UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA FARMACIJO
SARA REDNAK
DIPLOMSKA NALOGA
UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM KOZMETOLOGIJA
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA FARMACIJO
SARA REDNAK
LITERATURNI PREGLED PRISTOPOV STABILIZACIJE IN VREDNOTENJA EMULZIJ, STABILIZIRANIH S TRDNIMI DELCI
LITERATURE OVERVIEW OF CHARACTERISTICS AND STABILISATION APPROACHES OF EMULSIONS STABILISED WITH SOLID PARTICLES
UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM KOZMETOLOGIJA
Ljubljana, 2021
Diplomsko nalogo sem opravljala na Univerzi v Ljubljani, Fakulteti za Farmacijo pod mentorstvom prof. dr. Odona Planinška, mag. farm.
Zahvala
Iskreno se zahvaljujem svojemu mentorju, prof. dr. Odonu Planinšku, ki mi je bil na voljo kadarkoli sem ga potrebovala. Hvala za vso pomoč, hitro odzivnost in izkazano potrpežljivost.
Rada bi se zahvalila mami, ki mi je omogočila študij kozmetologije, mi nudila tako finančno kot psihično podporo in me vzpodbujala pri doseganju mojih ciljev.
Zahvala gre tudi sošolkam in prijateljem, ki so mi tekom teh let bili v pomoč in oporo pri študijskih obveznostih, ter s katerimi sem stakala čudovite vezi in ustvarila lepe spomine.
Izjava
Izjavljam, da sem diplomsko nalogo samostojno izdelala pod mentorstvom prof. dr. Odona Planinška, mag. farm.
Sara Rednak
Komisija za zagovor:
Predsednik diplomske komisije: prof. dr. Stanislav Gobec Član diplomske komisije: prof. dr. Samo Kreft
KAZALO VSEBINE
POVZETEK ... I ABSTRACT ... II SEZNAM OKRAJŠAV ... III
1. UVOD ...1
1.1. EMULZIJE ...1
1.2. NESTABILNOSTI EMULZIJ ...2
1.3. PICKERING EMULZIJE ...4
1.4. VRSTE TRDNIH DELCEV NA MEDFAZI ...4
1.4.1. ADSORPCIJA/DESORPCIJA DELCEV NA MEDFAZI ...6
1.4.2. PREHAJANJE DELCEV MED FAZAMA ...7
2. NAMEN DELA ...9
3. METODE DELA ... 10
4. RAZPRAVA... 11
4.1. TEHNIKE PRIPRAVE PICKERING EMULZIJ... 11
4.1.1. ROTOR-STATOR HOMOGENIZACIJA ... 11
4.1.2. HOMOGENIZACIJA POD VISOKIM TLAKOM IN ULTRAZVOČNO RAZBIJANJE ... 12
4.1.3. MEMBRANSKO EMULGIRANJE ... 13
4.1.4. MIKROFLUIDNA TEHNOLOGIJA ... 13
4.2. MEHANIZMI STABILIZACIJE PICKERING EMULZIJ ... 14
4.2.1. MOČLJIVOST – STIČNI KOT (θ) ... 14
4.2.2. POVRŠINSKI NABOJ ... 17
4.2.3. VELIKOSTI DELCEV ... 18
4.2.4. OBLIKE DELCEV ... 20
4.2.5. KONCENTRACIJA DELCEV ... 20
4.2.6. OLJNA FAZA IN RAZMERJE MED OLJNO IN VODNO FAZO... 21
4.2.7. MEDFAZNA NAPETOST ... 21
4.3. UPORABNOST PICKERING EMULZIJ V KOZMETIKI ... 22
4.3.1. SENZORIČEN OBČUTEK ... 23
4.3.2. SPROŠČANJE AKTIVNIH UČINKOVIN ... 25
4.3.3. NAJPOGOSTEJŠI STABILIZACIJSKI DELCI V KOZMETIKI ... 29
4.3.3.1. SILICIJEV DIOKSID ali SILIKA ... 29
4.3.3.2. ŠKROB ... 29
4.3.3.3. HITOSAN ... 30
4.3.3.4. CELULOZA ... 30
5. SKLEP ... 32
6. LITERATURA IN VIRI ... 33
6.1. VIRI SLIK ... 37
6.2. VIRI TABEL ... 38
KAZALO SLIK
Slika 1: Shematski prikaz različnih načinov nestabilnosti emulzij ...3Slika 2: Prikaz 'Janus' delev na medfazi olje-voda ...5
Slika 3: Vpliv medfazne napetosti na prehajanje delcev med fazama (fw) ...8
Slika 4: Shematski prikaz rotor-stator homogenizatorja ... 12
Slika 5: Shematski prikaz visokotlačnega homogenizatorja ... 13
Slika 6: Mikrofluidne naprave (a) T-spoj in (b) usmerjanje pretoka za pripravo Pickering emulzij. ... 14
Slika 7: Zgoraj: stični kot za delce, adsorbirane na medfazi voda-olje. Primer, ko je delec prednostno navlažen z (A) vodo in (B) oljem. Spodaj: ukrivljanje medfazne površine in nastajanje emulzije ustreznega tipa. ... 15
Slika 8: Shema instrumenta LD ... 19
Slika 9: a) in b) SEM sliki polimerizirane stiren-voda emuzije, stabilizirane z nanokristali bakterijske celuloze, c) in d) krio-SEM sliki vodne kapljice, ki je prekrita s polistirenskimi
elipsoidi ... 20
Slika 10: Senzoričen profil testiranih vzorcev... 25
KAZALO TABEL
Tabela I: Vrednost stičnega kota različnih tekočin in tipa emulzije glede na vrsto trdnih delcev in oljne faze (olje : voda = 1:1 (v/v)) ...5Tabela II: Značilnosti emulzij (voda:toluen = 1:1 (v/v)) v odvisnosti od % silanolnih skupin na silicijevh delcih ... 15
Tabela III: Sestava formulacij uporabljenih v senzoričnem testu ... 24
Tabela IV: Razporeditev kofeina v plasteh kože po 24 urah (% aplicirane doze) ... 28
Tabela V: Razporeditev retinola v plasteh kože po 24 urah... 28
I
POVZETEK
Pickering emulzije so emulzije, stabilizirane s trdnimi delci, razporejenimi na medfazi olje-voda. Odkrite so bile pred stoletjem, v zadnjih desetletjih pa so postale raziskovalno izredno zanimive. V primerjavi s klasičnimi emulzijami so Pickering emulzije stabilnejše, nizko toksične in biološko bolj ugodne, saj so tako površinsko aktivne snovi odsotne ali prisotne v manjših deležih. Znanje o umeščanju delcev na medfazo se vse bolj dopolnjuje, raziskovalci pa iščejo predvsem povezavo med površinskimi značilnostmi delcev in tipom ter stabilnostjo nastale emulzije – stabilizacija emulzije tipa olje v vodi je uspešnejša s hidrofilnejšimi delci, stabilizacija emulzij tipa vode v olju pa s hidrofobnejšimi delci. Trdni delci se ireverzibilno adsorbirajo na medfazo, kar je mogoče zaradi delnega močenja delcev, ki je opredeljeno s stičnim kotom. Na stabilnost vplivajo tudi drugi dejavniki: koncentracija, velikost, oblike in površinske lastnosti delcev, vrsta oljne faze in razmerje med oljno in vodno fazo, medfazna napetost itd. Vsi ti parametri so med seboj povezani in pogosto sprememba enega parametra povzroči spremembe drugih. Pickering emulzije večinoma pripravljajo z visoko strižnimi tehnikami (rotor-stator homogenizator, visokotlačna homogenizacija in ultrazvočno razbijanje) in tehnikami nizkega striga (membransko emulgiranje in mikrofluidna tehnologija). V kozmetični industriji so emulzije eden najpogosteje uporabljenih medijev. Prednosti formulacij, stabiliziranih z delci so: večja stabilnost, boljša permeacija skozi kožo, boljši senzorični učinki, nadzorovano in počasno sproščanje aktivnih učinkovin, boljši reološki profil in trajnost. Stabilnost je mogoče doseči z uporabo različnih snovi, kot so silicijev dioksid, hitosan, celuloza in škrob. Njihove površinske lastnosti je mogoče spremeniti in izboljšati stabilnost, topnost, absorpcijo, reološke lastnosti ter senzorični občutek.
Ključne besede: Pickering emulzije, trdni delci, stabilizacija, kozmetika
II
ABSTRACT
Pickering emulsions are emulsions stabilised with solid particles, which are distributed at the oil-water interface. They were discovered a century ago but have become extremely interesting for research in recent decades. Compared to conventional emulsions, Pickering emulsions are more stable, low-toxic and biologically more favorable, as such surfactants are absent or present in smaller proportions. Knowledge of the placement of particles at the interface is increasing, and researchers are mainly looking for a connection between the surface characteristics of particles and the type and stability of the resulting emulsion - stabilisation of oil-in-water emulsion is more successful with more hydrophilic particles, stabilisation of water-in-oil emulsions with more hydrophobic particles. Solid particles are irreversibly adsorbed on the intermediate phase, which is possible due to the partial wetting of the particles, which is defined by the contact angle. Stability is also affected by other factors: concentration, size, shape and surface properties of the particles, type of oil phase and the ratio between oil and water phase, interfacial tension, etc. All of these parameters are interrelated and changing one parameter often results in changes of others. Pickering emulsions are mostly prepared by high shear techniques (rotor-stator homogenizer, high pressure homogenization and ultrasonic disintegration) and low shear techniques (membrane emulsification and microfluidic technology). In the cosmetics industry, emulsions are one of the most commonly used media. The advantages of particle-stabilised formulations are:
greater stability, better permeation through the skin, better sensory effects, controlled and slow release of active ingredients, better rheological profile and durability. Stability can be achieved by using various substances such as silica, chitosan, cellulose and starch. Their surface properties can be altered and improved for stability, solubility, absorption, rheological properties, and sensory sensation.
