаратов для медицинских и фармацевтических целей возникают проблемы с их стерилизацией.
В настоящее время микрофлюидный метод интенсивно развивается. Однако при промышленном производстве лидируют клапанные гомогенизаторы, так как их использование позволяет получать НЭ с большой производительностью.
Низкоэнергетические методы получения НЭ
Низкоэнергетические методы получения НЭ основаны на инверсии фаз при изменении состава и температуры системы. При варьировании температуры или состава изменяется кривизна адсорбционного слоя ПАВ. При определенных условиях система проходит через состояние с нулевой кривизной поверхности монослоя ПАВ и сверхнизким межфазным натяжением 10–2 – 10–5 мН/м. В результате происходит инверсия фаз и образуется НЭ.
Метод температурной инверсии фаз основан на способности ПАВ изменять сродство к воде и маслу в зависимости от температуры. Наиболее часто данный метод используют для получения НЭ, стабилизированных этоксилированными ПАВ. При повышенной температуре этиленоксидные группы дегидратированы. Площадь, занимаемая углеводородными цепями, больше по сравнению с полярными группами, поэтому предпочтительным является образование обратной эмульсии. При низких температурах молекулы ПАВ гидрофильны из-за гидратации полярных групп. Площадь, занимаемая гидратированными полярными группами, больше, чем гидрофобными углеводородными цепями. Поэтому монослой ПАВ изгибается, и образуются прямые эмульсии.
Если получить обратную эмульсию, стабилизированную этоксилированным ПАВ, при повышенной температуре, а затем резко охладить, то при определенной температуре происходит инверсия фаз, и образуется прямая НЭ (рис. 4).
Рис. 4. Трансформация капель при образовании прямой НЭ [5]
Некоторые исследователи полагают, что НЭ с более мелкими каплями внутренней фазы образуются, если при температуре, при которой начинается эмульгирование, система представляет микроэмульсию или жидкокристаллическую ламеллярную фазу [6, 7].
Другие считают, что процесс образования капель НЭ определяется диффузией ПАВ. При резком снижении температуры изменяются коэффициенты распределения ПАВ между органической и водной фазами, и в результате диффузии ПАВ из органической фазы в водную происходит спонтанное эмульгирование [8].
Размер капель в НЭ зависит от температуры, до которой проводилось охлаждение. НЭ с более мелкими каплями и меньшей полидисперсностью получаются, если система быстро охлаждается до температуры на 25–30°С меньше температуры инверсии фаз.
В подавляющем большинстве работ, посвященных получению НЭ методом температурной инверсии фаз, стабилизация эмульсий осуществлялась этоксилированными ПАВ, так как их гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) наиболее чувствителен к изменению температуры. Значительно меньшее количество исследований направлено на получение данным методом НЭ, стабилизированных другими ПАВ, например, смесью Tween 80/Span 80. Так, авторы [9] показали, что при увеличении концентрации электролита в водной фазе температура инверсии фаз снижалась от 85 до 40°С. По эффективности снижения температуры инверсии фаз исследованные электролиты были расположены в следующий ряд: AlCl3 ≈ NaCl > KCl > CaCl2.
В настоящее время метод температурной инверсии фаз является наиболее распространенным среди низкоэнергетических способов получения НЭ. Он с успехом используется для получения НЭ, стабилизированных этоксилированными ПАВ. Однако данный метод не применим для тех ионогенных или неионогенных ПАВ, ГЛБ которых значительно менее чувствителен к изменению температуры.
Способ получения НЭ, основанный на инверсии фаз при изменении состава состоит в том, что при постоянной температуре в эмульсионную систему добавляются вещества, изменяющие ГЛБ системы. При этом происходит спонтанное изменение радиуса кривизны монослоя ПАВ, приводящее к обращению фаз в эмульсии. Например, при постепенном добавлении водной фазы в органическую сначала происходит образование капель воды в масле. Увеличение количества водной фазы сверх определенного предела приводит к инверсии фаз, и сформируются капли органической фазы в водной среде. Инверсия фаз также может происходить при добавлении в систему электролитов, других ПАВ, спиртов и др.
