CURS V Coloizi micelari de asociaie

Balana Hidrofil Liofil (HLB)

Balana hidrofil lipofil a unui agent tensioactiv este o msur a gradului la care este hidrofil sau lipofil, determinat prin calcularea valorilor pentru diferite regiuni ale moleculei, aa cum este descris de ctre Griffin n 1949 i 1954.

Au fost sugerate i alte metodele, n special de ctre Davies n 1957.

Metoda Griffin

Metoda lui Griffin pentru agenii tensioactivi neionici sunt descrise n 1954:

20 MhHLBM

=

unde: Mh masa molecular a poriunii hidrofile a moleculei; M masa molecular a ntregii molecule.

Valoarea HLB are ca rezultat o valoare pe o scar de la 0 la 20. O valoare HLB egal cu 0 corespunde unei molecule complet lipofile (hidrofobe). O valoare HLB egal cu 20 corespunde unei molecule complet hidrofile (lipofobe). Valoarea HLB poate fi folosit pentru a prezice proprietile tensioactive ale unei molecule: HLB < 10: substane liposolubile (insolubile n ap) HLB > 10: substane solubile n ap (insolubile n lipide) HLB = 4 8 indic un agent antispumant HLB = 7 11 indic un emulgator A / U (ap n ulei) HLB = 12 16 indic un emulgator U / A (ulei n ap) HLB = 11 14 indic un agent de umectare HLB = 12 15 indic un detergent HLB = 16 20 indic un solvent sau hidrotrop (substana care solubilizeaz o substan

hidrofob n soluie apoas).

Valoarea HLB reflect o serie de caractere ale tensioactivului: solubilitatea n ap sau ulei, constanta dielectric, tensiunea interfacial. La valori ale HLB cuprinse ntre 1 3, tensioactivul nu se disperseaz n ap; ntre 3 6 este o dispersie slab; ntre 6 8, la agitare puternic se obine o dispersie lptoas care devine mai stabil la valori 8 10; ntre 10 13, aspectul este translucid pn la lichid limpede, iar peste 13 rezult o soluie clar.

Unele tenside sunt utilizate ca antiseptice n preparate pentru piele, mucoase i ca dezinfectante pentru materialele chirurgicale. n general, substanele tensioactive influeneaz viteza i durata efectului terapeutic, modificnd viteza de penetrare a substanei active. n anumite cazuri, ele pot mri eficacitatea unui medicament, dar este posibil o reducere a efectului terapeutic.

Metoda Davies

n 1957, Davies sugereaz o metod bazat pe calcularea unei valori n funcie de grupe funcionale ale moleculei. Avantajul acestei metode este c ia n considerare efectul grupelor slab dar i puternic hidrofile:

7HLB m HH n HL= +

n care: m numrul de grupe hidrofile din molecul HH valoarea datorat grupurilor hidrofile

n numrul de grupe lipofile din molecul HL valoarea datorat grupurilor lipofile

Dac se noteaz cu a contribuia gruprilor hidrofile: a m HH=

se obine: 7HLB a n HL= +

unde:

a este un parametru ce se refer la contribuia gruprilor hidrofile n = numrul gruprilor metilen b = termen ce se refer la contribuia gruprii metilen CH2

Tabelul I. Date privind termenii i b din ecuaia lui Davies

Grupa hidrofil Grupa lipofil b OSO3Na 38,7 CH3 0,475 COOK 21,1 CH2 0,475 COONa 19,1 = CH 0,475 SO3Na 11,0 CF2 0,870 N+R3 9,4

COOH 2,1 OH 1,9 O 1,3

CH2 CH2 O 0,33

Relaia lui Griffin (aplicat n cazul unor esteri ai acizilor grai cu alcooli superiori): 20 1 SHLB

A

=

n care: S = indicele de saponificare al esterului; A = indicele de aciditate al acidului gras;

n cazul unor esteri ai acizilor grai pentru care nu se poate determina cu precizie indicele de saponificare se poate utiliza relaia:

5E PHLB +=

n care: E = greutatea procentual n grupri etoxi ( CH2 CH2 O ); P = greutatea procentual a coninutului n alcool polihidroxilic (hexitol, glicerol);

Pentru o serie de compui tensioactivi neionici se utilizeaz relaia: 020 1 MHLB

M

=

n care: M0 = masa gruprii lipofile din molecul; M = masa molecular a moleculei amfifile.

Tabelul II. Valori HLB ale unor compui amfifilici tensioactivi

Nr. crt. Compus amfifilic Denumirea comercial HLB 1. Acid oleic

1,0 2. Alcool cetilic

1,3 3. Trioleat de sorbitan Span 85; Arlacel 85 1,8 4. Monostearat de gliceril Tegin 515 3,8 5. Monostearat de sorbitan Span 60; Arlacel 65 4,7 6. Monolaurat de sorbitan Span 20; Arlacel 20 8,6 7. Monostearat de PEG 400 Myrj 45 11,11 8. Oleat de trietanolamin

12,0 9. Polisorbat 60 Tween 60 14,9

10. Polisorbat 80 Tween 80 15,0 11. Polisorbat 20 Tween 20 16,7 12. Oleat de sodium

18,0 13. Oleat de potasiu

20,0 14. Lauril sulfat de sodiu Duponol 40,0

Figura 1. Comportarea substanelor tensioactive

Utilizarea noiunii de balan hidrofil lipofil (HLB)

Conceptul de balan hidrofil lipofil (HLB Hydrophil Lyophil Balance) a fost introdus de Griffin n 1949. Aa cum sugereaz numele, HLB reprezint un raport empiric bazat pe procentul relativ al prilor hidrofile i cele lipofile din surfactant.