Key words: Pickering emulsions, solid particles, stabilisation, cosmetic
III
SEZNAM OKRAJŠAV
OKRAJŠAVA POMEN
AFM mikroskopija na atomsko silo
KAS kozmetično aktivne snovi
KI kozmetični izdelki
LD laserska difrakcija
O/V emulzija emulzija olja v vodi
PAS površinsko aktivne snovi
PE Pickering emulzija – emulzija, stabilizirana s trdnimi delci
SEM vrstična elektronska mikroskopija
TEM presnovna elektronska mikroskopija
V/O emulzija emulzija voda v olju
ZP zeta potencial
1
1. UVOD
1.1. EMULZIJE
Emulzije so heterogeni sistemi, ki so sestavljeni iz dveh ne-mešajočih se tekočin (vodne in oljne faze), kjer je ena snov (notranja faza) enakomerno dispergirana v drugi (zunanji oz.
kontinuirani fazi) v obliki majhnih kapljic. Premeri kapljic, ki tvorijo notranjo fazo, se razlikujejo, vendar so v kozmetičnih emulzijah običajno približno od 0,1 do 50 μm (1).
Emulzije spadajo med grobo disperzne sisteme in so termodinamično nestabilne. Za dispergiranje ene faze v drugi je nujna mehanska sila (mešanje). Če pride kapljica v stik z drugo, pride do koalescence in nastane kapljica z večjim premerom in manjšo površino, kot je površina posameznih kapljic pred koalescenco. Ta postopek se nadaljuje dokler ne pride do ločitve faz. Pojav najbolje opišemo s spremembo medfazne Gibbsove proste energije (ΔG), ki je produkt medfazne napetosti med obema fazama (γO/V) in spremembe površine dispergirane faze, ko je ta razpršena v zunanji (Δ A) (2):
∆𝐺 = 𝛾𝑂/𝑉 𝛥 𝐴 (enačba 1) (2).
Razpršitev ene faze v drugi povzroči drastično povečanje medfazne površine, zaradi česar je sistem nestabilen (povečanje medfazne energije). Sistem zato poskuša kompenzirati nestabilnost s koalescenco in s tem zmanjšati medfazno površino. Stabilnost emulzij izboljšujemo z dodatkom površinsko aktivnih snovi oz. emulgatorjev, ki se zaradi svoje kemijske zgradbe (polarna glava, nepolaren rep) razporedijo med fazama, zmanjšajo medfazno napetost in tako povečajo stabilnost sistema. Tako preprečimo nekatere oblike nestabilnosti, kot so koalescenca, flokulacija, Ostwaldova rast, fazna inverzija, flotacija in sedimentacija (opisano v nadaljevanju) (2).
Ločimo dva tipa emulzij: V/O emulzije, pri katerih je voda notranja faza in je dispergirana v olju, ki je zunanja oz. kontinuirana faza in O/V emulzije, pri katerih je olje notranja faza in je dispergirano v vodi (1, 3). Tip emulzije lahko določimo na več načinov.
Merjenje električne prevodnosti: osnovno načelo tega testa je, da je voda dober prevodnik električne energije. Pri tem preizkusu uporabljamo sklop, pri katerem par
2
elektrod, povezanih z električno žarnico, potopimo v emulzijo. Če je emulzija tipa O/V, električna žarnica sveti.
Redčenje z vodo (angl. dilution test): emulzijo razredčimo z oljem ali vodo. Če je emulzija tipa O/V in jo razredčimo z vodo, bo ostala stabilna, saj je voda zunanja faza. Če pa jo razredčimo z oljem, bo emulzija razpadla, saj se olje in voda med seboj ne mešata. Emulzijo O/V je mogoče zlahka razredčiti z vodnim topilom, emulzijo V/O pa je mogoče razredčiti z oljnim topilom.
Test obarvanja (angl. staining test): pri tem testu dodamo vodotopno barvilo (npr.
amarant) in opazujemo – če je kontinuirana faza rdeča, to pomeni, da je emulzija tipa O/V, saj je zunanja faza voda, v kateri se barvilo raztopi in daje barvo. Če so razpršene kapljice videti rdeče, kontinuirana faza pa brezbarvna, potem gre za tip V/O.
Kobaltov papir: ko filtrirni papir, predhodno namočen v raztopino kobaltovega klorida, potopimo v emulzijo in ga posušimo, se spremeni iz modrega v rožnatega, kar pomeni, da je emulzija tipa O/V (3, 4).
Poleg opisanih dveh vrst emulzij poznamo tudi multiple emulzije. Te so lahko voda v olju v vodi (V/O/V) ali olje v vodi v olju (O/V/O). Vendar je kozmetična uporaba le-teh izredno omejena, saj je možna pretvorba v osnovno emulzijo, npr. emulzija O/V/O se lahko pretvori v V/O emulzijo (3).
1.2. NESTABILNOSTI EMULZIJ
Stabilna emulzija je tista, v kateri razpršene kapljice ohranjajo svoj začetni značaj in ostanejo enakomerno porazdeljene v kontinuirani fazi želeni rok uporabe. Ne sme priti do faznih sprememb ali mikrobiološke kontaminacije, prav tako pa mora emulzija ohraniti vonj, barvo, konsistenco. Pojavijo se lahko kemijske nestabilnosti, kot je žarkost olj zaradi oksidacije z atmosferskim kisikom, depolimerizacija makromolekulskih emulgatorjev s hidrolizo ali mikrobno razgradnjo. Te lahko zmanjšamo z dodajanjem antioksidantov in konzervansov (1).
Prihaja lahko tudi do fizikalnih nestabilnosti, nekatere so reverzibilne (flokulacija, flotacija in sedimentacija), druge pa ireverzibilne (koalescenca, Ostwaldova rast in fazna inverzija)
3
(Slika 1). Flokulacija je nastanek šibkih reverzibilnih skupkov, kjer so kapljice še vedno ločene, saj je medfazni film nepoškodovan. Posledici gravitacije sta flotacija, ki predstavlja nabiranje kapljic oljne faze na površju O/V emulzije in sedimentacija, ki je posedanje kapljic vodne faze na dno V/O emulzije. Do tega lahko pride zaradi razlike v gostoti med fazama, kar opisuje Stokesov zakon. Hitrost flotacije/sedimentacije lahko upočasnimo z zmanjšanjem velikosti kapljic in/ali z zgostitvijo zunanje faze. Z rahlim mešanjem lahko emulzije vrnemo v prvotno stanje. Koalescenca je ireverzibilno združevanje kapljic zaradi poškodovanega medfaznega filma. Ostwaldova rast je proces nastajanja večjih kapljic zaradi difuzije notranje faze, kar povzroči rast večjih kapljic na račun manjših. Ta nestabilnost je rezultat Kelvinovega efekta in se pojavi, ko imajo majhne emulzijske kapljice (manjše kot 1 μm) višjo topnost (in parni tlak) kot večje kapljice ter so zato posledično termodinamično nestabilne. Fazna inverzija nastane, ko se npr. emulzija V/O pretvori v emulzijo O/V.
Dejavniki, ki vodijo v to, so: sprememba topnosti emulgatorja zaradi specifičnih interakcij z dodatki ali spremembe temperature. Procesi destabilizacije so med seboj odvisni, npr.
povečanje velikosti kapljic po koalescenci ali Ostwaldovi rasti bo povečalo hitrost flotacije, kot tudi nastanek večjih flokulov. Običajno flotacija, flokulacija in Ostwaldova rast potekajo sočasno v katerem koli vrstnem redu, ki mu sledi koalescenca (2, 3).
Slika 1: Shematski prikaz različnih načinov nestabilnosti emulzij
4
1.3. PICKERING EMULZIJE
Poznamo pa tudi emulzije, stabilizirane z adsorbiranimi trdnimi koloidnimi delci (organskimi ali mineralnimi delci) – Pickering emulzije. Razvoj Pickering emulzij se je začel z Ramsdenom leta 1903, prvič pa so bile omenjene leta 1907 v objavi Pickeringa (po katerem so tudi poimenovane), ki je ugotovil, da je stabilizacija emulzij tipa O/V uspešnejša s hidrofilnejšimi delci, stabilizacija emulzij tipa V/O pa s hidrofobnejšimi delci. Tak sistem ima bistveno večjo odpornost na deformacije v primerjavi z običajnimi emulzijami, stabiliziranimi s PAS. Trdni delci se ireverzibilno adsorbirajo na medfazo, kar je mogoče zaradi delnega močenja koloidnih delcev. V primerjavi s klasičnimi emulzijami so Pickering emulzije stabilnejše, nizko toksične in biološko bolj ugodne, saj so PAS odsotne ali prisotne v nižjih koncentracijah. Za uspešno izdelavo emulzij, stabiliziranih s trdnimi delci, moramo upoštevati naslednje parametre: i) delci morajo biti delno močljivi z vodno in oljno fazo – kontinuirana faza je običajno tista, kateri so delci bolj podobni; ii) površinski naboj ne sme biti previsok, da se delci med seboj ne odbijajo, namesto adsorbirajo na medfazo; iii) velikost delca mora biti veliko manjša od želene velikosti emulzijskih kapljic (5).