В методе инверсии фаз при изменении состава, также как и при температурной инверсии, для получения капель наименьшего размера необходимо, чтобы в начале процесса эмульгирования система представляла собой микроэмульсию или жидкокристаллическую ламеллярную фазу.
Также немаловажную роль в процессе формирования нанокапель играет диффузия ПАВ. При получении прямых эмульсий данным методом водная фаза добавляется в смесь масла и ПАВ, плохо растворимого в органической фазе. Добавление водной фазы приводит к диффузии ПАВ из органической фазы в водную, что способствует образованию нанокапель в условиях низкого межфазного натяжения.
Метод инверсии фаз при изменении состава позволяет получать НЭ, не только с этоксилированными ПАВ, но и использовать более широкий спектр ПАВ, ГЛБ которых в меньшей степени зависит от температуры. Другим достоинством данного метода является отсутствие необходимости использовать градиенты температур, что важно при инкапсулировании соединений, подверженных термическому разложению.
Недостатком метода инверсии фаз при изменении состава является его высокая чувствительность к составу эмульгируемой смеси. Поэтому при введении дополнительных веществ, например, при инкапсулировании лекарственных препаратов, необходима перепроверка условий эмульгирования.
При использовании метода температурной инверсии фаз процесс можно проводить неоднократно, повышая и понижая температуру. Изменение состава эмульсионной системы (без использования дополнительных, значительно усложняющих технологию производства стадий) может быть только однократным, например, при увеличении концентрации электролитов или доли водной фазы в эмульсии.
И низкоэнергетические, и высокоэнергетические методы могут быть использованы для получения НЭ. Выбор метода зависит от состава и требуемой дисперсности системы.
Одним из самых важных преимуществ высокоэнергетических методов является возможность инкапсулировать в каплях внутренней фазы самые разнообразные соединения. В низкоэнергетических методах, при самопроизвольном эмульгировании состав образующейся НЭ зависит исключительно от физико-химических свойств системы, главным образом, от типа и концентрации ПАВ. Если добавляемые вещества существенно смещают точку инверсии фаз, то применение низкоэнергетических методов эмульгирования становится невозможным.
С другой стороны, если необходимо инкапсулировать нестабильные вещества, такие как пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, использование высокоэнергетических методов может привести к разрушению, денатурации или потере активности препаратов при эмульгировании.
Продукты на основе НЭ
Наибольший интерес вызывает возможность применениия НЭ в качестве векторов для транспортировки биологически активных соединений в организм человека. При применении НЭ скорость проникновения препаратов в несколько раз выше, чем при использовании макроэмульсий, мицеллярных растворов, гелей, суспензий и других носителей [10–12].
Для целевой доставки активных компонентов могут быть использованы как сами НЭ, так и другие наноматериалы, полученные на основе НЭ, – наночастицы (НЧ), наносферы, нанокапсулы.
Полимерные наночастицы и нанокапсулы
При получении полимерных наночастиц внутренняя фаза НЭ состоит из мономера. Если мономер обладает поверхностно-активными свойствами, и НЭ получают высокоэнергетическими методами, то добавки ПАВ в систему не нужны. Если образование НЭ происходит при инверсии фаз, то необходимо введение в систему ПАВ, не участвующих в процессе полимеризации. Обычно инициатор добавляют в дисперсионную среду НЭ, инициирование полимеризации проводят при действии УФ- или γ-излучения, УЗ-воздействия и др.
Если время эмульгирования меньше, чем время полимеризации, то возможно включение инициатора в капли внутренней фазы НЭ, и после получения НЭ проведение полимеризации, например, при повышении температуры системы.
На основе НЭ получают полимерные нанокапсулы – частицы, состоящие из жидкого гидрофобного или гидрофильного ядра, окруженного полимерной оболочкой. Если использовать обратные НЭ, то при проведении полимеризации в водных каплях, получаются наночастицы с инкапсулированными гидрофильными компонентами.