Exist o serie de relaii de calcul pentru determinarea HLB, relaii bazate pe compoziia chimic.

Davies extinde aceste relaii de calcul prin atribuirea unui numr la diferite grupuri hidrofile i lipofile din surfactant.

n conformitate cu studiile lui Davies, Valoarea HLB se calculeaz folosind relaia: ( ) ( )H LHLB n H n L 7 = +

unde: H, L numere atribuite pentru gruprile hidrofile respectiv lipofile; nH, nL numrul gruprilor hidrofile respectiv lipofile dintr-o molecul de surfactant.

Totodat, s-a artat c pentru structurile discontinue, care au o raz de curbur nul, HLB este aproximativ egal cu 10. Pentru valori HLB < 10, respectiv valori ale factorului de mpachetare supraunitari, apar raze de curbur negativ (de exemplu la microemulsiile A/U) n timp ce pentru HLB > 10, respectiv valori ale factorului de mpachetare subunitari, apar raze de curbur pozitiv (de exemplu la microemulsiile U/A) aa cum se prezint n tabelul III.

Tabelul III. Curburi la interfaa ap / ulei pentru diverse valori ale HLB (respectiv P)

Micele solubile n ulei. Emulsii A /U.

P 1> HLB 10<

Curbur negativ (invers)

Structuri discontinui. P 1

Curbur nul (structur plan)

Micele solubile n ap. Emulsii U / A.

P 1< HLB 10>

Curbur pozitiv (normal)

Exemple de calcul pentru HLB

Conform metodei Griffin, pentru determinarea valorii HLB se calculeaz masa molecular a prii hidrofile i se mparte la 5; se obine o scal HLB mai mic i mai uor de utilzat. Scara de lucru este cuprins ntre 0,5 i 19,5. Numrul astfel obinut se atribuie surfactantului neionic. Atenie astfel nu se ine cont de natura prii (prilor) hidrofile.

Exemplu: BRIJ 98: conine 20 moli etoxilat al alcoolului oleic.

Masa molecular a celor 20 moli de etilen oxid (METO = 44) este: 20 x 44 = 880.

Se adaug masa molecular a restului provenind de la alcoolul etilic (270): 880 + 270 = 1150;

Raportul procentual dintre masa molecular a prii hidrofile (880) i ntreaga molecul (1150) este:

880 100 76,5%1150

=

Se mparte valoarea obinut (76,5) la 5 i se obine HLB pentru BRIJ 98: BRIJ 98

76,5HLB 15,35

= =

Dac este necesar s se calculeze HLB pentru amestecuri ce conin doi sau mai muli surfactani se ine cont de faptul c balana hidrofil lipofil este o funcie aditiv.

Exemple:

1. Care este raportul dintre doi surfactani cu valorile HLB = 8 i 12 ntr-un amestec, dac este necesar prepararea sistem dispers cu HLB = 9?

Calculul se face astfel: valoarea HLB pentru surfactantul A = 8; valoarea HLB pentru surfactantul B = 12,

se consider fracia de mas a surfactantului A = x; rezult fracia de mas pentru surfactantul B = (1 X):

( )8 X 12 1 X 9 + = sau 8 X 12 12 X 9 + = sau 4 X 3 = Deci: 3X

4=

respectiv 3 11 X 14 4

= =

Pentru prepararea amestecului este deci necesar s se amestece cei doi surfactani n raportul:

3 1A / B / 3 / 14 4

= =

O alt modalitate de calcul implic utilizarea regulii dreptunghiului:

2. Valoarea HLB pentru Tween 80 = 15 iar valoarea HLB pentru Span 80 = 4,3. Trebuie s se prepare 2 g amestec Tween 80 i Span 80 cu valoarea HLB = 10,6. Ce cantiti de Tween 80 i Span 80 sunt necesare?

Pentru aceasta se consider fracia de mas pentru Tween 80 = x; rezult fracia de mas pentru Span 80 = (1 X):

( )15 X 4,3 1 X 10,6 + = sau 10,6 4,3X 0,5915 4,3

= =

deci 1 X 1 0,59 0,41 = =

Fracia de Tween 80 = 0,59 i respectiv fracia de Span 80 = 1- 0,59 = 0,41. Cantitile n grame vor fi:

Tween 80 = 2 x 0,59 = 1,18 g Span 80 = 2 x 0,41 = 0,82 g

n unele situaii (de exemplu la prepararea unei emulsii) este necesar s se introduc un emulgator. ntrebarea este: ce valoare a HLB trebuie s aib acesta n faza uleioas? Dac exist mai multe ingrediente care formeaz faza uleioas valoarea HLB final se calculeaz ca fiind suma valorile fiecrui component obinut prin raportul dintre cantitatea din fiecare component n parte i cantitatea total a acestora multiplicat cu valoarea HLB a fiecrui component.

Exemplu:

Care este valoare HLB necesar pentru faza uleioase a emulsiei U/A format din 15 g alcool cetilic, 1 g grsime, 2 g lanolin, emulgator (q.s.), 5 g glicerin i ap la 100 g?

Conform cantitilor de substane grase ce trebuiesc introduse (alcool cetilic, grsime i lanolin) rezult o cantitate final de substane grase de 18 g.

