Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3197
Main Title: Fundamental Research and Functionalisation of Nanoemulsions in respect to Low-Energy Formation Processes
Translated Title: Grundlagenforschung und Funktionalisierung von Nanoemulsionen, die durch Methoden eines geringen Energieeintrages gebildet werden
Author(s): Heunemann, Peggy
Advisor(s): Gradzielski, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Emulsionen bestehen aus zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, bei der die eine (innere) Phase fein verteilt in der anderen (äußeren) Phase vorliegt. Es handelt sich dabei um metastabile kolloidale Systeme, die durch Destabilisierungsprozesse (z.B. Koaleszenz oder Ostwald-Reifung) allgemein zur Phasenentmischung neigen. Dem kann durch Tensidzusatz entgegengewirkt werden. Nanoemulsionen finden aufgrund ihrer Partikelgröße mit 20–200 nm vielseitig Anwendung, wie etwa in pharmazeutischen oder kosmetischen Formulierungen, magnetischen Nanopartikeln, Polymerisationsreaktionen usw. Der thermodynamisch metastabile Zustand ist die direkte Folge eines externen Energieeintrages während ihrer Bildung: Klassisch wurde dies durch einen hohen mechanischen Energieeintrag beim Emulgierprozess bewerkstelligt (z.B. Hochdruckhomogenisation, Scherkräfte, Beschallung usw.). Diese Verfahren sind jedoch teilweise technisch recht anspruchsvoll und strapazieren das System. Es werden daher Verfahren bevorzugt, welche, ähnlich der bereits gut etablierten Phasen-Inversions-Temperatur (PIT) Methode, zur systemschonenderen Nanoemulsionsbildung führen. Formulierungstechnisch reizvoller ist dabei sicherlich die Bildung von Nanoemulsionen nach der Phasen-Inversion-Konzentrations (PIC) Methode, bei der Nanoemulsionen durch einfache Verdünnung geeigneter Öl/Tensid-Mischungen mit Wasser erzeugt werden. Hier findet ein spontaner Bildungsprozess statt, welcher auf der Änderung der Grenzflächenzusammensetzung bei entsprechender Verdünnung beruht. Obwohl solche Methoden mittlerweile recht häufig eingesetzt werden und sich Nanoemulsionen damit leicht bilden lassen, weiß man vergleichsweise wenig über den Bildungsprozess. Dies spiegelt sich auch in der Tatsache wieder, daß es für ein zu dispergierendes Öl immer noch unmöglich erscheint, die resultierende Partikelgröße und deren Verteilung vorauszusagen. In der vorliegenden Arbeit wurden metastabile Nanoemulsionen nach der PIC-Methode für verschiedene Öl/Tensid-Mischungen formuliert und die Strukturänderung entlang des Emulgierweges untersucht. Ob eine Nano- oder Mikroemulsion gebildet wird, hängt dabei hauptsächlich vom Verdünnungsverhältnis ab. Wobei Nanoemulsionen typischerweise bei sehr hoher Verdünnung gebildet werden. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen beruhen auf einer kommerziell erhältlichen Formulierung (Tego® Wipe DE), dessen Öl/Tensid-Zusammensetzung für die jeweiligen Experimente modifiziert wurde. Für das Model-System und die beschriebenen Modifikationen wurde die Bildung instabiler oder langzeit-stabiler Nanoemulsionen mit bimodaler Größenverteilung beobachtet, deren Auftreten von der exakten Konzentratzusammensetzung und dem Herstellungsverfahren abhing. Die bei der Verdünnung entlang des Emulgierweges gebildeten Strukturen wurden mittels verschiedener physikalisch-chemischer Charakterisierungsmethoden untersucht, darunter Messungen von Leitfähigkeit, Viskosität, Dichte, UV/Vis-Transmission und Zeta-Potential. Neutronen- und Röntgen-Kleinwinkel-Streuung (SANS/SAXS) ermöglichten dabei noch detailliertere Einblicke in die Strukturen, die sich in den einzelnen Phasen der Verdünnung bilden. Zusammen mit komplementären cryo-TEM-Aufnahmen der gebildeten Nanoemulsionen konnte die Ausbildung eines bimodalen Emulsionssystems mit mittleren Radien im Bereich von 10-15 bzw. 30-40 nm bestätigt werden. Die durchschnittliche Größe hängt dabei vom Grad der Verdünnung ab und wächst mit steigendem Wasseranteil. Zeitaufgelöste (Stopped-Flow SF) SANS/SAXS- und Trübungs-Messungen zeigten eine sehr schnelle Spontanemulgierung. Dieser Prozess ist schneller als 100 ms. Er wird durch das Herauslösen des Kotensids aus der ölhaltigen Phase induziert. Bisher wurde in der Literatur zum PIC-Mechanismus nur vermutet, dass das Kotensid die Erhöhung der Solubilisierungskapazität der äußeren Phase fördert und selbst aus den Emulsionströpfchen, aufgrund seines relativ hohen hydrophilen Charakters, während der Emulsionsbildung herausgelöst wird. Die SANS-Kontrast und NMR Messungen dieser Arbeit belegen jedoch eindeutig den angenommen Mechanismus. Zusammenfassend lieferten die durchgeführten Studien zur PIC-formulierten Nanoemulsionsbildung neue Erkenntnisse für die mit dieser Methode gebildeten Strukturen, deren Stabilität, sowie Aussagen zu den notwendigen Anforderungen der im Öl/Tensid Gemisch verwendeten Materialien. Die Grundlagen des PIC-Mechanismus, welche die spontane Bildung von Nanoemulsionen bestimmen, sind jetzt besser verstanden; sowie weitere Einblicke der im metastabilen System vorliegenden Gleichgewichts-Dynamik erschlossen. Mit diesem Wissen sollten zukünftig analytisch eruierte Formulierungen zugänglich sein. Als Perspektive wurden abschließend erste Versuche zur Verkapselung von Nanoemulsionströpfchen durchgeführt, welche wichtige Anhaltspunkte zur Funktionalisierung solcher Systeme liefert.