1.4. VRSTE TRDNIH DELCEV NA MEDFAZI
Poznamo dve vrsti sferičnih delcev, ki se adsorbirajo na medfazo voda-olje. Prvi tip so delci s homogeno močljivostjo ('uniformni' delci) – enako močljivi po celotni površini, drugi tip pa so delci s heterogeno močljivostjo ('Janus' delci), ki imajo dve površinski regiji različne močljivosti. Homogeni delci dosežejo maksimalno stabilnost emulzij pri stičnem kotu 90°, so močno površinsko aktivni in niso amfifilni. Zaradi površinske aktivnosti se lahko pretežno umeščajo le v eno fazo. Na ta način se lahko razlikujejo od klasičnih emulgatorjev, ki imajo težnjo po umeščanju v obe med seboj ne-mešajoči se fazi. Medtem pa so 'Janus' delci sposobni stabilizirati emulzije v širšem intervalu stičnih kotov (odstopanja od 90°) ter so površinsko aktivni in amfifilni. Najprej se je izraz uporabljal za delce z enakim razmerjem polarnih in nepolarnih regij, vendar se sedaj uporablja tudi za različna razmerja. Takšni delci imajo višjo adsorpcijsko energijo (6).
5
Slika 2: Prikaz 'Janus' delev na medfazi olje-voda
Kot je vidno na sliki 2, je položaj površinske meje med nepolarno in polarno regijo označen s kotom α. Vrednosti α bodisi 0 ali 180° ustrezajo 'Janus' delcem, medtem ko vrednost α = 90° ustreza 'uniformnim' delcem. Skupna prosta površinska energija “Janus” delca je funkcija stičnega kota β, ki je parameter za globino potopitve delca v oljno-vodno medfazo.
Za β = 0° je delec popolnoma lociran v olju, za β = 180° pa v vodi (6).
V dosedanjih raziskavah so kot trdne stabilizatorje V/O in O/V emulzij uporabljali železov oksid, hidrokside, kovinske sulfate in karbonate, silicijev dioksid, kremen … Učinkovitost teh delcev je odvisna od več dejavnikov: velikosti delcev, oblike, koncentracije, močljivosti in interakcije med delci. V Tabeli I lahko vidimo vpliv različnih oljnih faz in trdnih delcev na vrednost stičnega kota in tipa emulzije. Anorganski materiali običajno vodijo v nastanek O/V emulzij, organski delci (hidrofobni bentonit, polistiren) pa v nastanek V/O emulzij.
Delno hidrofobni delci (npr. silika) stabilizirajo O/V emulzije z bolj nepolarnimi olji, stični kot je < 90° in V/O emulzije z bolj polarnimi olji (estri, alkoholi), stični kot > 90° (7).
Tabela I: Vrednost stičnega kota različnih tekočin in tipa emulzije glede na vrsto trdnih delcev in oljne faze (olje : voda = 1:1 (v/v))
Vrsta trdnih delcev Oljna faza Stični kot (θO/V/o) Tip nastale emulzije Barijev sulfat dodekan
izopropilmiristat
0 0
O/V O/V Kalcijev karbonat dodekan
cikloheksan
43 39
O/V O/V
6 Hidrofilni SiO2 dodekan
cikloheksan PDMS 50 Cs izopropilmiristat
undekanol
38 37 81 32 38
O/V O/V O/V O/V O/V Delno hidrofobni
SiO2
dodekan cikloheksan izopropilmiristat
undekanol
83 87 101 110
O/V O/V V/O V/O Hidrofobni SiO2 dodekan
cikloheksan PDMS 50 cS izopropilmiristat
undekanol
135 135 172
>175 151
V/O V/O V/O V/O V/O
Bentonit dodekan
izopropilmiristat
81 96
V/O V/O Hidrofobni bentonit dodekan
izopropilmiristat
110 141
V/O V/O
Polistiren dodekan
PDMS 50 cS
152 175
V/O V/O Polifluorotetraetilen
(PFTE)
dodekan izopropilmiristat
undekanol
147 175 130
V/O V/O V/O
1.4.1. ADSORPCIJA/DESORPCIJA DELCEV NA MEDFAZI
Jakost stabilizacije emulzij z delci določimo s količino energije, ki je potrebna, da adsorbirni delec odstranimo z medfaze. Energija pritrditve/odstranitve delca na medfazi voda-olje je povezana z močljivostjo delca, z napetostjo na medfazi in velikostjo delca – če predpostavimo, da je delec sferične oblike in dovolj majhen (običajno manjši od 1 μm) – tako da je učinek gravitacije zanemarljiv. Energijo (E), potrebno za adsorpcijo/desorpcijo delca z medfaze, podamo z:
7 𝐸 = 𝜋𝑟2𝛾𝑂/𝑉(1 ∓ cos 𝜃)2 (enačba 2),
kjer je γO/V medfazna napetost olje-voda, r polmer delca in θ je trifazni stični kot – območje med dispergirano fazo, kontinuirano fazo in trdnim delcem. Ker delec predstavlja sterično bariero pred ireverzibilnim združevanjem kapljic, je potrebna velika energija, da ga odstranimo s površine. Poškodovati je potrebno zaščitni film okrog kapljice in tako sprožiti proces koalescence. Predznak znotraj oklepaja je negativen za premik delca v vodno fazo in pozitiven za premik v oljno fazo. Npr. pri delcu r = 10-8 m in γO/V = 36 mNm-1 (toluen-voda) je vezava na medfazo najmočnejša pri stičnem kotu 90° in E = 2750 kT (kjer je »k«
Boltzmanova konstanta in »T« temperatura); na obeh straneh 90° E hitro pade (< 10 kT).
Torej, za stične kote < 90° se delec lažje premakne v vodno fazo, za stične kote > 90° pa se delec lažje premakne v oljno fazo. Desorpcijska energija je manjša za manjše delce, zato ti morda niso najboljši stabilizatorji. Zelo močna sidrna energija in specifične interakcije med delci na medfazi so izvor posebnih lastnosti z delci stabiliziranih emulzij (7–9).
1.4.2. PREHAJANJE DELCEV MED FAZAMA
Zaradi majhnih velikosti sferičnih delcev prihaja na medfazi do vpliva Brownovega gibanja na vzpostavitev ravnotežnega stanja z najnižjo prosto energijo. To dosežemo takrat, ko se večina površine delcev potopi v fazo, s katero vzpostavijo boljše interakcije ali alternativno na medfazo, kjer je zaradi zmanjšanja površine med fazama nižja prosta energija.
Sprememba proste energije pri transportu sferičnega delca iz vode v olje je odvisna od velikosti površine delca in razlike v vrednosti površinskih energij delca v obeh fazah:
𝐸 = 4𝜋𝑟2(𝛾𝑆/𝑂 − 𝛾𝑆/𝑉) (enačba 3),
kjer je S – trdno, O – olje, V – voda. Znotraj oklepaja lahko zamenjamo člen iz Youngove enačbe:
𝛾𝑆/𝑂 − 𝛾𝑆/𝑉 = 𝛾𝑂/𝑉cos 𝜃𝑂/𝑉 (enačba 4),
kjer uporabimo medfazno napetost olje-voda in stični kot delca na medfazi. Če zanemarimo entropijo mešanja delcev z vodo in oljem, sledi končna enačba za prosto energijo medfaznega prenosa delca:
8 𝐸 = 4𝜋𝑟2𝛾𝑂/𝑉cos 𝜃𝑂/𝑉 (enačba 5).
Slika 3: Vpliv medfazne napetosti na prehajanje delcev med fazama (fw)
Prenos delcev med fazama je odvisen od velikosti stičnega kota delcev na medfazi, velikosti delcev in medfazne napetosti. Slika 3 prikazuje medsebojno odvisnost deleža delcev, prisotnih v vodni fazi (fw), in stičnega kota za delce premera 10 nm, razdeljene med vodno in oljno fazo pri dveh različnih γO/V. Pri visoki medfazni napetosti 36 mNm-1 (toluen-voda) pride do enkratnega popolnega prenosa delcev med fazama (polna črta) pri stičnem kotu 90°.
Pri nizki medfazni napetosti (prisotnost emulgatorjev) 0,05 mNm-1 pa prihaja do postopnega prehoda delcev med fazama (črtkana črta) pri 298 K (2, 9).
9
2. NAMEN DELA
Kozmetična industrija je eden najhitreje rastočih industrijskih sektorjev, ki se nenehno razvija z uveljavljanjem novih tehnologij in vključevanjem inovativnih, a trajnostnih izdelkov. Kozmetični izdelki so sestavljeni iz različnih formulacij za nego kože in las, dekoracijo in ličenje. Tradicionalno kozmetične emulzije stabiliziramo z uporabo površinsko aktivnih snovi ali polimerov. Zaradi škodljivih vplivov na okolje, učinkov citotoksičnosti in številnih nevarnosti za zdravje se zavzemamo za prehod na trajnostne emulzije brez površinsko aktivnih snovi. Z naraščajočim povpraševanjem potrošnikov po varnejših in biološko razgradljivih izdelkih je postalo priljubljeno oblikovanje emulzij s trdnimi delci.
Namen diplomske naloge je narediti podrobnejši pregled pristopov stabilizacije in vrednotenja emulzij, stabiliziranih s trdnimi delci (Pickering emulzij).
Cilji diplomskega dela:
- pregledati postopke s katerimi lahko pripravimo Pickering emulzije, - podrobneje predstaviti pristope za stabilizacijo Pickering emulzij in - narediti pregled uporabe le-teh v kozmetični industriji.
10
3. METODE DELA
Diplomska naloga je pregled člankov in drugih literaturnih virov na področju emulzij, stabiliziranih s trdnimi delci, saj so te v zadnjih desetletjih postale raziskovalno izredno zanimive. Literaturo smo iskali v podatkovnih bazah: Sciencedirect, PubMed, ResearchGate, SpringerLink, Wiley Online Library, ACS Publications. Najprej smo podrobneje pregledali splošne postopke izdelave Pickering emulzij (PE), nato še vplive močljivosti trdnih delcev, površinskega naboja, velikosti in koncentracije delcev, vrst olja, razmerja oljne in vodne faze ter medfazne napetosti na stabilnost PE. Raziskali smo tudi prisotnost PE v kozmetičnih izdelkih in poiskali opise njihovega vpliva na senzorične lastnosti, vpliv na sproščanje KAS in opisali oz. navedli najpogosteje uporabljene trdne delce za stabilizacijo.