HLB teoretic Fracie component HLB real

Alcool cetilic 15 x 15 / 18 = 12,5 Grsime 12 x 1 / 18 = 0,7 Lanolin 10 x 2 / 18 = 1,1

14,3 Exist unele reguli generale n ceea ce privete valoarea HLB pentru diferite emulsii de tip

U / A, anume: Clasa HLB necesar

Ulei vegetal 6 Ulei siliconic 8 12 Ulei de petrol 10

Emolieni esteri tipici 12 Acizi grai i alcooli 14 15

Calculul HLB pentru amestecuri diverse

Pentru determinarea valorii HLB la amestecuri (de exemplu la prepararea unor reete) trebuie aplicai urmtorii pai:

se determin formula ce trebuie preparat (reeta): ce compui se amestec i n ce cantitate;

se determin ingredienii solubili n faza uleioas (nu se includ emulgatorii); se cntresc procentele de mas din ingredientele solubile n faza uleioas i se mparte

valoarea respectiv la masa total; se multiplic rezultatele cu valoarea HLB necesar pentru faza uleioas individual; se adun valorile obinute pentru a obine valoarea HLB cerut pentru amestecul final.

Exemplu:

O emulsie de tip ulei n ap (U / A) conine:

Ulei mineral 8% Triglicerid caprilic / capric 2% Izostearat de izopropil 2% Alcool cetilic 4% Emulgator 4% Polioli 5% Substana activ solubil n ap 1% Ap 74% Substane de arom (parfum) q.s. Conservani q.s.

Calculul HLB:

Se reunesc ingredientele solubile n ulei:

Ulei mineral 8% Triglicerid caprilic / capric 2% Izostearat de izopropil 2% Alcool cetilic 4% Total ingrediente solubile n faza uleioas: 16%

Emulgator 4% Polioli 5% Substana activ solubil n ap 1% Ap 74% Substane de arom (parfum) q.s. Conservani q.s.

Se mparte fiecare contribuie procentual la valoarea total:

Ulei mineral 8 / 16 = 50% Triglicerid caprilic / capric 2 / 16 = 12,5% Izostearat de izopropil 2 / 16 = 12,5% Alcool cetilic 4 / 16 = 25%

Se calculeaz valoarea HLB pentru fiecare component n parte, suma valorilor reprezint HLB final (pentru amestecul cerut de formula preparat):

Ingredient faz uleioas

Procent contribuie

HLB necesar pentru ingredient (teoretic) Valoarea HLB

Ulei mineral 50% 10,5 5,250 Triglicerid

caprilic / capric 15,5% 5 0,625

Stearat de izopropil 12,5% 11,5 1,437 Alcool cetilic 25% 15,5 3,875

HLB total = 11,2

Valoarea final HLB obinut este deci 11,2. Cum se utilizeaz aceast valoare? La ce ajut?

tim deci de la nceput c trebuie ales un sistem de surfactani care s aib o valoare HLB = 11,2. Pentru alegerea sistemului de surfactani se recomand s se utilizeze un amestec de cel

puin doi surfactani deoarece: experiena practic arat c n acest mod se obin unele beneficii; un amestec a unui surfactant cu o valoare HLB mic cu un surfactant cu valoare HLB

mare conduce la o acoperire mai bun a interfeei.

Diagrame de faz

Sistemele disperse obinute conin mai multe tipuri de micele, ca rspuns la modificarea dimensiunii i formelor acestora, ceea ce conduce la o modificare sensibil a proprietilor sistemelor disperse.

Structura sistemului dispers devine mai complex dac se intervine din afar modificnd tipul de compui amfifili, dac se utilizeaz un amestec de solveni sau dac se modific pH-ul, temperatura etc.

n figura 2 se prezint o diagram de faz (modul n care se modific structura sistemului dispers) a unui compus amfifil n ap, funcie de temperatur iar n figura 3 se prezint o diagram de faz funcie de modificarea coninutului n ap a sistemului dispers.

Figura 2. Diagrama de faz a unui copolimer amfifil n ap funcie de temperatur

Astfel de modificri n structura sistemului dispers conduc la modificri de faze, de exemplu formarea micoemulsiilor.

Unul dintre factorii asociai cu formarea microemulsiilor este prezena unor medii diferite discontinue (de exemplu picturi de ulei n ap), amestecuri lamelare etc. Acestea formeaz suprafee de separaie cu diferite raze de curbur, datorit modificrii salinitii, temperaturii etc. Este evident c o astfel de varietate a structurii microemulsiilor este dependent de compoziia sistemului dispers. Studiile efectuate pe diagramele de faz pun n eviden prezena mai multor faze diferite ce exist n anumite regiuni funie de procentuln care se afl n compoziie. O particularitate a acestor microemulsii const n faptul c aceste structuri sunt interschimbabile.

Figura 3. Diagrama de faz funcie de modificarea coninutului n ap

Construcia diagramelor de faz ajut la determinarea modului n care se pot efectua unele diluii precum i intervalul de concentraie ce formeaz o regiune monofazic (figura 4).

Figura 4. Formarea regiunilor monofazice

Acest lucru const n prezena unor structuri diferite, clasificate de ctre Winsor n 1948: Winsor I (ulei n ap), Winsor II (ap n ulei), Winsor III (structur discontinu, faz medie sau microemulsie) i Winsor IV (format prin modificarea razelor de curbur la interfa prin intermediul unor factori externi, cum ar fi prezena electroliilor, temperatura etc.

structura Winsor I indic o faz apoas bogat n surfactant (faza de jos) ce coexist cu faza uleioas srac n surfactant.

structura Winsor II indic o faz uleioas bogat n surfactant (faza de sus) ce coexist cu faza apoas srac n surfactant.

structura Winsor III indic o faz medie bogat n surfactant ce coexist cu mediul apos (jos) i uleios (sus) ambele srace n surfactant.

structura Winsor IV indic o singur faz, format dintr-un amestec omogen.

