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EMULSIONES Dr. Ricardo C. Pasquali

Cátedra de Farmacotecnia I Facultad de Farmacia y Bioquímica Universidad de Buenos Aires [email protected]

Las emulsiones son sistemas de al menos dos fases en los cuales un líquido se dispersa en otro líquido en la forma de glóbulos o gotitas pequeñas. Farmacopea Argentina VII

Las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables. La inestabilidad se debe al aumento del área (∆A) durante la emulsificación, que produce un incremento de la entalpía libre de Gibbs (∆G).

∆G = γ × ∆A

γ es la tensión interfacial.

Las microemulsiones no son un tipo de emulsiones. A diferencia de estas últimas, son sistemas termodinámicamente estables.

PRINCIPALES COMPONENTES DE LAS EMULSIONES


Medio dispersante (fase continua).
Glóbulos dispersos (fase discontinua).
Emulsionante.

Fase dispersa (discontinua)

Fase dispersante (continua)

EMULSIONANTES


Partículas sólidas finamente divididas insolubles en la fase dispersa y el medio dispersante, pero con una cierta afinidad por éstas.


Sustancias anfifílicas con una cierta afinidad con la fase dispersa y el medio dispersante y que son solubles en, por lo menos, una de las fases (tensioactivos).

PARTÍCULAS SÓLIDAS FINAMENTE DIVIDIDAS

TENSIOACTIVOS

Son sustancias anfifílicas que disminuyen la tensión superficial de los líquidos en los que son solubles.

“SURFACTANTE”

Mala traducción de la palabra inglesa surfactant, que es una contracción de la expresión surfaceactive agent (agente de actividad superficial). El vocablo surfactant fue acuñado por la empresa GAF Corporation, de los Estados Unidos, como una marca registrada y, poco después (en 1950), la palabra fue de dominio público.

TENSIOACTIVOS


Aniónicos.
Catiónicos.
Anfotéricos.
No iónicos.

TENSIOACTIVOS ANIÓNICOS

Lauril sulfato de sodio (Sodium Lauryl Sulfate).

Cetil fosfato de potasio (Potassium Cetyl Phosphate).

TENSIOACTIVOS ANIÓNICOS

Estearato de trietanolamonio (TEA-Stearate).

Estearato de sodio (Sodium Stearate).

Estearato de magnesio (Magnesium Stearate).

TENSIOACTIVOS ANIÓNICOS

Di(2-etilhexil)sulfosuccinato de sodio (Nombre comercial: Aerosol OT) (Diethylhexyl Sodium Sulfosuccinate)

TENSIOACTIVOS CATIÓNICOS

Cloruro de cetil-trimetilamonio (Cetrimonium Chloride).

Bromuro de cetil-trimetilamonio o cetrimida (Cetrimonium Bromide).

TENSIOACTIVOS ANFOTÉRICOS

Lauril amido propil betaína (Lauramidopropyl Betaine).

Lecitina (Lecithin). Fosfatidilcolina (Phosphatidylcholine).

ZWITTERION

La palabra zwitterion deriva del alemán zwitter, que significa híbrido. Por lo tanto, zwitterion quiere decir ion híbrido.

TENSIOACTIVOS NO IÓNICOS


Alcoholes de cadena larga y esteroles.
Alcoholes de cadena larga, esteroles y otros ingredientes hidroxilados polioxietilenados.
Ácidos grasos.
Poloxámeros.
Ésteres de dioles y polioles.
Ésteres de polietilenglicoles.
Ésteres del sorbitán.
Ésteres de sorbitán polioxietilenados.
Derivados de mono y polisacáridos.

ALCOHOLES DE CADENA LARGA Y ESTEROLES

Alcohol cetílico (Cetyl Alcohol).

Colesterol (Cholesterol).