11
4. RAZPRAVA
4.1. TEHNIKE PRIPRAVE PICKERING EMULZIJ
Vse postopke emulgiranja, ki jih uporabljamo za pripravo emulzij stabiliziranih s površinsko aktivnimi snovmi (PAS), lahko uporabimo za pripravo Pickering emulzij. Najpogosteje uporabljamo rotor-stator homogenizacijo, homogenizacijo pod visokim tlakom in ultrazvočno razbijanje. V zadnjem času pa pri pripravi PE uporabljajo tudi tehnike, kot so membransko emulgiranje in mikrofluidika (10).
4.1.1. ROTOR-STATOR HOMOGENIZACIJA
Ena izmed metod za pripravo Pickering emulzij je homogenizacija, katere homogenizator je sestavljen iz rotorja in statorja (Slika 4). Ko se rotor rezila vrti, lahko tekočina kroži v in iz posode. Zaradi pospeševanja, ki ga povzročajo hitro vrtenje tekočine v napravi in strižne sile med rotorjem in statorjem, se zmanjša velikost kapljic emulzije. Poleg tega je potrebno za zmanjšanje povprečne velikosti delcev homogenih izdelkov zmanjšati razmik med statorjem in rotorjem. Na velikost kapljic emulzije vplivata čas homogenizacije in hitrost vrtenja rotorja (10).
Homogenizacija rotor-stator ima številne prednosti. Prvič, upravljanje je enostavno in priročno, stroški pa so nizki. Drugič, postopek emulgiranja, ki potrebuje le nekaj minut, je hiter in tudi energijsko učinkovit. Poleg tega je homogenizator prilagodljiv in raznolik v zasnovi, zato je tehnologija široko prilagodljiva. Vendar pa obstaja nekaj slabosti.
Emulgirani vzorci morda niso enakomerno homogenizirani. Če je reža med statorjem in rotorjem preozka, bo to povzročilo težave pri načrtovanju komponent, natančnosti obdelave in postopku. Ko se rotor vrti z veliko hitrostjo, bo po deformaciji rotor verjetno trčil v stator.
Poleg tega je med postopkom emulgiranja strižna hitrost med rotorjem in statorjem velika, kar lahko poškoduje ali deformira krhke delce ali agregate (10).
12
Slika 4: Shematski prikaz rotor-stator homogenizatorja
4.1.2. HOMOGENIZACIJA POD VISOKIM TLAKOM IN ULTRAZVOČNO RAZBIJANJE
Metoda homogenizacije pod visokim tlakom je pogostejši postopek emulgiranja za pripravo Pickering emulzij. Homogenizator (Slika 5) je sestavljen iz visokotlačne črpalke in homogene šobe. Najprej primarno emulzijo spustimo skozi reže visokotlačnega homogenizatorja in pustimo, da jo kavitacija, turbulenca in strig pretvorijo v fino emulzijo.
Veliko podatkov kaže, da so kapljice, ki nastanejo pri visokotlačni homogenizaciji, manjše od tistih, ki nastanejo pri homogenizaciji rotor-stator. Visokotlačna homogenizacija ima številne prednosti, kot sta sposobnost neprekinjene proizvodnje in možnost pridobivanja majhnih in enakomernih kapljic (11).
Ultrazvočna metoda za pripravo emulzije prav tako izkorišča kavitacijo, turbulenco in strižni stres, zaradi česar se lahko stabilizator adsorbira na medfazi. Tu kavitacija med tvorbo emulzije povzroča lokalno visoko temperaturo, visok tlak in stres, kar je koristno za tvorbo PE. Najpogosteje uporabljena oprema za pripravo Pickering emulzije je ultrazvočna sonda.
Lahko prenaša ultrazvočno energijo na snovi v okolici in tako povzroči emulgiranje. Številne raziskave so pokazale, da je velikost kapljic Pickering emulzije blizu velikosti, ki jo dobimo z visokotlačno homogenizacijo (11).
13
Obe metodi imata tudi določene omejitve. Zaradi visokega lokalnega tlaka in visoke temperature je poraba energije med postopkom priprave velika, kar je povezano z visokimi obratovalnimi stroški (11).
Slika 5: Shematski prikaz visokotlačnega homogenizatorja
4.1.3. MEMBRANSKO EMULGIRANJE
Tehnologija emulgiranja z membrano se nanaša na postopek stiskanja čiste dispergirane faze ali primarne emulzije v mikroporozno membrano ter na nadzor hitrosti vbrizgavanja in strižnih pogojev za pripravo Pickering emulzije (10). Velikost por membrane, viskoznost zunanje faze in dispergirane faze ter površinska napetost so pomembni dejavniki, ki vplivajo na velikost kapljic Pickering emulzije (12). V primerjavi s konvencionalnimi metodami priprave je membransko emulgiranje okolju prijazna metoda, zahteva manj energije za pripravo emulzije z enako velikostjo delcev, velikost delcev emulzije pa je enakomerna.
Ima pa tudi nekaj slabosti. Postopek zahteva veliko časa in je primeren le za sisteme z nizko viskoznostjo. Torej je omejitev te metode predvsem nizek izkoristek emulgiranja, kar je lahko razlog za malo literaturnih objav o tej metodi (11).
4.1.4. MIKROFLUIDNA TEHNOLOGIJA
Mikrofluidna tehnologija je nova metoda za pripravo emulzij. Načelo tvorjenja emulzije pri tej metodi je, da notranja faza teče vzporedno, zunanja faza pa teče navpično in prva tvori
14
sferične kapljice pod uporom neprekinjene faze, ko se ti srečata (Slika 6). V primerjavi z emulzijami, pripravljenimi s konvencionalnimi homogenizatorji, imajo te emulzije boljšo stabilnost. Mikrofluidna tehnologija je nežna in obetavna metoda brez velikih strižnih sil, zato ne uniči aglomeratov stabilizatorja in s tem okoli kapljic tvori debel film za stabilizacijo emulzije. Poleg tega lahko mikrofluidna metoda nudi številne prednosti pri enostavni pripravi in natančnem nadzoru kapljic emulzije (11).
Slika 6: Mikrofluidne naprave (a) T-spoj in (b) usmerjanje pretoka za pripravo Pickering emulzij.
4.2. MEHANIZMI STABILIZACIJE PICKERING EMULZIJ
Stabilizacijo Pickering emulzij lahko dosežemo z adsorbcijo delcev na medfazno površino olje/voda, ki tvorijo mono- ali več-slojno mrežo okoli dispergiranih kapljic – nastanek sterične bariere. Delci, ki so tesno skupaj ob in nad medfaz,o lahko pri tem tudi delno flokulirajo. Pri tem prihaja tudi do sprememb reoloških lastnosti emulzije (poveča se viskoznost), ko pri določeni vsebnosti med seboj integrirajočih delcev nastane v zunanji fazi 3D mreža delcev (13).
4.2.1. MOČLJIVOST – STIČNI KOT (θ)
Za adsorpcijo delcev na medfazi jih morata delno močiti obe fazi. Močenje opredeljujemo s stičnim kotom, ki je kot med tangento na trdno-vodni površini in tangento na oljno-vodni
15
površini, kjer se srečajo vse tri faze. S stabilizacijo emulzij z eno plastjo trdnih delcev dobimo emulzijo O/V za kote 15° < θ < 90°, kjer se hidrofilni delci uredijo tako, da je večja površina delca v zunanji (vodni) fazi. Za emulzije V/O pa kote 90° < θ < 165°, kjer se bolj hidrofobni delci uredijo tako, da je večja površina delca v zunanji (oljni) fazi (Slika 7) (7, 8).
Slika 7: Zgoraj: stični kot za delce, adsorbirane na medfazi voda-olje. Primer, ko je delec prednostno navlažen z (A) vodo in (B) oljem. Spodaj: ukrivljanje medfazne površine in
nastajanje emulzije ustreznega tipa.
Emulzija je stabilna, ko je za odstranitev delca z medfaze potrebno vložiti veliko energije.
V primeru 'uniformnega' delca je ta energija največja pri stičnem kotu 90°, vsakršno odmikanje od tega kota pomeni zmanjšanje desorpcijske energije in s tem slabšo stabilnost.
Na močljivost lahko vplivamo s spreminjanjem površinskih lastnosti delcev in tako dosežemo heterogeno močljivost ('Janus' delci). V raziskavi Binksa in Lumsdona so s spreminjanjem deleža silanolnih skupin na površini delcev silicijevega dioksida (spreminjanje hidrofobnosti) ugotavljali čas stabilnosti, tip emulzijskih sistemov in velikost nastalih kapljic (Tabela II) (14).
Tabela II: Značilnosti emulzij (voda:toluen = 1:1 (v/v)) v odvisnosti od % silanolnih skupin na silicijevih delcih
% silanolnih
skupin Tip emulzije Premer kapljic
(μm) % koalescence Čas stabilnosti
100 O/V 150 30 2 min
79 O/V 120 5 10 min
16
76 O/V 75 0 3 leta
67 V/O 1 0 3 leta
50 V/O 0,7 0 3 leta
20 V/O 200 46 2 min
Na močljivost vplivajo tudi dodatki emulgatorjev, kjer nastopi ali tekmovanje z delci za adsorpcijo na medfazo ali pa pride do sinergizma. Slednje je vzrok za povečano znižanje medfazne napetosti, spremenjen stični kot s sledečo inverzijo tipa emulzije ali delna flokulacija delcev (15).