Pe baza compoziiei sistemului dispers, pot deci exista mai multe tipuri de faze (ap n ulei A/U sau ulei n ap U/A) respectiv ale micelelor de asociaie (lamelare, discontinui, hexagonal, hexagonal invers etc.) aa cum se prezint n figura 5.

Winsor I Winsor II Winsor III Winsor IV Faz uleioas bogat

n surfactant Microemulsie Faz uleioas bogat

n surfactant Microemulsie

Microemulsie Microemulsie

Faz apoas bogat n surfactant

Faz apoas bogat n surfactant

Figura 5. Tipuri de faze ale sistemelor disperse

n conformitate cu cele artate, dup ce se formeaz o microemulsie (de tip Winsor IV) prin unirea monomerilor amfifili dintr-o soluie, microemulsie n care micelele de asociaie pot prezenta forme diferite, prin modificarea condiiilor de mediu se poate realiza separarea fazelor lichide ntre ele (structuri de tip Winsor I, Winsor II sau Winsor III), aa cum se arat n figura 6.

Figura 6. Tipuri de faze ale sistemelor disperse

Numrul optim de agregare

Numrul optim de agregare (M) reprezint numrul optim de molecule care se gsesc ntr-o micel.

Dac micelele conin un numr de molecule (N) mai mic dect numrul optim de agregare (M) atunci vor prezenta o suprafa prea mare pentru fiecare capo polar ceea ce cauzeaz interaciuni nefavorabile ntre ap (mediul de dispersie) i coada hidrocarbonat. Pentru un numr de molecule (N) mai mare dect numnrul optim de agregare (M) atunci unele capuri polare sunt forate s treac n interiorul cozii hidrofile, mai exact n interiorul micelei.

N < M N = M N > M

Figura 7. Forme ale micelei pentru valori diferite ale numrului de agregare

Micelele sferice prezint o dimensiune finit deci o valoare minim a energiei libere i n acelai timp un numr optim de agregare.

n cazul micelelor cilindrice dimensiunea acestora este finit dar energia liber nu este minim, adic energia unei molecule din micela cilindric este independent de dimensiunea micelei. Se formeaz astfel micele de dimensini mari, cu energii mari, dar cu pierdere de entropie.

Figura 8. Micel cilindric

Pentru a izola interiorul hidrofob de ap (mediul de dispersie), este necesar o suprafa hemisferic mult mai mic la cele dou capete ale micelei cilindrice gigant.

n cazul micelelor lamelare, energia la capetele lamelelor depinde de dimensiune, astfel nct se pot forma straturi infinite.

Veziculele reprezint o suprafa nchis a unei micelle lamelare, reprezint un model pentru studiul membranelor celulare, a sistemelor de eliberare a medicamentelor i a comportrii coloidale.

Figura 9. Vezicul

n ceea ce privete numrul de agregare, n principiu, pentru surfactani ionici, acesta ia valori cuprinse ntre 10 i 170 iar pentru surfactani neionici numrul de agregareeste cuprins n intervalul 30 10000.

n tabelul IV se prezint sumar unele relaii ntre geometria micelei, factorul de mpachetare i numrul de agregare.

Tabelul IV. Relaii ntre geometria micelei, factorul de mpachetare i numrul de agregare

Variabil Tip micel

sferic cilindric lamelar Volumul moleculei v v v Volumul micelei

( )V M v= 34 r

3pi

2rpi

2 r

Suprafaa optim a capului polar ( )S M a= 24 rpi 2 rpi 2

Suprafaa moleculei 3 v

r

2 vr

v

r

Factor de mpachetare

c 0

vPl a

=

c 0

v 1Pl a 3

=

c 0

1 v 13 l a 2

c 0

1 v 12 l a

Numr de agregare maxim (Mmax) 3c4 l

3 vpi

2cl

v

pi

c2 lv

Numr de agregare (M) 3

max

c 0

3 vMl a

2

max

c 0

2 vMl a

max

c 0

2 vMl a

Concentraia critic micelar (CCM)

Concentraia critic micelar (CCM) reprezint concentraia la care apar primele micele de asociaie.

C1 C2 C3 C4 = CCM C1 < C2 < C3 < C4 = CCM

Figura 10. Formarea micelelor la CCM

Factori de care depinde CCM sau capacitatea de micelizare

structura moleculei amfifile: creterea lungimii cozii hidrofobe conduce la creterea CCM; creterea gradului de ramificaie a cozii hidrofobe conduce la creterea CCM prezena nucleelor benzenice sau a dublei legturi creterea gradului de nesaturare

conduce la creterea CCM; creterea numrului de grupri ionice n capul polar conduce la creterea CCM; tipul grupului hidrofil: un grup hidrofil ionic va avea un efect egal pentru aceeai

sarcin electric iar un grup hidrofil neionic va scade valoarea CCM; poziia grupului hidrofil: un grup hidrofil terminal conduce la o valoare CCm mai mic

dect n cazul unui grup hidrofil intermediar.

natura mediului de dispersie prezena n mediul de dispersie a alcoolilor n concentraie nai mare sau cu o coad

hidrofob mai lung conduce la o scdere a CCM; prezena n mediul a unor hidrocarburi ajut la solubilizarea surfactanilor, scznd

astfel forele de repulsie implicit valoarea CCM; temperatur

n cazul surfactanilor neionici, creterea temperaturii conduce la o cretere a dimensiunilor micelei i astfel la scderea CCM;

prezena electroliilor n sistemul dispers: substanele neionice nu afecteaz CCM; substanele ionice fac s scad repulsia electrostatic i astfel s scad CCM.