Emulsions consist of two immiscible liquids where an inner phase is finely dispersed in an outer one. Being metastable systems, emulsions generally undergo breakdown processes like coalescence and Ostwald ripening. In order to avoid this, surfactants are used as stabilising agents. Nanoemulsions are characterised by a particle size distribution in the range of 10–200 nm, which favours them for a variety of applications, such as drug delivery, pharmaceutical formulations, magnetic nanoparticles, polymerization reactions, etc. As a direct consequence of the thermodynamic metastability of nanoemulsions, their formation requires an external energy input: classically they are generated using high-energy input methods, which provide high mechanical energy during the emulsification process (e.g. high pressure homogenisation, shear forces, sonification etc.). These are demanding procedures and therefore low-energy methods as that based on the well-established phase inversion temperature (PIT) are favoured. Even more appealing is the phase inversion concentration (PIC) method as it allows the formulation of nanoemulsions by a simple dilution procedure of an appropriate oil/surfactant mixture with water through a spontaneous formation process due to the change of interfacial composition during dilution. However, despite the fact that they are frequently employed and relatively easily formed, only very little is known about their formation process and similarly it is difficult to predict size and size distribution for a given oily component that becomes dispersed (as normally instable emulsions would be formed). In this thesis the formation of metastable nanoemulsions by the low energy input PIC-method was studied in respect to the oil/surfactant composition required and the individual structures formed upon emulsification pathway. Whether a nano- or microemulsion is formed depends thereby mainly on the dilution ratio, with nanoemulsions typically formed at high dilution ratios. The work based on an industrial formulation (Tego® Wipe DE) that was modified in a systematic fashion with respect to the composition of the surfactant and oil components. For such modified surfactant/oil mixtures one observes either instable or long-time stable nanoemulsions, showing a bimodal size distribution, depending on the detailed composition and the formation process. The structural progression along the dilution pathway was studied by various physico-chemical characterisation techniques such as conductivity, viscosity, density, UV/Vis-transmittance, and zeta-potential measurements. Small-angle neutron and x-ray scattering (SANS/SAXS) yield a more refined structural picture of the formed phases and revealed, with complementary cryo-TEM micrographs, a bimodal size distribution with mean radii in the range of 10-15 or 30-40 nm, respectively. The average size is determined by the degree of dilution and grows with the water content. Time resolved SANS/SAXS and turbidity measurements (stopped-flow (SF) technique) showed a very fast spontaneous emulsification process that is faster than 100 ms and is triggered by the dissolution of the cosurfactant into the aqueous phase upon dilution pathway due to the PIC-mechanism. Using SANS and NMR-techniques the general assumption for the PIC-mechanism could be validated that the cosurfactant is facilitating the high effective solubilisation capacity of the system and becomes leached out from the emulsion droplets upon dilution due to its relatively high hydrophilicity. In summary the studies on PIC-formed nanoemulsions allowed to draw some conclusions on the structures formed with this method, their stability and the requirements of the oil/surfactant mixtures employed. Furthermore, a more comprehensible understanding of the PIC principles was obtained that govers the spontaneous formation of nanoemulsions and their equilibration-dynamics. With this knowledge a rational design should become feasible. In addition, encapsulation trials gave central aspects for further developments on the application-potential of such systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-35058
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3494
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3197
Exam Date: 23-Sep-2011
Issue Date: 2-May-2012
Date Available: 2-May-2012
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Nanoemulsion
Phaseninversion
PIC
PIT
Verkapselung
Encapsulation
Nanoemulsion
Phase inversion
PIC
PIT
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