Metode, s katerimi merimo stični kot, lahko razvrstimo v dve kategoriji: ˝skupne metode˝ in
˝metode posameznih delcev˝. ˝Skupne metode˝ temeljijo na statičnih meritvah večjega števila delcev. Vključujejo medfazno izključitev delcev (angl. interfacial particle expulsion), stiskanje monosloja (angl. monolayer compression), merjenje viseče kapljice s tenziometrom (angl. pendant drop tensiometer) ali metode odbojnosti (angl. reflectivity methods). Glavne prednosti teh tehnik so, da jih je mogoče uporabiti za majhne delce in za različne vrste delcev. Kljub temu pa imajo te metode tudi nekaj pomanjkljivosti, in sicer so neobčutljive na heterogenost delcev in vključujejo predpostavke o mikrostrukturi medfaze, o obliki delcev na medfazi in o specifičnih mehanizmih adsorpcije/desorpcije (16). "Metode posameznih delcev" večinoma temeljijo na neposrednem opazovanju delcev ali njihovih odtisov, kar omogoča oceno heterogenosti delcev. Glavni pomanjkljivosti teh metod sta, da so statistične meritve zahtevna naloga in da je merjenje stičnega kota na zelo majhnih delcih zelo zapleteno ali celo nemogoče, saj so tehnike, ki jih uporabljamo za opazovanje, omejene na nekaj deset mikrometrov (pri optičnih mikroskopih in mikroskopih svetlega polja) ali na nekaj mikrometrov. Za izboljšanje občutljivosti nekaterih metod uporabljajo dodatno tehniko imobilizacije delcev, kar omogoča uporabo občutljivejših metod opazovanja, kot sta SEM (vrstična elektronska mikroskopija) ali AFM (mikroskopija na atomsko silo). Ena izmed njih je GTT (angl. gel trapping technique). Pri tej tehniki ena od faz gelira, da se delci ujamejo na medfazi. Kombiniramo jo s SEM ali z AFM – ločljivost velikosti se nato zmanjša nekaj sto nanometrov, vendar je treba v vodni fazi dodati sredstvo za geliranje (npr. gumi gellan) in opraviti dodatni korak segrevanja, kar lahko povzroči deformacijo delcev ali medfaze. Pred kratkim je bila razvita še ena metoda z enim delcem, ki uporablja tehniko imobilizacije delcev, in sicer krio-SEM z zamrzovanjem in odlivanjem sence (FreSCa cryo-
17
SEM). Čeprav je za to tehniko potreben zapleten aparat, se ločljivost zmanjša na nekaj deset nanometrov – to je najboljša ločljivost, ki so jo doslej dosegli z "metodami posameznih delcev" – vendar je izbira olja pri tehnikah krio-SEM bistvenega pomena, da bi se izognili kristalizaciji olja, ki lahko med zamrzovanjem povzroči artefakte ali deformacijo medfaze.
Bistvena je tudi samoadsorpcija delcev na medfazi, saj se delci nanesejo na ploskovno medfazo med tekočino in tekočino brez dodatnega vnosa energije, kar je lahko omejitev pri adsorpciji nekaterih delcev (16).
4.2.2. POVRŠINSKI NABOJ
Za stabilnost koloida je pomembna tudi velikost površinskega naboja, ki jo lahko določimo z merjenjem zeta potenciala (ZP) suspenzije delcev. Zeta potencial je elektrokinetični potencial disperznih sistemov in je merilo električnega naboja, difuznega dela električnega dvosloja (17). Kadar ima suspenzija ZP > ± 30 mV, med delci prevladuje elektrostatska odbojnost zaradi visokega površinskega naboja, aglomeracija delcev je zavrta. Kadar je ZP
< ± 30 mV in je naboj površine nizek, pa prevladujejo privlačne van der Waalsove sile, ki povzročajo agregacije dispergiranih delcev. Za Pickering emulzije igra naboj pomembno vlogo tudi zaradi adsorpcije trdnih delcev na medfazo. Ko imajo delci visok ZP se odlepljajo s površine, pri nižjem ZP pa prihaja do agregacije trdnih delcev, kar okrepi povezavo trdnih delcev s kontinuirano fazo in okrepi stabilizacijo emulzije. Vendar je potrebno opozoriti, da lahko nizka vrednost ZP povzroči koalescenco emulzijskih kapljic in destabilizacijo emulzije, če privlačna sila delcev preseže desorpcijsko energijo. Na spremembe zeta potenciala ter stičnega kota vplivajo spremembe pH in dodatek elektrolitov (5).
ZP izračunamo na podlagi teoretičnih modelov ali ga ocenimo eksperimentalno, pogosto na podlagi elektroforetične gibljivosti. Pri določanju zeta potenciala spremljamo hitrost, s katero se nabiti delec premika, kot odziv na električno polje (migrirajo proti nasprotno nabiti elektrodi). Hitrost migracije je sorazmerna z zeta potencialom in jo običajno merimo z lasersko Dopplerjevo elektroforezo. Obstajajo pa tudi zeta-metri, ki običajno temeljijo na enem od dveh elektroakustičnih učinkov: električni zvočni amplitudi ali koloidnem vibracijskem toku. Prednost uporabe elektroakustične metode za opredelitev zeta potenciala je, da vzorca ni treba razredčiti (18).
18 4.2.3. VELIKOSTI DELCEV
Dimenzije delcev nadzorujejo dve glavni lastnosti končnih emulzij: stabilnost in velikost emulzijskih kapljic. Manjši delci tvorijo stabilnejše emulzije, ker imajo ti hitrejšo adsorpcijsko kinetiko (ob predpostavljanju, da pri tem ni ovir) in dosežejo višjo gostoto delcev na površini kapljic, kar vodi v enakomerno in popolnoma prekrito plast delcev okoli kapljic. Vendar pa v primeru izredno majhnih delcev energija za odstranitev le-teh tako pade, da lahko sklepamo, da tako majhni delci niso učinkoviti stabilizatorji.
Velikosti delcev vplivajo tudi na velikost kapljic, ki nastanejo pri emulgiranju, pri čemer se velikost kapljic znižuje z manjšo dimenzijo delcev, uporabljenih za stabilizacijo (5).
Metode, s katerimi najpogosteje merimo velikosti delcev:
Laserska difrakcija
Laserska difrakcija (LD) je široko uporabljena metoda za določevanje velikosti delcev v različnih fizikalnih stanjih (praških, emulzijah, suspenzijah …). Primerna je za merjenje širokega razpona velikosti delcev (0,02–3500 μm) in majhnih količin vzorca. Analize so enostavne, hitre in dajejo ponovljive rezultate (16).
Laserska difrakcija, znana tudi kot statično razprševanje svetlobe pod nizkim kotom, ocenjuje porazdelitev velikosti delcev z merjenjem kotnega spreminjanja intenzitete razpršene svetlobe, ko laserski žarek prehaja skozi sistem razpršenih delcev (Slika 8). Glede na vpadni laserski žarek veliki delci razpršijo svetlobo pod majhnimi koti, majhni delci pa pod velikimi koti – kotna intenziteta sipanja se analizira za izračun porazdelitve z uporabo Fraunhoferjeve ali Miejeve teorije, ki temeljita na modelu prostorninsko ekvivalentne krogle, velikost delcev pa se navede kot prostorninsko ekvivalentni premer krogle. Na splošno daje Miejeva teorija boljše rezultate za vzorce tekoče disperzije, vendar zahteva predhodno poznavanje lomnega količnika in absorpcije svetlobe delcev ter lomnega količnika disperzanta (19).
19
Slika 8: Shema instrumenta LD
Prisotnost delcev na medfazi lahko predstavlja zanimive vplive na lastnosti emulzij, stabiliziranih s trdnimi delci. Nekateri eksperimenti so potrdili spremembe optičnih lastnosti zaradi prisotnosti delcev, če predpostavimo, da so kapljice popolnoma pokrite s trdnimi delci, zato je vrednost lomnega količnika, ki ga uporabimo za merjenje stabilizatorja delcev, pomembna. Drugi so domnevali, da je vzorec sipanja svetlobe emulzije neodvisen od trdnih delcev, adsorbiranih na kapljicah emulzije, saj je debelina stabilizacijske plasti le nekaj nanometrov. Začasni način za preprečevanje zavajajočih podatkov teh analiz bi bilo izvajanje kvalitativne optične/elektronske mikroskopske analize za preverjanje kvantitativnih rezultatov, pridobljenih z meritvami laserske difrakcije (5).
Mikroskopska vizualizacija
Poleg kvantitativne metode z lasersko difrakcijo ali razprševanjem svetlobe je mogoče vizualizirati emulzije z optično mikroskopijo, kar uporabljajo raziskovalci za kakovostno analizo velikosti emulzijskih kapljic. Optična mikroskopija uporablja vidno svetlobo in več leč, da dobimo do 1000-kratno povečavo slike. Sliko analiziramo s programsko opremo za slikanje in dobimo povprečno velikost in porazdelitev velikosti (histogram) Pickering emulzij. Dobljene vrednosti lahko nato primerjamo s kvantitativnimi rezultati, zabeleženimi z LD. Poleg optične mikroskopije pa sta na voljo tudi elektronska mikroskopija in mikroskopija na atomsko silo. Vendar pa ti pristopi zahtevajo zamudno pripravo vzorcev in rokovanje z instrumenti, zaradi česar so manj v uporabi za določanje zgolj velikosti Pickering emulzij (večja uporaba pri določanju morfološke strukture in medfaznih lastnosti) (5).
20 4.2.4. OBLIKE DELCEV
Tudi oblika delcev je pomemben dejavnik, ki vpliva na stabilnost Pickering emulzij.
Poznamo sferične, vlaknaste, poligonalne, elipsoidne in paličaste. Primerni delci za stabilizacijo Pickering emulzij imajo sferično obliko, saj jih lahko delno močita obe fazi.