Modificarea unor proprieti fizico chimice odat cu CCM

Atunci cnd ntr-un sistem crete concentraia n surfactani de la zero i pn la CCM, se aplic regulile soluiilor, adic proprietile fizico chimice se modific proporional cu concentraia. De la valori ale concentraiei ncepnd cu CCM, proprietile fizico chimice se modific brusc.

Exemple de proprieti care se modific la CCM: tensiunea superficial (); coeficientul osmotic (g); conductibilitatea echivalent (); indicele de refracie (n); coeficientul de turbiditate () etc.

n figura 11 este prezentat variaia unor parametri fizico chimici funcie de concentraia coloizilor micelari de asociaie.

Figura 11. Variaia unor parametri fizico-chimici n funcie de concentraia coloizilor micelari de asociaie

Din figura 11 se observ c la CCM au loc modificri brute ale valorilor unor proprieti fizico chimice, i anume:

scderea presiunii osmotice, respectiv a coeficientului osmotic (g) i a conductibilitii echivalente ();

creterea coeficientului de turbiditate (); creterea tensiunii superficiale ().

De asemenea, n jurul concentraiei critice micelare se nregistreaz variaia brusc a absorbiei i difuziei luminii, ct i scderea denivelrilor crioscopice i ebulioscopice.

La msurarea conductibilitii echivalente a soluiilor apoase ale unor sruri ale acizilor grai (figura 12) se observ o variaie anormal a acestei mrimi n funcie de concentraie.

Figura 12. Conductibilitatea echivalent a soluiilor apoase de caprilat (a), laurat (b) i oleat (c) de potasiu

Aceste soluii ar trebui s se supun legii lui Kohlrausch Onsager a crei expresie matematic este:

0A c = + n care:

= conductibilitatea echivalent; 0 = conductibilitatea echivalent limit; A = constant; c = concentraia;

La reprezentarea grafic a variaiei = f () ar trebui s se obin o dreapt cu panta negativ (figura 13).

Figura 13. Variaia conductibilitii echivalente n funcie de concentraie ( )( )f c =

n realitate se constat apariia unui minim foarte plat la sarea de potasiu a acidului caprilic (curba a din figura 12), tot mai profund i deplasat spre valori mai mici n cazul srii de potasiu a acidului lauric (curba b) i n cazul srii de potasiu a acidului oleic (curba c).

Aceast scdere a valorilor

este legat de creterea catenei hidrocarbonate pentru compuii amfifilici.

Valoarea CCM este cu att mai mic cu ct este mai lung radicalul lipofil ntruct forele de dispersie ce determin asocierea catenelor hidrocarbonate sunt aditive i sunt aproximativ proporionale cu volumul acestora.

Echilibrul iiA A este deplasat spre dreapta cu att mai pronunat cu ct este mai lung catena hidrocarbonat.

Figura 14. Variaia tensiunii la suprafa (A), tensiunii la interfa (B), presiunii osmotice (C), conductibilitii echivalente (D) i solubilitii n ap a compuilor greu solubili sau insolubili

Pn la atingerea CCM are loc o scdere continu a tensiunii la suprafa i a tensiunii la interfa iar dup CCM cele dou mrimi devini constante deoarece moleculele surfactantului sunt adsorbite la suprafa i la interfa.

Presiunea osmotic, ca i toate celelalte proprieti coligative, scad presiunea de vapori i punctul de solidificare, cresc mult mai ncet odat cu creterea concentraiei surfactantului la concentraii mai mari dect CCM deoarece aceste proprieti depind de numrul de particule dizolvate.

Pentru surfactanii ionici, conductibilitatea echivalent scade aabrupt dup CCM, deoarece numai contraionii moleculeleor surfactant neasociate pot transporta sarcin electric.

Solubilitatea multor substane crete dup CCM. Alte proprieti care se modific la CCM sunt: vscozitatea intrinsesc i turbiditatea cresc,

coeficientul de difuziune scade.

Aplicaii n domeniul farmaceutic ale coloizilor micelari de asociaie

Cele mai importante aplicaii n domeniul farmaceutic ale coloizilor micelari de asociaie sunt:

udarea; solubilizarea; emulsionarea; detergena (splarea).

Aceste aplicaii se bazeaz pe capacitatea compuilor amfifilici tensioactivi: de a se adsorbi la interfee; de a scdea tensiunea superficial, de a determina modificri energetice ale sistemului dispers eterogen (emulsii, suspensii,

soluri etc.)

Coloizii de asociaie se caracterizeaz printr-o accentuat aciune de suprafa; ei scad apreciabil tensiunea superficial a apei sau n general, tensiunea la interfee ntr-un sistem dispers eterogen.

Combinaiile amfifile se concentreaz la suprafaa de separaie dintre fazele nemiscibile, unde se orienteaz cu gruprile lor hidrofile i lipofile spre fazele cu acelai caracter. n funcie de

fazele la suprafaa crora apare aceast activitate vorbim despre tensioactivi: antispumani, emulgatori, umectani, detergeni, solubilizani.

Capacitatea de stabilizare a dispersiilor, combinat cu cea de solubilizare i emulsionare determin proprietile de splare sau detergena compuilor amfifili.

Aceste substane pot modifica natura suprafeelor solide, transformnd suprafeele hidrofile n hidrofobe i invers, prin adsorbia lor la interfaa solid lichid, fapt care explic utilizarea lor n industria de medicamente.

Alegerea unui compus amfifilic pentru utilizarea lui n practica farmaceutic s-a bazat pe similitudini sau o serie de ncercri empirice.

Principalele aplicaii ale compuilor tensioactivi se bazeaz pe capacitatea lor de adsorbie la toate interfeele i pe procesul de solubilizare.