НЭ могут быть использованы в качестве матрицы для получения НЧ из предварительно синтезированных полимеров, растворенных в каплях внутренней фазы НЭ. Растворитель удаляется из капель внутренней фазы выпариванием, либо методом смены растворителя. В последнем случае растворитель диффундирует в водную фазу, что приводит к осаждению полимера внутри НЭ капель. Данный способ позволяет получать НЧ не только из синтетических полимеров, но и из природных, таких как хитозан, полисахариды, альгинаты, желатин и др.
На основе НЭ могут быть сформированы нанокапсулы из предварительно синтезированного полимера. В этом случае сначала получают НЭ высоко- или низкоэнергетическим методом, затем добавляют полимер в дисперсионную среду и проводят его осаждение на поверхности наноэмульсионных капель, например, выпариванием дисперсионной среды.
Твердые липидные наночастицы и нанокапсулы
Значительное число публикаций связано с получением из НЭ твердых липидных наночастиц и их использованием в качестве носителей лекарственных соединений [13, 14], в косметических препаратах [15].
Для получения липидных наночастиц систему нагревают до температуры на 5–10°С выше температуры плавления липида и получают НЭ гомогенизацией при высоком давлении, УЗ-диспергированием, низкоэнергетическим эмульгированием при изменении состава и др. методами. Затем полученную НЭ охлаждают до комнатной температуры для кристаллизации липидов.
НЭ могут служить матрицей при получении липидных нанокапсул, состоящих из жидкого органического ядра и твердообразной оболочки, образованной молекулами ПАВ. В качестве жидкого ядра в нанокапсулах медицинского назначения обычно используются среднецепочечные триглицериды, в качестве оболочки – различные полиоксиэтиленстеараты.
Чаще всего для получения липидных нанокапсул применяется метод температурной инверсии фаз с многократным температурным циклированием, что позволяет получать более мелкие и более однородные по размерам нанокапсулы.
Особый интерес вызывает возможность использования прямых НЭ в качестве различных косметических препаратов. Предлагается использовать НЭ в различных косметических продуктах – кремах, косметическом молочке, лосьонах, гелях, средствах по уходу за волосами и др. Запатентованы составы и способы получения НЭ, содержащих витамины A, D, C, E и их производные, различные фосфолипиды, НЭ для восстановления эпидер- миса и др.
Литература
1. Higuchi W.I., Misra J. // J. Pharm. Sci., 1962, Vol. 51, p. 459
2. Sonneville-Aubrun O., Simonnet J.-T., L’Alloret F. // Adv. Colloid Interface Sci., 2004, Vol. 108–109, p. 145
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Homogenization_(chemistry)
4. http://www.microfluidicscorp.com
5. Fernandez P., André V., Rieger J., Kühnle A. // Colloids Surf. A, 2004, Vol. 251, p. 53
6. Izquierdo P., Feng J., Esquena J., Tadros T.F., Dederen J.C., Garcia M.J., Azemar N., Solans C. // J. Colloid Interface Sci., 2005, Vol. 285, p. 388
7. Taisne L., Cabane B. // Langmuir, 1998, Vol. 14, p. 4744
8. Anton N., Vandamme T.F. // Int. J. Pharm., 2009, Vol. 377, p. 142
9. Mei Z., Xu J., Sun D. // Colloids Surf. A, 2011, Vol. 375, p. 102
10. Tagne J.-B., Kakumanu S., Ortiz D., Shea T., Nicolosi R.J. // Molecular Pharm., 2008, Vol. 5, p. 280
11. Kotyla T., Kuo F., Moolchandani V., Wilson T., Nicolosi R. // Int. J. Pharm., 2008, Vol. 347, p. 144
12. Wu H.L., Ramachandran C., Weiner N.D., Roessler B.J. // Int. J. Pharm., 2001, Vol. 220, p. 63
13. García-Fuentes M., Torres D., Alonso M.J. // Colloids Surf. B, 2002, Vol. 27, p. 159
14. Seki J., Sonoke S., Saheki A., Fukui H., Saski H., Mayumi T. // Int. J. Pharm., 2004, Vol. 273, p. 75
15. Müller R.H., Petersen R.D., Hommoss A., Pardeike J. // Adv. Drug Delivery Rev., 2007, Vol. 59, p. 522