Oblikujejo lahko bolj kompaktno tridimenzionalno mrežno strukturo na medfazi voda-olje ter tako preprečujejo združevanje dispergirane faze – še bolj primerni pa so lahko paličasti delci. Pickering emulzije, stabilizirane s sferičnimi delci želatine, imajo odlično stabilnost pri 14-dnevnem shranjevanju. Zanimivo je, da lahko paličicam podobni celulozni nanokristali (CNC) stabilizirajo O/V Pickering emulzije več kot eno leto (Slika 9) (20).
Slika 9: a) in b) SEM sliki polimerizirane stiren-voda emuzije, stabilizirane z nanokristali bakterijske celuloze, c) in d) krio-SEM sliki vodne kapljice, ki je prekrita s polistirenskimi
elipsoidi
4.2.5. KONCENTRACIJA DELCEV
Nekaj študij kaže tudi na vpliv koncentracije delcev na stabilnost emulzij in velikost kapljic.
Večja kot je koncentracija delcev, več delcev je na medfazi olje-voda, kar je koristno za stabilizacijo in omejevanje procesa združevanja. Ko je koncentracija delcev, ki se porabljajo za pokrivanje površine kapljic, presežena, lahko preostali delci tvorijo sterično oviro v zunanji fazi, kar povzroči geliranje kontinuirane faze in dodatno zavre pojav koalescence.
21
Izjemno visoka koncentracija delcev pa povzroči združevanje in posedanje delcev (20). Z višanjem koncentracije delcev pa manjšamo velikost kapljic emulzije (21).
4.2.6. OLJNA FAZA IN RAZMERJE MED OLJNO IN VODNO FAZO
Po Youngovi enačbi (enačba 4) je trifazni stični kot (θ) neposredno povezan z uporabljenim oljem preko medfazne napetosti. Posledično je izbira olja ključnega pomena, saj narava olja neposredno vpliva na vrednost θ (10).
Polarnost olja lahko povzroči spremembo tipa ali stabilnosti izdelanih emulzij. V študijah so pokazali, da nanodelci silicijevega dioksida z vmesno močljivostjo omogočajo stabilizacijo O/V emulzije z nepolarnimi olji (kot so ogljikovodiki) in V/O emulzijami s polarnimi olji (kot so estri in alkoholi). Ugotovljeno je bilo, da je silicijev dioksid bolj hidrofilen v prisotnosti nepolarnih olj in bolj hidrofoben v prisotnosti polarnih olj (22). Prav tako lahko viskoznost oljne faze vpliva na velikost kapljic in stabilnost emulzije.
Razmerje med oljno fazo in vodno fazo vpliva tudi na velikost kapljic in vrsto emulzije. V raziskavi je He s sodelavci opazil, da se je velikost kapljic emulzije povečala z višanjem deleža dispergirane faze s konstantno koncentracijo delcev grafenovega oksida. S tem pride tudi do povečanja medfazne površine. Če pa količina delcev ostane nespremenjena, ni mogoče stabilizirati večjega medfaznega območja, kar povzroči nastanek večjih kapljic (23).
Nekateri avtorji so opazili, da ob povečanju disperznega faznega razmerja prihaja do kritične fazne inverzije (od O/V do V/O ali obratno) (22) ali spremembe vrste emulzije (od enostavne do multiple ali obratno) (23).
4.2.7. MEDFAZNA NAPETOST
Kadar hkrati obstajata dve fazi, med njima obstaja tudi mejna površina. Na molekulski ravni so za pojav medfazne napetosti odgovorne kohezijske sile med molekulami tekočin. V notranjosti tekočine imajo molekule med seboj enakomerne interakcije, zato se rezultante vseh sil v povprečju izravnajo. Medfazna napetost izhaja iz razlike med molekulskimi silami na površini obeh tekočin na medfazi. Ker so molekule v tekoči fazi mobilne, zavzame
22
tekočina geometrijsko obliko z najmanjšo možno površino (ko ni vplivov drugih sil, se tvori krogla), saj je to termodinamsko najugodnejše. Če želimo povečati površino med tekočinama, moramo povečati število molekul na medfazi in posledično energijo, saj je potrebno v to vložiti delo. Medfazna napetost je presežna energija na enoto površine in je kvocient sile in dolžine (24).
Glavna dejavnika, ki vplivata na medfazno napetost, sta kemizem tekočin in temperatura.
Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da medfazna napetost skoraj linearno pada z višanjem temperature; ko temperatura narašča, se aktivnost molekul poveča, kar povzroči zmanjšanje kohezivnih interakcij. To povzroči zmanjšanje medfazne napetosti. Drug dejavnik, ki vpliva na medfazno napetost, je tlak. Ta v večini meritev medfazne napetosti nima vpliva, vendar ga je potrebno upoštevati, ko preučujemo procese, ki se dogajajo pod visokim tlakom.
Splošno velja, da se z višanjem tlaka poveča topnost plina in s tem medfazna napetost pada (24, 25).
Medfazno napetost in površinsko napetost lahko merimo z različnimi metodami: dvig tekočine v kapilari, tenziometrična metoda, manometrična metoda, Wilhelmyjeva metoda, stalagmometrična metoda. Merjenje površinske in medfazne napetosti se najpogosteje izvaja s tenziometričnimi metodami. Ti instrumenti temeljijo na merjenju sil na sondo, ki je nameščena na medfazi tekočina-tekočina. Sonda je povezana s torzijsko tehtnico, s katero izmerimo silo, ki je potrebna, da se sonda odtrga od medfaze. Sila je odvisna od: velikosti in oblike sonde, stičnega kota med sondo in tekočino ter medfazne napetosti. Sonde so običajno narejene iz platine, kar pomaga zagotoviti ničelni kontaktni kot med sondo in tekočino.
Najpogosteje uporabljeni sondi sta: Du Noüyev obroč in Wilhelmyjeva ploščica. Namesto Wilhelmyjeve plošče lahko uporabimo tudi kovinsko palico, ko je količina vzorca omejena.
Tenziometrične metode so relativno hitre, enostavne in zadovoljivo natančne (24, 25).
4.3. UPORABNOST PICKERING EMULZIJ V KOZMETIKI
V kozmetični industriji so emulzije eden najpogosteje uporabljenih medijev. Kozmetične emulzije so sestavljene iz hidrofilnega in hidrofobnega topila, površinsko aktivnih snovi in snovi, ki dodajajo ali izboljšujejo funkcionalnost, vonj, senzorične občutke in nadzorujejo kakovost (npr. rok uporabe, viskoznost). Amfifilne snovi (ali drugače znane kot površinsko aktivne snovi) uporabljamo predvsem za emulgiranje, raztapljanje, dispergiranje oljne ali
23
vodne faze, povečanje stabilnosti in izboljšanje adsorpcije (emulziji pomagajo prodreti v kožo in lase) (26). Nekatere najpogosteje uporabljene PAS so Tween 80, Span 80, natrijev lauretov sulfat (SLES), natrijev lavril sulfat (SLS), natrijev dodecil sulfat (SDS), kokamidopropil betain (CAPB), polietilen glikol etri in druge. Čeprav so PAS v kozmetičnih izdelkih precej pogoste, so nedavne študije pokazale, da povzročajo škodljive učinke, kot so draženje kože, hemoliza in citotoksičnost (27). Poleg tega PAS niso biološko razgradljive in biokompatibilne ter imajo škodljive učinke na okolje. Prav tako vplivajo na hidro-lipidni film kože in s tem povečajo prepustnost, kar povzroči motnje v celičnih membranah, včasih pa tudi lizo celic in denaturacijo beljakovin (28).
Prednosti kozmetičnih formulacij, stabiliziranih z delci, v primerjavi z emulzijami, stabiliziranimi s PAS, so: večja stabilnost, boljša permeacija skozi kožo, boljši senzorični učinki, nadzorovano in počasno sproščanje aktivne učinkovine, boljši reološki profil in trajnost. Čeprav je zanimanje za uporabo delcev kot dodatkov v kozmetičnih formulacijah zelo veliko in se izvajajo poskusi, je na voljo zelo malo rezultatov raziskav o uporabi delcev kot stabilizatorja v kozmetični emulziji. Stabilnost je mogoče doseči z uporabo različnih surovin, kot so silicijev dioksid, hitosan in škrob, katerih površino je mogoče spremeniti za izboljšanje stabilnosti, topnosti, absorpcije, reoloških lastnosti in senzoričnega občutka (26).
4.3.1. SENZORIČEN OBČUTEK
V kozmetični industriji je senzoričen občutek eden najpomembnejših parametrov, ki vpliva na uspeh ali neuspeh izdelka. Občutek po uporabi, mastnost, tekstura, lepljivost, sijaj, vonj in videz so nekatere od lastnosti, ki jih ocenjujemo pri razvoju kozmetične formulacije. V zadnjih letih je bilo ugotovljeno, da formulacije, stabilizirane z delci, v primerjavi z običajnimi formulacijami pozitivno vplivajo na senzorične lastnosti in izboljšajo izkušnjo kupcev. Znano je, da Pickering emulzije ne povzročajo draženja, imajo prijetno zaznavanje in želeno teksturo (26, 29).
Senzorična ocena je bila izvedena kot slepi razvrstitveni test (angl. blind ranking test), ki je vključeval štiri vzorce. Enake količine vsakega vzorca so bile nanešene na označeno območje na podlahti. Lastnosti so ocenjevali na naslednji način: ob prvem stiku – tekstura in lepljivost, med nanašanjem – mazljivost in vpojnost (absorbcija) ter občutek po nanosu – ostanek premaza, lepljivost, mastnost in sijaj. Vzorec A je bil replika izdelka na trgu,
24
stabiliziranega s kalijevim cetilfosfatom in zgoščenega s karbomerom. Vzorec B je bil podobna formulacija, ki je temeljila na Pickeringovem stabilizacijskem mehanizmu z modificiranim kvinojinim škrobom. Vzorca C in D sta bila prav tako stabilizirana z delci škroba, zgoščenega z amonijevim akriloildimetiltauratom/VP kopolimer, imela sta podobno vsebnost olj, vendar z drugačno sestavo. Pri vzorcu D je bilo uporabljenih manj delcev za stabilizacijo (Tabela III) (29). Amonijev akriloildimetiltaurat/VP kopolimer je sintetični polimer, ki ga uporabljamo v kozmetiki in izdelkih za nego kože. Uporablja se za zgoščevanje, emulgiranje in izboljšanje teksture formulacij (30).