Adsorbia la intefee i modificrile energetice pe care le produc substanele tensioactive, fac ca acestea s ndeplineasc rolul de stabilizatori ai sistemelor disperse (emulsii, soluri, suspensii, spume etc).

n formularea unor medicamente se ntrebuineaz coloizi de asociaie ca ageni tensioactivi la dispersarea particulelor de lichid sau solid n lichid, prin reducerea tensiunii interfeelor lichid/lichid sau solid/lichid. Coloizii de asociaie ionogeni, pe lng faptul c reduc tensiunea la interfee, confer particulelor dispersate sarcin electric, iar stratul de solvatare din jurul particulelor fazei dispersate va contribui la stabilitatea dispersiilor.

Coloizii de asociaie sunt utilizai ca ageni solubilizani, datorit posibilitii micelelor de a trece n soluie apoas diferii compui greu solubili sau insolubili, fr modificarea structurii lor chimice i fr modificarea, n general a aciunii farmacodinamice. Coloranii sintetici cu structuri amfifile se dizolv coloidal i formeaz micele.

Fluoresceina sodic, indigocarminul, rou de Congo, benzopurpurina 4B, albastrul Evans, albastrul de metilen i lactatul de etacridin sunt exemple de micele, cu numr mai redus de molecule. Unii dintre colorani se utilizeaz sub form de soluii apoase de uz extern (soluia de albastru de metilen, rivanol sau violet de genian n concentraie de 1 2 %) sau soluii injectabile.

Udarea (umectarea)

Udarea este un fenomen fizic ce are loc la suprafaa de contact dintre un solid i un lichid i se realizeaz n trei etape:

adeziune (alipire); imersie (afundarea corpului n lichid); dispersie (mprtiere, rspndire).

Msura udrii unui solid de ctre un lichid este unghiul de racord (), fcut de tangenta la suprafaa lichidului n punctul de contact cu solidul.

Figura 15. Tipuri de udare a particulelor solide de un lichid: a udare perfect; b udare parial; c udare dificil; d udare foarte dificil; e udare practic nul

Energia de adeziune depinde de valoarea tensiunii superficiale a lichidului umectant. Cu ct tensiunea superficial are o valoare mai mic, cu att se va micora valoarea unghiului de racord (contact), , i umectarea (udarea) se va realiza mai uor.

Exemple de umectani: surfactani cu HLB = 7 9 etanol, glicerol, propilenglicol, sorbitol polimeri hidrofili

Mecanism de aciune: orientarea cu partea hidrofil a compusului amfifi nspre faza apoas i cu partea lipofil nspre suprafaa solid (hidrofob).

Solubilizarea

Solubilizarea este un proces prin care o substan insolubil sau greu solubil este adus n soluie (dispersie molecular) prin intermediul unui agent solubilizant, adic dup ncorporarea ntr-o micel.

Figura 16. Solubilizarea compuilor greu solubili sau insolubili prin intermediul micelelor

Dizolvarea este un proces prin care o substan aflat n stare gazoas, lichid sau solid este trecut n soluie (dispersie molecular).

Solubilizarea se realizeaz prin patru ci: includerea n micelele de asociaie, a substanei insolubile sau greu solubile (solubilizare cu ageni tensioactivi = solubilizare micelar); hidrofilizare (introducerea unor grupri hidrofile n molecula substanei insolubile sau greu solubile); formare de compleci; formare de sruri.

Includerea n micelel de asociaie, a substanei insolubile sau greu solubile (solubilizare n prezena tensidelor) depinde de urmtorii factori:

natura substanei insolubile sau greu solubile i natura substanei tensioactive; temperatur (creterea ei influeneaz pozitiv solubilizarea); prezena electroliilor (influeneaz pozitiv solubilizarea); concentraia substanei tensioactive (o anumit cantitate de substan insolubil nu poate

fi dizolvat dect de o anumit cantitate de tensid, numit concentraie maxim aditiv).

Moleculele surfactantului se acumuleaz la interfaa dintre compusul insolubil i ap. Coada hidrofob a surfactantului penetreaz stratul exterior al compusului insolubil i se combin cu acesta. Micelele normale se formeaz n jurul moleculelor hidrofobe i le aduc pe acestea n soluie n mediu apos. Acest fenomen este numit solubilizare micelar.

Micelele inverse formate dintr-un surfactant liposolubil dizolvat ntr-un solvent hidrocarbonat pot solubiliza compui hidrosolubili prin nglobarea acestora n centrul micelei, n afara contactului cu solventul.

(a)

(b)

Figura 17. Mecanismul solubilizrii: (a) n absena surfactanilor, (b) n prezena surfactanilor

Solubilizarea este nsoit de micorarea energiei interfaciale i implicit de o cretere a stabilitii sistemului nou obinut.

n figura 18 se prezint modul n care are loc solubilizarea unei substane hidrofile insolubile n mediul de dispersie (nepolar).

Figura 18 . Formarea micelelor la substanele hidrofile: a micela tensioactivului bipolar; b molecule de substan hidrofil polar; c micela substanei hidrofile (nucleu crescut)

Emulsionarea

Emulsiile = sisteme disperse microeterogene de tip L1/L2 cu grad de dispersie cuprins ntre 105 107 m-1, n care cele dou lichide nemiscibile ntre ele sunt dispersate unul n cellalt prin intermediul unui emulgator. Rolul de emulgator l pot ndeplini surfactanii ce se adaug n scopul micorrii lucrului mecanic solicitat de mrirea suprafeei interfazice.

Surfactanii vor aciona prin adsorbia la interfee i micorarea tensiunii superficiale. La adugarea fazei apoase, surfactanii se va orienta, prin procesul de adsorbie, cu partea lipofil spre lichidul nepolar i cu partea hidrofil spre ap formndu-se o emulsie stabil de tip U/A.

cnd surfactanii sunt solubili n ap emulsie U/A. cnd surfactanii sunt solubil n lichidul nepolar emulsie A/U.