ALCOHOLES DE CADENA LARGA POLIOXIETILENADOS (POLIOXIETILEN ALQUIL ÉTERES O ALCOHOLES ETOXILADOS)

Alcohol o esterol Laurílico

Nombre INCI del tensioactivo Laureth-n

Cetílico

Ceteth-n

Estearílico

Steareth-n

Isoestearílico

Isosteareth-n

Colesterol

Choleth-n

Alcoholes de lanolina

Laneth-n

Nombre INCI: Laureth-10. Otros nombres: PEG-10 lauril éter. Polioxietileno (10) lauril éter. Alcohol laurílico POE(10).

OTROS INGREDIENTES CON GRUPOS HIDROXILOS POLIOXIETILENADOS

Aceite castor hidrogenado polioxietilenado (40) (PEG-40 Hydrogenated Castor Oil).

ÁCIDOS GRASOS

Ácido oleico (Oleic Acid)

POLOXÁMEROS

Hidrofílico

Lipofílico

Hidrofílico

Poloxámero

Lipofílico

Hidrofílico Poloxámero invertido (R)

Lipofílico

DISTRIBUCIÓN DE LA CANTIDAD DE UNIDADES DE ÓXIDOS DE ETILENO Y DE PROPILENO POR BLOQUE PLURONIC P85 (OE26OP40OE26)

n) ( P= n

n −n

e

n!

40n ×e−40 = n!

Distribución de Poisson

ÉSTERES DE DIOLES

Monoestearato de etilenglicol (Glycol Stearate).

Monoestearato de propilenglicol (Propylene Glycol Stearate).

ÉSTERES DE GLICERILO

Monoestearato de glicerilo (Glyceryl Stearate).

Monooleato de glicerilo (Glyceryl Oleate).

ÉSTERES DE POLIGLICERILO

Ejemplo: Diestearato de poliglicerilo-2 (Polyglyceryl-2 Distearate).

ÉSTERES DE SORBITÁN

Monoéster

Diéster

Triéster

ÉSTERES DE SORBITÁN POLIOXIETILENADOS

Monoéster

Triéster

DERIVADOS DE MONO Y POLISACÁRIDOS

Alquil poliglucósido

Gemelo Bola

CERAS AUTOEMULSIONABLES
Cera aniónica: Alcohol cetoestearílico Laurilsulfato de sodio

90 % 10 %


Cera no iónica (BP): Alcohol cetoestearílico Ceteareth-20

80 % 20 %


Cera catiónica: Alcohol cetoestearílico Cloruro de cetiltrimetilamonio

75 % 25 %

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS TENSIOACTIVOS


Composición de las cadenas hidrocarbonadas.
Cantidad de unidades monoméricas que forman parte de las moléculas de ciertos tensioactivos.
Presencia de isómeros.
Grado de esterificación.

COMPOSICIÓN DE LAS CADENAS HIDROCARBONADAS

Composición de diferentes tipos de ”ácido esteárico” (tomado de http://www.materiaoleochemicals.com/producto1.html).

CANTIDAD DE UNIDADES MONOMÉRICAS EN LA MOLÉCULA 0,14

Ceteth-10

0,12

Fracción molar

0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Unidades de óxido de etileno

n = 10

PRESENCIA DE ISÓMEROS

Isómeros de los monocarboxilatos de glicerilo.

GRADO DE ESTERIFICACIÓN

Monoestearato de etilenglicol.

Diestearato de etilenglicol.

LÍMITE ENTRE LAS ZONAS POLAR Y NO POLAR

Libros de texto de Química Orgánica y de Bioquímica

Según Charles Tanford, 1972

EL SISTEMA DEL BALANCE HIDROFÍLICOLIPOFÍLICO (HLB) DE CLASIFICACIÓN DE LOS TENSIOACTIVOS

El sistema del balance hidrofílicolipofílico de clasificación de los tensioactivos (HLB) fue ideado por el químico estadounidense William Colvin Griffin, de la empresa Atlas Powder Company (Foto gentileza W. C. Griffin).