Tabela III: Sestava formulacij, uporabljenih v senzoričnem testu Formulacija
Sestavine A B C D
Deionizirana voda Do 100 % Do 100 % Do 100 % Do 100 %
Glicerol 5.00 5.00 6.00 6.00
Karbomer 0.40 0.10 - -
Amonijevim
akriloildimetiltauratom/VP kopolimer - - 0.30 0.30
Kalijev cetil fosfat 4.00 - - -
Modificiran kvinojin škrob (delci) - 10.0 10.0 6.25
Hidrogeniran kokosov glicerid 3.00 1.00 - -
Olje sladkih mandljev 3.00 1.00 - -
Arganovo olje 3.00 1.00 - -
Dimetikon 1.50 6.00 - -
Oktildodecil miristat 1.50 4.00 - -
Kaprilni/kaprinski triglicerid 5.00 11.0 11.0 11.0
Karitejevo maslo 5.00 2.00 3.00 3.00
Olje grozdnih pečk - - 5.00 5.00
Olje mareličnih pečk - - 5.00 5.00
Avokadovo olje - - 1.00 1.00
Kaprilil glikol 0.50 - - -
Propil paraben - 0.20 - -
Metil paraben - 0.20 - -
Fenoksietanol - - 1.00 1.00
Glavne razlike med vzorci so bile povezane z občutkom po uporabi. Vsi vzorci na osnovi delcev so imeli boljše rezultate glede mastnosti in lepljivosti v primerjavi s komercialno
25
repliko A. Formulacije s trdnimi delci niso puščale večje količine ostanka premaza. Vzorec B je imel najboljši senzorični profil med vsemi ocenjevanimi vzorci. Razvidno je, da količina uporabljenih delcev nekoliko vpliva na rezultate, saj je višja koncentracija izboljšala senzorične učinke (Slika 10) (29).
Slika 10: Senzoričen profil testiranih vzorcev
Preučevali so teksturo in senzorične lastnosti emulzij za topikalno uporabo, stabiliziranih ali s površinsko aktivno snovjo ali z delci ali s površinsko aktivno snovjo in z delci. Študija je pokazala, da je senzorični profil mešanega sistema emulgatorjev prinesel vmesne rezultate glede občutka na koži, teksture, sijaja in mastnosti. Izbira delcev je narekovala senzorično zaznavanje v smislu določanja tipa emulzije (O/V ali V/O) in s tem, katera faza najprej prodre v kožo. Običajni sistem emulgatorjev je povzročil, da je bilo mazilo sijoče, mastno in ga je bilo težko razmazati. Sistem, stabiliziran z delci, pa je v kombinaciji s površinsko aktivno snovjo izboljšal senzorične lastnosti in teksturo (31–33).
4.3.2. SPROŠČANJE AKTIVNIH UČINKOVIN
Pickering emulzije pogosto obravnavamo kot kapsule, ki jih lahko uporabljamo za nadzorovano dostavo KAS (34). Pronicanje topljenca iz emulzije v kožo je odvisno od številnih fizikalno-kemijskih dejavnikov, vključno s fizikalno naravo medfaznega filma, pH, viskoznostjo kontinuirane faze, porazdelitvijo velikosti kapljic, razmerjem olje/voda in
26
temperaturo (35). Študije Frelichowske in sodelavcev so zato izvajali tako, da so poskušali izolirati vpliv plasti trdnih delcev (v tem primeru silicijevega dioksida) na sproščanje in absorpcijo KAS iz Pickering emulzij v kožo. To so dosegli z oblikovanjem dveh enakih emulzij (enaka sestava, enaka velikost kapljic, enak volumenski delež dispergirane faze, enaka viskoznost), ki sta se razlikovali le po vrsti stabilizatorja (36). Raziskave so bile opravljene in vitro na prašičji koži v Francovih difuzijskih celicah. Vplivi na sproščanje aktivnih učinkovin iz Pickering emulzij so predstavljeni v nadaljevanju.
4.3.2.1. PORAZDELITEV KAS MED FAZE EMULZIJE
V V/O Pickering emulzije vgrajujemo vodotopne KAS (npr. kofein), v O/V emulzije pa lipofilne KAS (npr. retinol, resveratrol), da se snov ujame v kapljice notranje faze emulzije.
V katero fazo se KAS lažje razporedi, določimo s porazdelitvenim koeficientom (P, enačba 6). To je razmerje koncentracij učinkovine med lipofilno in vodno fazo v ravnotežnem stanju in je konstanta za učinkovino v določenem sistemu topil pri konstantnih zunanjih pogojih (37). Zato porazdelitveni koeficient meri, kako hidrofilna ali hidrofobna je kemijska snov.
Hidrofobne aktivne snovi imajo visok porazdelitveni koeficient, nasprotno pa imajo hidrofilne nizkega.
𝑃 = 𝐶𝑙
𝐶𝑣 (enačba 6)
Cl –koncentracija učinkovine v lipofilni fazi Cv –koncentracija učinkovine v vodni fazi (38)
4.3.2.2. DIFUZIJSKI PRENOS KAS IZ KAPLJIC NOTRANJE FAZE
Sproščanje KAS iz Pickering emulzij je v primerjavi s klasično emulzijo precej upočasnjeno, kar kaže na to, da toga gosta lupina delcev okoli kapljic emulzije deluje kot ovira za medfazno difuzijo. Kapljice Pickering emulzije s strukturo jedro/obloga bi lahko primerjali z mikrokapsulami (36). Npr. pokazali so, da je bila pri multipli emulziji V/O/V po 24 urah
27
permeacija hidrofilne KAS (kofeina) trikrat manjša kot pri emulziji O/V, kar kaže na kapsuliranje kofeina v kapljicah multiple emulzije (39). To so pogosto opazili pri sistemih, ki vsebujejo lipofilne molekule, npr. mikrokroglice, trdne lipidne nanodelce in nanokapsule (40). Pokazalo se je, da lahko trdni delci (silicijev dioksid), zbrani na medfazi olje/voda, upočasnijo sproščanje lipofilnih molekul (dibutilftalata) iz emulzij olje/voda (41). Enak mehanizem je mogoč v primeru hidrofilne KAS, ki je zaprta v kapljicah emulzije V/O – če je količina trdnih delcev zadostna za zagotovitev popolne pokritosti medfaze z gosto lupino, je sproščanje počasnejše. Nepopolna pokritost medfaze z delci ne bi omogočila takšnega trajnega sproščanja (36).
4.3.2.3. VLOGA VELIKOSTI KAPLJIC IN TRDNIH DELCEV PRI PRENOSU KAS V KOŽI
Študije s polimernimi mikrokroglicami so pokazale, da je eden najpomembnejših dejavnikov velikost delcev. Delci, manjši od 3 μm, prodrejo z difuzijo skozi roženo plast kože in po poti lasnih mešičkov. Po dovolj dolgi izpostavljenosti vodni suspenziji so bili ti delci enako razporejeni v lasnih mešičkih in v roženi plasti. Mikrodelci velikosti od 3 do 10 μm prodrejo le v lasne mešičke, delci, večji od 10 μm, ostanejo na površini kože. Ti sistemi omogočajo prodiranje KAS skozi roženo plast in nadzor sproščanja na različnih mestih kože (42).
Adhezijska energija kapljic Pickering emulzije s kožo je večja kot pri klasičnih emulzijah.
Tako izboljšana oprijemljivost na kožo omogoči večjo absorbcijo KAS, najverjetneje zaradi specifičnih interakcij formulacije s kožo (42). V zunanji fazi Pickering emulzije so lahko prisotni prosti trdni delci, če je le-teh preveč glede na popolno pokritost medfaze voda-olje.
Razpadanje kapljic emulzije na površini kože je možen vir prostih trdnih delcev in ni izključeno, da lahko delci (nm velikost) delujejo kot sredstvo za prenos KAS v kožo, zaradi adsorpcije molekul na njihovo površino. Hidrofilni kofein se lahko adsorbira z vodikovo vezjo na površino silicijevega dioksida, zlasti v hidrofobnem okolju lipidov rožene plasti.
Opazovanja s SEM so pokazala, da so agregati silicijevega dioksida prodrli v roženo plast.
To je pokazalo delno razbitje kapljic emulzije, ki so se prilepile na površino kože, in potrdilo prenos kofeina, adsorbiranega na površini delcev silicijevega dioksida skozi roženo plast kože (36).
28
4.3.2.4. PORAZDELJEVANJE KAS V PLASTEH KOŽE
V/O emulzije
Razporeditev hidrofilnih KAS v plasteh kože je pokazala, da se večji del prednostno kopiči v receptorski tekočini. To je v skladu s številnimi študijami (43), ki so pokazale, da hidrofilne in majhne molekule dobro prehajajo skozi kožo. Po 24-urni izpostavljenosti je v plasteh kože (receptorska tekočina + dermis + epidermis) bilo dvakrat več KAS pri Pickering emulziji kot pri klasični emulziji (Tabela IV) (36).