Regula lui Bancroft: faza lichid care dizolv mai bine emulgatorul devine mediu de dispersie.

surfactani cu HLB = 8 18 obinerea i stabilizarea emulsiilor U/A. surfactani cu HLB = 3 16 obinerea i stabilizarea emulsiilor A/U.

Detergena (splarea)

Detergena = proces prin care sunt eliminate particulele solide, respectiv, uleiul (impuriti) de pe esturi i alte suprafee prin intermediul surfactanilor (spunuri i detergeni).

Detergena const n adsorbia i orientarea moleculelor amfifile (surfactanilor) la suprafaa supus currii, n scopul hidrofilizrii acesteia, urmat de ndeprtarea impuritilor. n cazul apelor cu duritate mare (coninut mare n ioni Ca2+ i Mg2+) spunurile obinuite vor fi nlocuite cu detergeni (alchilsulfonai, alchilsulfai i alchilarilsulfonai de sodiu) care sunt solubili n ap.

- surfactani cationici se utilizeaz n cazul apelor acide. - surfactani neionici se utilizeaz n orice domeniu de pH.

Aciunea de curare a spunurilor

Aciunea de curare a spunurilor se datoreaz structurior sale polare i nepolare, coroborat cu o aplicarea principiilor solubilitii. Caten lung a unui spun este nepolar i hidrofob (respins de ap). Un capt al moleculei de spun are caracter ionic i este hidrofil (solubil n ap).

Cnd se adaug un spun n ap, la capul polar al moleculei este atras de ap i spunul se dizolv. Coada hidrofoba a moleculei de spun este respins de ap. Una dou picturi de spun n ap formeaz un monostrat pe suprafaa apei aa cum se arat n figura 19. Moleculele de spun sunt atrase cu grupul polar carboxilic la interfaa cu apa.

Figura 19. Spun aezat n monostrat

Apa singur nu este capabil s ptrund printr-un strat de grsime sau ulei, deoarece acestea sunt nepolare. Cnd grsimea sau uleiul (hidrocarburi nepolare) sunt amestecate cu o soluie de spun ap, moleculele de spun funcioneaz ca o "punte " ntre moleculele de ap polare i moleculele de ulei nepolare. Moleculele de spun au att proprieti nepolare ct i polare la capetele opuse ale moleculei.

Uleiul este o hidrocarbur pur deci este nepolar. Coada hidrofob a moleculei de spun se dizolv n ulei, prsete astfel ionii polari carboxilici care rmn n afara picturii de ulei astfel nct suprafaa fiecrei picturi de ulei este ncrcat negativ. Ca rezultat, picturile de ulei se resping reciproc i rmn suspendate n soluie: se formeaz deci o emulsie care poate fi ndeprtat cu ap. Partea exterioar a picturii este, de asemenea, acoperit cu un strat de molecule de ap.

Figura 20. Formarea micelei la ndepartarea unei picturi de ulei

ndepartarea petelor de mizerie (sol gras) de pe o suprafa solid se poate realiza prin trei mecanisme:

emulsionare aglomerarea solubilizare.

Emulsionarea

Figura 21. Mecanismul emulsionrii la ndeprtarea solului gras de pe o suprafa solid

Este necesar ca energia adsorbiei surfactantului s fie ami mare dect energia noii suprafee lichide create.

Aglomerarea

Figura 22. Mecanismul de aglomerare la ndeprtarea solului gras de pe o suprafa solid

Este necesar ca surfactantul s scad noua interfa lichid / solid astfel nct s fie mai mic dect interfaa ulei / solid (cu alte cuvinte este neceasar ca unghiul de contact s creasc).

Solubilizarea

Figura 23. Mecanismul solubilizrii la ndeprtarea solului gras de pe o suprafa solid

Acest tip de mecanism necesit absorbia spontan a uleiului n interiorul micelei.

Indiferent de tipul de mecanism prin cae se ndeprteaz petele de mizerie prin splare are loc n mai multe etape. Astfel, moleculele de surfactant din apele de splare, nconjoar pata de mizerie (pictura de ulei) cu formarea unei micele normale, care apoi este ndeprtat uor cu ap (figura 24.)

Cantitatea de substan solubilizat, respectiv ndeprtat prin splare depinde, evident, de concentraia spunului folosit. S-a constatat c, la aceeai concentraie n spun, cantitatea de substan solubilizat, respectiv ndeprtat prin splare, crete odat cu creterea numrului de atomi de carbon din coada hidrofob (figura 25).

Una din problemele care apar este cauzat de aciditatea slab a acizilor grai (pKa aproximativ 4,9). Soluiile de spunuri ale metalelor alcaline sunt uor alcaline (pH = 8 9), datorit hidrolizei. Dac pH-ul unei soluii de spun este sczut de prezena unor contaminani acizi, acizii grai insolubili ncep s precipite i s formeze o spum.

O a doua problem este cauzat de prezena de sruri de calciu i magneziu n alimentarea cu ap (ap dur). Aceti cationi bivaleni cauzeaz agregarea micelelor, care apoi devin un depozit solid (figura 26).

