Estudi de la formació de nano-emulsions per mètodes de baixa energia

Abstract

Les nano-emulsions són emulsions, dispersions de dos líquids immiscibles, amb una mida de gota en el rang nanomètric, (20-200 nm). Degut a la mida de gota, presenten una sèrie de propietats que fan que tinguin aplicacions en sectors industrials molt diversos (farmacèutic, agroquímic, cosmètic i alimentari). Les nano-emulsions es poden preparar mitjançant mètodes de baixa-energia, en els quals s’utilitza l’energia interna química dels components del sistema per emulsionar. En aquests mètodes durant el procés d’emulsificació es produeixen transicions de fases que determinen la mida de gota mínima. Per això, el coneixement del comportament fàsic és un factor clau en l’estudi dels mecanismes de formació de nano-emulsions per aquests mètodes.

En la present tesi doctoral s’ha estudiat la formació de nano-emulsions de fase externa aquosa (O/W) per mètodes de baixa energia per tal d’aprofundir en els mecanismes de la seva formació. S’ha aconseguit formar nano-emulsions O/W amb un contingut d’aigua del 85% en sistemes aigua/tensioactiu no iònic/component oliós a temperatura constant per un procediment no descrit amb anterioritat que consisteix en l’addició d’un tensioactiu més hidròfil a fases de microemulsió O/W. Els radis hidrodinàmics de les nano-emulsions han estat similars al de les microemulsions inicials (15-20nm). Així mateix s’ha estudiat quines són les fases clau determinants de les propietats de les nano-emulsions obtingudes mitjançant addició d’aigua a temperatura constant a mescles binàries i ternàries de sistemes aigua/tensioactiu no iònics etoxilat/component oliós. L’estudi ha evidenciat que la formació de nano-emulsions es produeix mitjançant tres possibles mecanismes: (a) per inversió de fases (PIC), (b) per dilució de microemulsions O/W sense inversió de fases, i (c) per inversió de fases seguit de dilució de microemulsions O/W. L’estudi també ha fet palès que en la formació de nano-emulsions un factor clau es la coexistència dels components del sistema en una sola fase durant alguna etapa del procés d’emulsificació.

Entre les aplicacions de les nano-emulsions és de gran interès la seva utilització com a plantilla per a l’obtenció de nanopartícules. En aquesta investigació s’ha estudiat la formació de nanopartícules a partir de nano-emulsions polimèriques d’àcid poli(làctic-co-glicòlic) (PLGA) per possible aplicació en el camp de la biomedicina. S’ha investigat la influència de la concentració de polímer en la formació i propietats de nano-emulsions i nanopartícules polimèriques en medi aquós ja que aquest aspecte no ha estat descrit a la literatura. S’han format nano-emulsions O/W en un sistema aigua/tensioactiu no iònic/(PLGA en acetat d’etil) amb continguts d’aigua des del 45% fins a concentracions superiors al 90% i en un ampli interval de relacions oli-tensioactiu amb valors de radi hidrodinàmic en el rang de 7-75nm. La regió de formació de nano-emulsions i la mida de gota augmenten lleugerament amb el contingut de polímer. L’estudi del comportament fàsic ha posat de manifest la presència de fases de microemulsió inversa (W/O) i de cristall líquid laminar, demostrant així que es produeix inversió de fases durant el procés d’emulsificació. S’han preparat les nanopartícules polimèriques a partir de les nano-emulsions formulades amb 90% d’aigua pel mètode de l’evaporació del solvent. El radi hidrodinàmic de les dispersions de nanopartícules polimèriques, en el interval de 7-55nm, augmenta amb el contingut de polímer. A més s’ha incorporat un principi actiu, Dexametasona, a les nanopartícules i el percentatge d’encapsulació que ha estat superior a 90%, no varia amb el contingut de polímer. L’alliberació del principi actiu de les dispersions de nanopartícules a una solució receptora és més sostinguda que a partir de la solució aquosa, i l’eficiència d’alliberació del principi actiu disminueix al augmentar la concentració de polímer. Així mateix, l’ajust dels perfils d’alliberació a tres models matemàtics ha confirmat que el mecanisme pel qual el principi actiu s’allibera de la dispersió de nanopartícules és per difusió de Fick. Estudis preliminars de citotoxicitat in vitro han mostrat que les dispersions de nanopartícules amb i sense principi actiu encapsulat presenten percentatges de viabilitat superiors al 70%. Els resultats obtinguts indiquen que aquestes nanopartícules polimèriques són d’interès per aplicacions biomèdiques.

In the present thesis the formation of oil in water (O/W) nano-emulsions by low-energy methods have been studied to investigate the mechanisms involved in their formation. Nano-emulsions have been prepared water content in water/nonionic surfactant/oil systems at constant temperature by a novel procedure which consists in the addition of a more hydrophilic surfactant to O/W microemulsions. Moreover, the key phases determining the properties of O/W nano-emulsions generated by addition of water to binary and ternary mixtures in water/nonionic surcatant/oil systems at constant temperature has been studied. It has been found that nano-emulsion formation in these type of systems may take place by three different mechanisms: (a) by phase inversion, (b) by dilution of O/W microemulsion without phase inversion, and (c) by phase inversion followed by dilution of O/W microemulsions. It has been also noticed that the coexistence of the system components in a single phase during the emulsification process play an important role in nano-emulsion formation and properties.

The use of nano-emulsions as template to obtain nanoparticles is focusing an increasing interest. In this research the formation of polymeric nanoparticles from polymeric nano-emulsions as potential nanocarriers for biomedicine has been studied. In particular, the influence of the polymer concentration on the formation and properties of nano-emulsions and nanoparticles in aqueous medium has been investigated since this aspect has not been reported yet. O/W nano-emulsions have been formed in a water/nonionic surfactant/(PLGA in Ethylacetate) system and polymeric nanoparticles have been generated by solvent evaporation method. An active molecule, dexamethasone, was successfully encapsulated and its release to a receptor solution as a function of polymer content was also evaluated. The results obtained in terms of particle size, stability, encapsulation efficiency, release and citotoxicity in vitro assays, have indicated that these polymeric nanoparticles are of interest for biomedical applications.