Tabela IV: Razporeditev kofeina v plasteh kože po 24 urah (% aplicirane doze) plast kože Pickering emulzija klasična emulzija
epidermis 0.30 ± 0.07 0.43 ± 0.04
dermis 0.80 ± 0.1 0.43 ± 0.03
receptorski kanali 12.7 ± 1.6 5.6 ± 0.7
O/V emulzije
Zelo pogosto so bilo ugotovili, da lipofilne učinkovine v kožo prodirajo slabše od hidrofilnih (44), saj imajo veliko afiniteto do rožene plasti. Razporeditev lipofilne KAS v plasteh kože je zelo odvisna od vrste emulzije: klasična emulzija omogoča enostavno difuzijo skozi roženo plast, tako da velike količine dosežejo vitalni epidermis in dermis. Nasprotno pa se je pri Pickering emulziji KAS prednostno kopičila v roženi plasti (Tabela V). Praktična uporabnost takšnega obnašanja je preprečevanje prodiranja molekul, pri katerih je sproščanje zaželeno na površini kože, npr. kreme za zaščito pred soncem, v kožo ali uporaba rožene plasti kot rezervoarja za počasno sproščanje aktivne učinkovine v globlje plasti kože (42).
Tabela V: Razporeditev retinola v plasteh kože po 24 urah
plast kože Pickering emulzija klasična emulzija
ng/cm2 % ng/cm2 %
rožena plast 176 ± 23 56 30 ± 10 10
živi epidermis 103 ± 29 33 170 ± 30 55
dermis 37 ± 4 11 110 ± 27 35
29
4.3.3. NAJPOGOSTEJŠI STABILIZACIJSKI DELCI V KOZMETIKI
Stabilnost, tip (O/V ali V/O), morfologija, lastnosti Pickering emulzij so zelo odvisne od lastnosti trdnih delcev, s katerimi so stabilizirane. Zato je pomembno, da izberemo prave vrste nano/mikrodelcev, da dobimo željeni tip, značaj in uporabnost emulzij. Številne raziskave so pokazale, da lahko različne vrste anorganskih delcev – silicijev dioksid, glina in hidroksiapatit (Hap) – ter organskih delcev – škrob, celuloza, hitosan – učinkovito služijo kot Pickering emulgatorji. V nadaljevanju bomo opisali najpogostejše v kozmetiki (45).
4.3.3.1. SILICIJEV DIOKSID ali SILIKA
Silicijev dioksid je eden od najbolj raziskanih trdnih delcev za stabilizacijo Pickering emulzij, saj ga je mogoče zlahka pridobiti in modificirati (50). Množični poskusi so pokazali, da nemodificirani silicijev dioksid stabilizira O/V Pickering emulzije zaradi hidrofilnosti, ki je posledica Si-OH skupin na površini delcev, medtem ko hidrofobno modificirani silicijev dioksid prednostno stabilizira V/O Pickering emulzije (51) – zato so bile številne študije namenjene proizvodnji različnih vrst modificiranega silicijevega dioksida, da bi dobili različne lastnosti za boljšo uporabo s Pickering emulzijami, kot je polimerizacija (52). Čisti silicijev dioksid je zaradi površinskega naboja preveč hidrofilen, da bi stabiliziral emulzijo v osnovnem stanju, saj se delci pri nižjem pH verjetno agregirajo (53).
4.3.3.2. ŠKROB
Škrob pridobivamo iz rastlin, kot so koruza, krompir, pšenica ali riž. Sestavljen je iz linearne amiloze in razvejanega amilopektina. Ker je brez vonja in okusa, nestrupen in nedražeč material, je odličen kandidat za uporabo v kozmetični, živilski industriji, biomedicini itd.
Vendar pa imajo delci škroba iz različnih virov širok razpon velikosti, kar slabo vpliva na njegovo delovanje kot emulgator. Poleg tega je glede na slabo hidrofobnost škrobnih zrnc potrebna modifikacija za uspešnejšo stabilizacijo O/V Pickering emulzij (54).
30
V eni od študij so primerjali štiri vrste škrobnih zrnc iz različnih virov z več vidikov, kot so velikost in konfiguracija delcev, površinski naboj, stični kot, stabilnost emulzije in morfologija površine, da bi preučili dejavnike, ki določajo sposobnost stabiliziranja emulzije škrobnih zrnc – izkazalo se je, da ima rižev škrob, ki ima najmanjšo velikost delcev med vsemi štirimi, najboljšo sposobnost tvorbe stabilne Pickering emulzije z najmanjšo količino zrnc. Ta raziskava je tako pokazala, da je na sposobnost škrobnih zrn za stabilizacijo vplivala velikost delcev in ne morfologija ali kemijska sestava površine (50). Ocenili so tudi in vitro kožno penetracijo teh emulzij z vgrajenim kofeinom in ugotovili višjo stopnjo penetracije KAS kot pri klasični emulziji (42).
4.3.3.3. HITOSAN
Hitosan je polisaharid, pridobljen z deacetilacijo hitina, ki je naravni polimer v eksoskeletu rakov. Hitin je netopen v vodnih raztopinah, medtem ko je hitosan topen v kislih medijih (51). Zaradi njegovih antibakterijskih, antioksidativnih in regenerativnih lastnosti ga uporabljamo v kozmetičnih formulacijah. Uporabljamo ga tudi za izboljšanje stabilnosti kozmetičnih formulacij, saj deluje kot stabilizator in modifikator reoloških lastnosti. Poleg tega naj bi hitosan v protonirani obliki izboljšal penetracijo zdravil in kozmetičnih izdelkov v kožo, saj je sposoben interakcij z negativnimi naboji v tesnih povezavah rožene plasti.
Študije so pokazale tudi to, da hitosan spremeni strukturo keratina v koži, zmanjša potencial celične membrane in spodbuja fluidnost celične membrane, kar izboljša penetracijo v kožo (52).
4.3.3.4. CELULOZA
Celuloza je biološko razgradljiva, biokompatibilna, trajnostna, obnovljiva in poceni. Vse te prednosti pojasnjujejo pomemben porast raziskav PE, stabiliziranih s celulozo, ki dokazujejo, da lahko mikrokristali in mikrofibrile celuloze stabilizirajo PE. Celulozni nanokristali (CNC) in nanofibrile (CNF) so pokazali boljši potencial za stabilizacijo PE, vendar je proizvodnja nanoceluloze razmeroma zapletena. Celuloza je sestavljena iz linearnih verig β-(1-4)-D-glukoznih enot, povezanih z O-glikozidnimi vezmi. Več verig je
31
zloženih z močnimi vodikovimi vezmi, ki tvorijo togo strukturo. Glavna obdelava je bila hidroliza kisline, vendar ima ta metoda več pomanjkljivosti, zlasti velika uporaba vode, korozija opreme in proizvodnja velike količine kislih odpadkov. Tudi če je celuloza okolju prijazen polimer, proizvodnja nanoceluloze morda ni tako okolju prijazna. To je razlog, zakaj so bili razviti novi, bolj zeleni postopki za proizvodnjo nanoceluloze, kot so encimska hidroliza, mehanske obdelave in fizikalne obdelave (54).
Zaradi številnih površinskih hidroksilnih skupin je celuloza hidrofilni polimer in stabilizira O/V emulzije. Vendar več avtorjev omenja, da bi bilo potrebno spremeniti površino nanoceluloze, da bi dobili bolj stabilne PE, ker je celuloza preveč hidrofilna (28, 31). Tako so poskušali kemično spremeniti celulozo, da bi izboljšali stabilnost in lastnosti PE, zaradi česar je celuloza še manj okolju prijazna (55).
32
5. SKLEP
Z naraščajočim povpraševanjem potrošnikov po stabilnejših, varnejših, biološko razgradljivih in biokompatibilnih kozmetičnih izdelkih se kozmetična industrija usmerja k uporabi formulacij brez PAS in jih nadomešča s trdnimi delci. Ti se z visoko adsorpcijsko energijo umestijo na medfazno površino in tvorijo rigidno plast, ki preprečuje koalescenco, ter tako stabilizirajo Pickering emulzijo. Prav tako pa na stabilnost vplivajo tudi drugi dejavniki: koncentracija, velikost, oblike in površinske lastnosti delcev, vrsta oljne faze in razmerje med oljno in vodno fazo, medfazna napetost itd.
Ugotovili smo, da imajo formulacije, stabilizirane z delci, boljše senzorične lastnosti v primerjavi s tistimi, stabiliziranimi s PAS – boljša absorpcija, mazljivost, tekstura in brez draženja. Prav tako večja količina uporabljenih delcev ugodno vpliva na senzorične učinke.
Sproščanje hidrofilih in lipofilnih KAS iz Pickering emulzij je v primerjavi s klasično emulzijo precej upočasnjeno zaradi kapsuliranja – plasti delcev okoli kapljic emulzije, ki delujejo kot ovira za medfazno difuzijo. Nepopolna pokritost medfaze ne bi omogočila tako trajnega sproščanja. V zunanji fazi Pickering emulzije so lahko prisotni prosti trdni delci.
Možen vir teh prostih delcev je razpadanje kapljic emulzije na površini kože in ni izključeno, da lahko ti delujejo kot sredstvo za prenos KAS v kožo, saj se molekule adsorbirajo na njihovo površino. Vendar pa je pri tem izrednega pomena velikost delcev, ki vpliva na prehajanje delcev s KAS v različne plasti kože. Hidrofilne KAS se prednostno kopičijo v receptorski tekočini, ker hidrofilne in majhne molekule dobro prehajajo skozi kožo. Medtem pa lipofilne KAS v kožo prodirajo manj kot hidrofilne, ker imajo veliko afiniteto do rožene plasti. Ker so stabilnost, tip, morfologija in lastnosti Pickering emulzij zelo odvisne od lastnosti trdnih delcev, s katerimi so stabilizirane, smo podrobneje predstavili tudi nekaj najpogostejših organskih stabilizatorjev. Čeprav obstaja veliko študij o uporabi trdnih delcev kot stabilizatorjev, je malo raziskav o uporabi le-teh v kozmetični industriji. Zato so potrebne nadaljnje raziskave uporabe tega stabilizacijskega sistema v kozmetičnih formulacijah.