William C. Griffin (derecha) y Paul Becher (izquierda) durante la entrega de un premio (1965). Tomado de Journal of Cosmetic Science, 16 (8): 485 (1965).

En una emulsión, el valor del HLB del emulsionante intenta estimar la atracción simultánea que experimentan sus moléculas por las fases acuosa y oleosa.

HLB bajo (lipofílico)

HLB alto (hidrofílico)

En 1949, Griffin presentó formalmente el concepto de HLB, primero en una reunión realizada en Chicago y después en un artículo publicado en el primer volumen del Journal of the Society of Cosmetic Chemists.

Griffin, W.C., 1949. Journal of the Society of Cosmetic Chemists, 1: 311-326.

El hecho de que la afinidad por el agua de los tensioactivos no iónicos aumente con el contenido de unidades óxido de etileno fue lo que dio origen al concepto del HLB, que para muchos tensioactivos no iónicos (alcoholes polioxietilenados y ésteres de polietilenglicoles) es igual al porcentaje en masa de unidades de óxido de etileno (E) dividido 5.

Alcohol polioxietilenado

Éster de polietilenglicol

n ⋅ Mr (CH 2CH 2O ) E= × 100 Mrtensioactivo

HLB =

E n ⋅ Mr (CH 2CH 2O ) = × 20 5 Mrtensioactivo

HLB del Laureth-4 Mr= 362,54 Mr(óxido de etileno)= 44,05

E=

44,05 × 4 × 100 = 48,60% 362,54

HLB =

E 48,60 = = 9,7 5 5

ESTIMACIÓN DEL HLB DE UN TENSIOACTIVO

Aspecto de la dispersión acuosa

Ejemplo

1-4

No se dispersa en agua.

Colesterol (HLB = 2,7)

3-6

Poco dispersable.

Span 80 (HLB = 4,3)

6-8

Dispersión lechosa después de una agitación vigorosa.

Span 40 (HLB = 6,7)

8-10

Dispersión lechosa estable.

Span 20 (HLB = 8,6)

10-13

Dispersión translúcida a transparente.

Monoestearato de PEG 400 (HLB = 11,6)

Dispersión transparente.

Lauril sulfato de sodio (HLB = 40)

HLB

>13

CÁLCULO DEL VALOR DEL HLB DE MEZCLAS DE TENSIOACTIVOS

HLB ≅ HLB A × f A + HLB × fB Por ejemplo, el HLB de una mezcla de 30 % m/m de Tween 80 (HLB = 15,0) y 70 % m/m de Span 80 (HLB = 4,3) es aproximadamente igual a:

HLB ≅ 0,30 × 15,0 + 0,70 × 4,3 HLB ≅ 4,5 + 3,0 ≅ 5,5

HLB REQUERIDO DE UN COMPONENTE DE LA FASE OLEOSA DE UNA EMULSIÓN

El HLB requerido de un componente de la fase oleosa de una emulsión es el valor del HLB de una mezcla de emulsionantes que da la mejor emulsificación para emulsiones del tipo aceite en agua o agua en aceite. Cada aceite tiene un valor del HLB requerido para formar emulsiones de aceite en agua y otro valor para formar emulsiones del tipo agua en aceite.

Así, por ejemplo, el HLB requerido para formar emulsiones de vaselina líquida en agua está comprendido entre 10 y 11, mientras que el requerido para formar emulsiones de agua en vaselina líquida es 6.

Determinación experimental del HLB requerido (Foto Ricardo C. Pasquali).

w/o

o/w

Determinación experimental del HLB requerido para emulsionar vaselina líquida en agua.