A

B

C

D

E

F

Figura 24. Etapele splrii

Figura 25. Variaia cantitii de substan solubilizat funcie de concentraia spunului

ap moale ap deionizat ap de la robinet ap dur

apare spum iar spunul este n soluie

unele spunuri formeaz spum; se obine o

soluie bun de spun

practic nu se formaz spum, apar buci mici

de spun plutitoare

nu apare spum, nu exist spun n soluie ci doar un

strat gros de spun n partea superioar

Figura 26. Depozite solide obinute pentru diferite caliti ale apei

Dac spunul se utilizeaz n ap dur, acesta va precipita datorit ionilor de calciu sau magneziu prezeni n apa dur, reducnd astfel eficiena spunului.

anion acid stearic stearat de calciu

Figura 27. Obinerea stearatului de calciu

nseamn c n cazul n care apa de splare este dur trebuie s se foloseasc ageni de curare speciali numai c acetia sunt scumpi, trebuie s fie aplicai i trebuie eliminai la canalizare. Soluia? ndeprtarea ionilor de Ca2+ i Mg2+ din ap. Uneori ns este prea costisitor sau chiar imposibil. A c varianta ce poate fi aleas const n obinerea unui tip diferit de spun sintetic (detergent) n care capul polar negativ din spun s fie nlocuit cu unul pozitiv detergent cationic.

Detergenii sintetici

au structuri moleculare similare i proprieti ca i a spunurilor; este mai putin probabil sau chiar improbabil de a precipita i forma astfel reziduuri solide

cu apa dur (ionii de Ca2+ i Mg2+); muli detergeni sintetici au un cap polar ncrcat negativ, sunt detergeni anionici.

Detergenii cationici

sunt ageni de curare buni; posed proprieti germicide; muli dintre ei sunt derivai de ammoniac; adeasea sed gsesc n ampon sau n ageni de cltire pentru haine; sunt capabili s neutralizeze sarcinilie electrice static din moleculele detergenilor

anionici reziduali.

Figura 28. Detergent cationic

CO

O-+ Ca2

+C

O

O( )

2Ca

CH3(CH2)15 NCH3

CH3ClCH3

+ _

Detergenii neionici

nu reacioneaz cu ionii metalici din apa dur; se utilizeaz ca lichid pentru splarea vaselor; formeaz mai puina spum comparativ cu detergenii ionici.

Efectul ionilor de calciu i magneziu din apa dur este redus prin adugare de dedurizani, cel mai folosit fiind trimetafosfatul de sodiu. Fosfaii reacioneaz cu ionii de calciu asu magneziu pe care i precipit i astfel se evit contactul acestora cu moleculele de spun. Spunul poate fi astfel folosit fr a mai exista interferene. Ali dedurizani folosii n detergeni sunt: carbonatul de sodiu, boraxul, silicatul de sodiu.

Aceste probleme au fost ameliorate prin dezvoltarea de substane amfifle sintetice numite detergeni. Prin folosirea unui acid mult mai puternic pentru grupul format din capul polar, soluiile apoase de compui amfifili sunt mai puin sensibile la schimbrile de pH. De asemenea, gruprile sulfonat folosite pentru aproape toi detergenii anionici confer solubilitate mai mare a micelelor ce ncorporeaz cationii alcalino pmntoi gsii n apa dur. Detergenii cationici prezint adesea proprieti germicide, iar capacitatea lor de a schimba pH-ul suprafeei i-au fcut utili n balsamuri de rufe i ampon de pr.

Figura 29. Tipuri de detergeni

Proprieti importante ale detergenilor

natura chimic i mrimea cozii hidrofobe; natura chimic i dimensiunea capului polar; concentraia critic micelar (CMC) i numrul de agregare< efectul variabilelor soluie (de exemplu, concentraia srurilor, temperatura, etc.) asupra

CCM i a numrului de agregare; puterea de solubilizare valoarea HLB este un ghid util; micelele detergenilor poli-ionici pot precipita poli-ionii ncrcai cu sarcin opus; capurile polare ale detergenilor dicteaz interaciunile de la suprafa. Capetele polare ale

detergenilor cationici se leag de suprafeele de sticl anionice lsnd suprafaa "gras". Din motive similare detergeni neionici au tendina de a face materiale plastice "grase";

ATENIE nu uitai influena legrii proteinelor i lipidelor de detergentul liber. Proteinele pot lega detergent n cantitate egal cu de dou ori greutatea lor iar lipidele de zece ori greutatea lor;

puritate muli dintre detergenii comerciali sunt amestecuri. Detergentul ca atare poate fi component minor. ATENIE - 99% nseamn, de obicei, 99% detergent, ceea ce este nc destul de vag. Detergenii poli oxi etilenici conin adesea fier i peroxizi care pot inactiva enzimele. Dou loturi dintr-un singur detergent comercial pot diferi mai mult dect doi detergeni diferii, dar similari.

Utilizri n practica farmaceutic

Coloizi micelari de asociaie tensioactivi ageni de solubilizare ageni umectani ageni de stabilizare la prepararea suspensiilor emulgatori ageni de splare

Coloizi micelari de asociaie tensioinactivi soluii apoase de colorani utilizate pentru:

explorarea funcional a corneei sau a rinichiului (soluia de fluorescein, soluia de indigo-carmin)

aciune antiseptic (soluia de violet de genian 1%, soluia de rivanol 0,1%, soluia de metilen 1%)

soluii apoase ale taninurilor (aciune astringent) soluii ale alcaloizilor (aciune analgezic, spasmolitic, stimulent al SNC, aciune

antitusiv, etc.) Coloizii micelari de asociaie au aciune major asupra srurilor biliare, prin emulsionarea

grsimilor i uleiurilor n picturi mici. Enzimele pot apoi elimina grsimile i uleiurile.

Glicolat de sodiu

Figura 30. Sruri biliare (exemplu: glicolatul de sodiu)

HO OH

OH CHCH3

(CH2)2 CO

NH

CH2 C O-O

Na+