Estabilización de emulsiones mediante polielectrolitos

La estabilidad de la emulsión puede depender del peso molecular del polielectrolito que la acompaña. Los polielectrolitos de alto peso molecular son los más eficaces para la estabilización. Esto se debe a que forman una barrera estérica sustancial entre el aceite y el agua, inhibiendo la agregación . Sin embargo, si el polielectrolito es demasiado pesado, no se disolverá en la solución. En su lugar, formará grumos de gel y no logrará estabilizar la emulsión. ^{[ 11 ]}

El efecto del pH sobre la estabilidad de los polielectrolitos depende del grupo funcional en la cadena principal del polímero que porta la carga. Por ejemplo, una amina protonada será mucho más estable a un pH bajo, mientras que un grupo sulfonato será más estable a un pH alto.

Los polielectrolitos serán mucho más solubles en disolventes polares debido a la carga en la cadena principal del polímero y se extenderán más. En disolventes no polares, los polielectrolitos se enrollarán, compactándose más y, si la cadena principal es no polar, la carga se ubicará en el interior de la estructura compacta. ^{[ 12 ]}

La fuerza iónica desempeña un papel crucial en la estabilidad . En las emulsiones de agua en aceite, así como en muchas otras, la constante dieléctrica del disolvente es tan baja que las fuerzas electrostáticas entre las partículas no son lo suficientemente fuertes como para afectar la estabilidad de la emulsión. Por lo tanto, la estabilidad de la emulsión depende en gran medida del espesor de la película de polielectrolito . ^{[ 13 ]}

El espesor de la película de polielectrolito depende de su fuerza iónica . ^{[ 13 ]} Las especies cargadas en las cadenas de polielectrolitos se repelen entre sí, lo que provoca que las cadenas se estiren. A medida que aumenta la concentración de sal, aumenta la fuerza iónica y los iones apantallan las cargas en la cadena de polímero, permitiendo que esta forme una bobina aleatoria densa. ^{[ 14 ]}

Las fuerzas repulsivas electrostáticas predominan en las emulsiones estabilizadas con polielectrolitos. ^{[ 1 ] [ 15 ]} Aunque existen interacciones estéricas , son insignificantes en comparación. A medida que aumenta la concentración de polielectrolito, aumentan las fuerzas repulsivas. Cuando hay más moléculas de polielectrolito , la distancia entre partículas individuales disminuye. A medida que la distancia${\displaystyle h}$A medida que disminuye, el término exponencial se vuelve mayor. En consecuencia, la energía de repulsión también aumenta.

La ecuación general para la energía de repulsión suponiendo partículas esféricas (ecuación 1):

${\displaystyle V={\frac {64\pi RCk_{\text{B}}T\Gamma e^{-Kh}}{K^{2}}},}$

dónde

${\displaystyle R}$= radio de la partícula,

${\displaystyle C}$= concentración global de iones.

${\displaystyle k_{\text{B}}}$= constante de Boltzmann ,

${\displaystyle \Gamma }$= potencial superficial reducido.

${\displaystyle h}$= la distancia de superficie a superficie de las partículas esféricas.

${\displaystyle T}$= la temperatura termodinámica

${\displaystyle K}$= la longitud de Debye .

Además, el pH y la fuerza iónica tienen una gran influencia en las interacciones electrostáticas porque afectan la "magnitud de la carga eléctrica" ​​en la solución. ^{[ 17 ]} Como se puede ver en la ecuación anterior, la energía de repulsión depende del cuadrado de la longitud de Debye . A partir de la ecuación para la longitud de Debye , se demuestra cómo la fuerza iónica puede afectar en última instancia las interacciones electrostáticas en una solución.

Naturalmente, surge la cuestión de la distancia a la que estas interacciones electrostáticas se vuelven importantes. Esto se puede analizar utilizando la longitud de Bjerrum . La longitud de Bjerrum es la distancia a la que la interacción electrostática entre dos cargas es comparable a la energía térmica .${\displaystyle k_{\text{B}}T}$La distancia viene dada por la ecuación 2:

${\displaystyle \lambda _{B}={\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{r}\varepsilon _{0}k_{\text{B}}T}},}$

dónde

${\displaystyle e}$= carga elemental ,

${\displaystyle \varepsilon _{0}}$= permitividad del vacío ,

${\displaystyle \varepsilon _{r}}$= constante dieléctrica relativa .