HLB REQUERIDO DE LOS COMPONENTES DE LA FASE OLEOSA DE UNA EMULSIÓN

HLBrequerido mezcla ≅ HLBrequerido A × fA + HLBrequerido B × fB

FRACCIONAMIENTO DE LOS EMULSIONANTES EN UNA EMULSIÓN

Fase acuosa HLB alto

Interfase HLB intermedio

Fase oleosa HLB bajo

CÁLCULO DEL HLB REQUERIDO, SEGÚN GRIFFIN, PARA LA FASE OLEOSA DE UNA EMULSIÓN O/W COMPONENTE

% EN LA EMULSIÓN

Vaselina líquida

10,0

Lanolina anhidra

1,5

Alcohol cetílico

3,0

Emulsionante

4,5

Glicerina

5,0

Agua

76,0

COMPONENTE

HLB REQUERIDO

Vaselina líquida

10,5

Lanolina anhidra

12

Alcohol cetílico

13

COMPONENTE

% EN LA EMULSIÓN

% EN LA FASE OLEOSA

Vaselina líquida

10,0

68,97

Lanolina anhidra

1,5

10,34

Alcohol cetílico

3,0

20,69

Emulsionante

4,5

Glicerina

5,0

Agua

76,0

HLBreq =

68,97 × 10,5 + 10,34 × 12 + 20,69 × 13 = 11,2 100

COMPOSICIÓN DE LA MEZCLA EMULSIONANTE Tween 60 Span 60

HLB = 14,9 HLB = 4,7

T = % deTween 60 S = 100 – T = % de Span 60 11,2 =

14,9 × T + 4,7 × (100 − T ) 100

T = 64 % S= 100 - T = 36 %

COMPOSICIÓN FINAL DE LA EMULSIÓN COMPONENTE

% EN LA EMULSIÓN

Vaselina líquida

10,0

Lanolina anhidra

1,5

Alcohol cetílico

3,0

Span 60

4,5 x 0,36 = 1,6

Tween 60

4,5 x 0,64 = 2,9

Glicerina

5,0

Agua

76,0

TIPOS DE EMULSIONES


Aceite en agua.
Agua en aceite.
No acuosas.
Múltiples.

EMULSIÓN DEL TIPO ACEITE EN AGUA

EMULSIÓN DEL TIPO AGUA EN ACEITE

DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL TIPO DE EMULSIÓN
Conductividad eléctrica: Las emulsiones o/w son mejores conductoras que las w/o.
Dilución: Una emulsión es soluble en su fase externa.
Método de los colorantes: Se utilizan colorantes hidrosolubles y liposolubles. La uniformidad del color adquirido por la emulsión indica si es o/w ó w/o.
Método de la gota: Sobre sendas porciones de emulsión se agrega una gota de vaselina líquida y una de agua. Se observa la velocidad con que se extiende en la superficie de la emulsión.
Aplicación sobre la piel: Las emulsiones o/w en general penetran más rápidamente en la piel.
Papel de filtro con CoCl2: En contacto con emulsiones o/w vira rápidamente al rosado.
Observación microscópica: Se disuelve un colorante en una de las fases durante la preparación de la emulsión y se observa al microscopio.

EMULSIÓN NO ACUOSA

EMULSIÓN MÚLTIPLE AGUA EN ACEITE EN (W/O/W)

Aceite

Agua

Agua

ag

EMULSIÓN MÚLTIPLE ACEITE EN AGUA EN ACEITE (O/W/O)

Agua

Aceite Aceite

ag

REGLA DE BANCROFT

La fase continua de una emulsión es aquella fase en la cual el emulsionante es más soluble.

Fue enunciada por el químico estadounidense Wilder Dwight Bancroft en 1915 (Foto tomada de J. Chem. Soc., 1954, 2506- 2514).

REGLA DE BANCROFT


Oleato de sodio (soluble en agua y poco soluble en aceites): Emulsiones o/w.
Oleato de calcio (soluble en aceites y poco soluble en agua): Emulsiones w/o.

TEORÍA DE LA CUÑA ORIENTADA Harkins, W. D., Davies, E. C. H.,Clark, G. L., 1917. J. Am. Chem. Soc., 39: 587.

