Estudio de emulsiones altamente concentradas de tipo W/O: relación entre tamaño de gota y propiedades

Abstract

Las emulsiones son dispersiones de dos líquidos inmiscibles que, generalmente están estabilizadas por moléculas tensioactivas. Cuando la fracción en volumen de fase dispersa es superior o igual a 0,74 (valor que corresponde al máximo empaquetamiento de gotas esféricas indeformables y monodispersas) se denominan altamente concentradas. Dichas emulsiones tienen una elevada relación superficie/volumen, además de regiones hidrófilas y lipófilas bien definidas que permiten la incorporación de moléculas de diferente naturaleza. Por todo ello, tienen aplicaciones en el campo farmacéutico, cosmético, alimentario, en síntesis de materiales, etc.

En la mayoría de aplicaciones, los procesos de difusión desempeñan un papel importante y por este motivo, se han estudiado los mecanismos de difusión para determinar la influencia de las propiedades de las emulsiones en dichos mecanismos. Sin embargo, no se ha estudiado de forma simultánea la influencia que los factores de composición y formación podrían ejercer sobre los procesos de liberación. Por este motivo, el objetivo principal de esta tesis, ha sido el de modelizar la formulación de emulsiones altamente concentradas de tipo W/O estudiando la relación entre el tamaño de gota, sus propiedades reológicas y la liberación de moléculas activas, incorporadas en la fase dispersa, a soluciones receptoras.

Para alcanzar dicho objetivo, se seleccionaron componentes biocompatibles y biodegradables para formar emulsiones altamente concentradas de tipo W/O. De este modo, se seleccionaron tensioactivos derivados de ésteres como el poligliceril-2 diisoestearato (IS-202P), el monoleato de sorbitán (Span80) y un polioxietileno de sorbitano (Tween80), de alcoholes etoxilados (Brij52), del aceite de ricino (CremophorWO7), y dos tensioactivos poliméricos de bloque o copolímeros (SynperonicL2 y PluronicL121). Como componentes oleosos, se seleccionaron hidrocarburos alifáticos (aceite de parafina y escualano), un éster derivado del ácido oleico (decil oleato) y un triglicérido derivado de los ácidos grasos caprílico/cáprico (triglicéridos de cadena media).

Se realizaron estudios de formación de emulsiones altamente concentradas, caracterizando las emulsiones formadas, que permitieron seleccionar un sistema modelo (solución acuosa/Span80/aceite de parafina), además del método de adición del componente acuoso a la mezcla del componente oleoso y tensioactivo, como el más apropiado para formar las emulsiones. Asimismo, se seleccionaron tres moléculas activas modelo el metilparabeno, etilparabeno y propilparabeno, ya que se podían incorporar en la fase dispersa de emulsiones altamente concentradas seleccionadas, sin modificar las propiedades de dichas emulsiones.

Una vez seleccionados el sistema y las moléculas activas modelo, se aplicaron dos diseños de experimentos. El primero, un diseño central compuesto, permitió relacionar el tamaño de gota y las propiedades reológicas con variables de composición y formación de las emulsiones en ausencia de parabenos. El segundo, un diseño factorial fraccionado permitió la obtención de un modelo empírico para modelizar la formulación de emulsiones altamente concentradas, optimizando su tamaño de gota, sus propiedades reológicas, así como la liberación de las moléculas activas incorporadas.

Se realizó un estudio comparativo de la formulación optimizada variando el aceite y el componente tensioactivo, determinando que influía más la estructura del tensioactivo que la polaridad del componente oleoso.

También se realizó un estudio preliminar de escalado de la formulación óptima poniendo de manifiesto que, a pesar de la complejidad de los procesos de difusión que tienen lugar en las emulsiones altamente concentradas, en el escalado se obtuvieron resultados de liberación razonablemente similares.

Mediante la utilización de diseños de experimentos y seleccionado un sistema modelo de tipo componente acuoso/tensioactivo no iónico/componente oleoso, se ha optimizado la formulación de emulsiones altamente concentradas de tipo W/O, obteniendo un modelo empírico que ha permitido optimizar el tamaño de gota, propiedades reológicas y modular el perfil de liberación de moléculas activas incorporadas en el componente acuoso de dichas emulsiones.

Emulsions are dispersions of two immiscible liquids, generally stabilized with surfactants. When the volume fraction of the disperse phase exceeds 0.74 (the maximum packing of spherical, undistorted and monodisperse droplets), emulsions are classified as highly concentrated emulsions.

In most applications of highly concentrated emulsions, diffusion processes have an important role, and as a consequence, diffusion of active molecules incorporated in the disperse phase of emulsions has been studied to find out their relationship with emulsion properties. However, there is still a lack of knowledge on the relationship among composition and formation factors with diffusion processes. The main objective of this thesis has been to model the formulation of highly concentrated W/O emulsions, studying the relationship between droplet size, rheological properties and the release of active molecules, incorporated in the dispersed phase, to receptor solutions.

To achieve this objective, the selected surfactants were: sorbitane monooleate (Span80) and polyglyceryl-2 diisostearate (IS-202P). The oil components were aliphatic hydrocarbons (paraffin oil and squalene). Methylparaben, ethylparaben and propylparaben were chosen as model active molecules. Their incorporation in the aqueous phase of emulsions did not modify emulsion properties.

An experimental design was performed to optimize the formulation of emulsions in the model aqueous solution/Span80/paraffin oil system. The optimized formulation was compared with other systems by varying oil and surfactant components, concluding that the influence of surfactant structure was more important than the oil polarity. Furthermore, a preliminary scale up study was carried out with the optimized formulation and the results for the two scales considered were reasonably similar.

Using design of experiments and selecting a model aqueous/nonionic surfactant/oil system, an empirical model has been obtained that has allowed to optimize emulsion droplet size, their rheological properties and the release of active molecules incorporated in the aqueous phase of these highly concentrated W/O emulsions.