Los factores mencionados anteriormente pueden influir en la carga de la superficie del polielectrolito. La densidad de carga superficial de estas superficies, a potenciales superficiales bajos, puede modelarse utilizando una versión simplificada de la ecuación de Grahame (ecuación 3):

${\displaystyle \sigma ={\varepsilon _ {r}\varepsilon _ {0}\phi _ {0}}{K},}$

dónde

${\displaystyle \phi _{0}}$= potencial superficial.

En la tabla que aparece a continuación se pueden encontrar ejemplos de polímeros y sus densidades de carga superficial.

Según la situación, los polielectrolitos pueden funcionar como floculantes o defloculantes . Para estabilizar la emulsión , se requieren polielectrolitos defloculantes. La defloculación ocurre cuando las fuerzas repulsivas entre las partículas superan las fuerzas intermoleculares en la solución y los agregados floculados sueltos se separan. A diferencia de los sedimentos sueltos y fácilmente separables que se forman durante la floculación, los sedimentos que se forman durante la defloculación están compactados y son difíciles de redispersar. Las fuerzas repulsivas en la defloculación aumentan el potencial zeta , lo que a su vez reduce la viscosidad de la suspensión . Debido a esta reducción de la viscosidad, a los defloculantes a veces se les denomina "agentes diluyentes". Estos agentes diluyentes suelen ser alcalinos y elevan el pH de la suspensión , evitando la floculación . Los defloculantes se utilizan como agentes diluyentes en el moldeo de plásticos, la fabricación de vidrio y la creación de cerámica de arcilla. ^{[ 20 ]}

Los polielectrolitos también pueden actuar como floculantes , separando sólidos (escamas) y líquidos en procesos industriales como la solubilización y la recuperación de petróleo, y generalmente tienen una gran densidad de carga catiónica .

El uso de materiales orgánicos para refinar el petróleo en lugar de hierro o aluminio coagulado reduciría considerablemente la cantidad de residuos inorgánicos producidos. ^{[ 21 ]} Los residuos consisten en emulsiones estables de aceite en agua. La adición de diversos polielectrolitos a los residuos de petróleo puede provocar la coagulación del aceite, lo que facilitará su extracción y eliminación, sin disminuir significativamente la estabilidad de la solución.

Las emulsiones estabilizadas con polielectrolitos son importantes en el campo de la nanomedicina . Para funcionar correctamente, cualquier sistema de administración de fármacos debe ser biocompatible y biodegradable . Polielectrolitos como el sulfato de dextrano (DSS), la protamina (PRM) o la poli-L-arginina cumplen estos requisitos y pueden utilizarse como cápsulas con una emulsión en su interior. ^{[ 22 ]}

Las emulsiones de aceite en agua se utilizan actualmente como disolventes seguros para las vacunas . ^{[ 23 ]} Es importante que estas emulsiones sean estables y lo sigan siendo durante largos periodos de tiempo. Las emulsiones estabilizadas con polielectrolitos podrían utilizarse para aumentar la vida útil de las vacunas. Los investigadores han logrado desarrollar emulsiones de polielectrolitos con una estabilidad superior a seis meses. ^{[ 1 ]}

Además de ser estables durante largos periodos de tiempo, los polielectrolitos pueden ser útiles para las vacunas debido a su biodegradabilidad . Por ejemplo, los enlaces éster del polielectrolito poli( HPMA - DMAE ) pueden hidrolizarse en el cuerpo humano, y las células VERO envuelven el DSS y utilizan poli-L-arginina para degradarlos. ^{[ 24 ]} Una vez degradada la cápsula de polielectrolito, la emulsión que contiene el fármaco se libera en el organismo. Los investigadores han estado estudiando este método de administración de fármacos para atacar las células leucémicas. ^{[ 22 ]}

Debido a que los polielectrolitos pueden ser biocompatibles , se deduce que pueden usarse para estabilizar emulsiones en alimentos. Varios estudios se han centrado en el uso de polielectrolitos para inducir la mezcla de proteínas y polisacáridos en emulsiones de aceite en agua. El DSS se ha utilizado con éxito para estabilizar este tipo de emulsiones. ^{[ 25 ]} Otros estudios se han centrado en la estabilización de emulsiones de aceite en agua utilizando β-lactoglobulina (β-Lg), una proteína globular, y pectina , un polisacárido aniónico. Tanto la β-lactoglobulina como la pectina son ingredientes comunes en la industria alimentaria. La β-lactoglobulina se utiliza en la proteína de suero, que puede actuar como emulsionante. ^{[ 17 ]}