Emulsión o/w estabilizada por un jabón monovalente

Emulsión w/o estabilizada por un jabón divalente

TIPOS DE EMULSIONES SEGÚN EL TAMAÑO DE LOS GLÓBULOS

Nanoemulsiones (miniemulsiones): Glóbulos de decenas de nanómetros hasta unos 200 nm. Macroemulsiones: Glóbulos visibles al microscopio óptico. .

NANOEMULSIONES

Las nanoemulsiones son emulsiones cuyas gotitas son invisibles al microscopio óptimo. El tamaño de los glóbulos es menor que unos centenares de nanómetros. Generalmente está comprendido entre 20 y 200 nanómetros. Presentan un aspecto transparente o translúcido con reflejos azulados, violáceos o grisáceos y, al igual que las emulsiones ordinarias, son termodinámicamente inestables.

VENTAJAS DE LAS NANOEMULSIONES


Son fácilmente absorbibles por la piel.
Pueden ser esterilizadas por filtración.
El pequeño tamaño de los glóbulos hace que sus pesos sean pequeños y que presenten un importante movimiento browniano, lo que impiden los fenómenos de cremado y sedimentación.
A diferencia de las microemulsiones, que requieren de una alta concentración de emulsionantes (generalmente entre 10 y 30 %), las nanoemulsiones pueden ser preparadas con concentraciones moderadas de emulsionantes (3-10 %).

INESTABILIDAD DE LAS NANOEMULSIONES


Debido al movimiento browniano de sus pequeños glóbulos, las nanoemulsiones no presentan los fenómenos de cremado y sedimentación.
La inestabilidad de las nanoemulsiones se debe a los fenómenos de coalescencia y maduración de Ostwald.

COALESCENCIA La coalescencia consiste en la fusión de los glóbulos, lo que da lugar a la formación de glóbulos más grandes. Es un proceso irreversible y conduce a la separación de las fases de la emulsión. Para emulsiones concentradas, la coalescencia sigue la ecuación de Deminière:

1 1 8π = 2− ωt 2 r r0 3 donde r0 y r, son, respectivamente, el radio inicial de los glóbulos y en el tiempo t y ω es la frecuencia de ruptura de la película interfacial por unidad de área Por lo tanto, la inversa del tamaño al cuadrado del radio de los glóbulos es una función lineal del tiempo.

MADURACIÓN DE OSTWALD La maduración de Ostwald consiste en el crecimiento de los glóbulos más grandes de la emulsión a expensas de los más pequeños. La causa de este fenómeno es la diferencia de las presiones internas (presión de Laplace) entre los glóbulos de diferente tamaño.

2γ ∆P = r donde γ es la tensión interfacial y r es el radio de los glóbulos de la emulsión. Los glóbulos pequeños tienen una presión interna mayor que las grandes.

Si la fase dispersa es algo soluble en la fase continua, las moléculas de esta fase difundirán desde las gotas pequeñas a las grandes. La velocidad de maduración de Ostwald es directamente proporcional a la tensión interfacial y a la solubilidad de la fase dispersa en la continua.

INESTABILIDAD DE LAS MACROEMULSIONES

Reversible Cremado: La fase dispersa se concentra en la parte superior (emulsiones o/w). Sedimentación: La fase dispersa se concentra en la parte inferior (emulsiones w/o). Floculación: Se forman agregados de glóbulos que no se fusionan entre sí. Irreversible Coalescencia: Los glóbulos se fusionan entre sí. Inversión de fases: La fase continua pasa a discontinua y viceversa.

CREMADO

Foto Ricardo C. Pasquali.

CREMADO Y SEDIMENTACIÓN

2g ⋅ r (δ glóbulos − δ fase continua ) 2

v=

9η

Si δglóbulos > δfase continua

Si δglóbulos < δfase continua

V>0 (sedimentación)

V