CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS POSGRADO

Formulación y caracterización de nano-emulsiones de aceite de parafina tipo agua-en-aceite (W/O)

   

Tesis que como Requisito para obtener el Grado de Maestría en Ciencias en Nanotecnología

presenta:

Aurea Guadalupe Gómez Vega

DIRECTOR DE TESIS:

Dra. Margarita Sánchez Domínguez

ASESOR EXTERNO: Dra. Josefina Barrera Cortés

MONTERREY, N.L. Mayo, 2014.

  i  

AGRADECIMIENTOS

 

Quiero expresar mi agradecimiento a la Dra. Josefina Barrera Cortés,

investigadora del CINVESTAV unidad Zacatenco, por haberme abierto las puertas

del laboratorio que dirige, por la oportunidad que me brindó de llevar a cabo este

proyecto. Gracias por todo el apoyo.

A la Dra. Margarita Sánchez Domínguez, investigadora del CIMAV unidad

Monterrey, por sus valiosas asesorías, consejos y orientaciones así como la

confianza que siempre depositó en mi. Gracias también por el tiempo dedicado a

éste proyecto.

Al Dr. Luis Fernando Rojas Ochoa, Coordinador Académico del departamento de

Física del CINVESTAV, por su apoyo para que se efectuara la determinación de

tamaños de gota en el equipo de DLS 3D.

Al Dr. Jorge Tiburcio Báez así como al Dr. Omar Solorza Feria y al Dr. Ruy

Cervantes Díaz del Departamento de Química del CINVESTAV por su apoyo para

efectuar caracterizaciones en el zeta sizer.

A la Universidad Tecnológica de Tula-Tepeji por brindarme la oportunidad de

estudiar esta maestría.

A mi esposo, por su invaluable apoyo en todo este proceso. A mis hijos, por su

comprensión y ayuda.

   

   

  ii  

INDICE

 AGRADECIMIENTOS  ......................................................................................................................  i  INDICE  ...............................................................................................................................................  ii  

Índice de Figuras .............................................................................................................. v  Índice de Gráficas ........................................................................................................... vii  Índice de Tablas .............................................................................................................. vii  

Resumen  ...........................................................................................................................................  1  Abstract  ..............................................................................................................................................  2  I. Introducción  ...................................................................................................................................  4  II. Antecedentes  ................................................................................................................................  7  

2.1 Emulsiones ................................................................................................................. 7  2.2 Surfactantes. ............................................................................................................... 9  

2.2.1 Clasificación de los surfactantes.  ...............................................................................  11  2.2.2 Formación de micelas  ..................................................................................................  14  2.2.3 HLB de los surfactantes  ..............................................................................................  15  

2.3 Inestabilidad de las Emulsiones. .............................................................................. 16  2.4 Diseño de Emulsiones Convencionales .................................................................... 18  2.5 Formulación de nanoemulsiones .............................................................................. 18  

2.5.1 Parámetros de formulación.  ........................................................................................  20  2.6 Formación de Nanoemulsiones. ............................................................................... 22  

2.6.1 Métodos de Dispersión: Fuerza de cizalla (Alta Energía)  ......................................  22  2.6.2 Métodos Fisicoquímicos – inversión de fases (Baja Energía)  ...............................  23  

2.6 Estabilidad de Nano-emulsiones. ............................................................................. 24  2.7 Nano-emulsiones de parafina. .................................................................................. 25  2.8 Aplicación en formulaciones de bioinsecticidas. ....................................................... 26  2.9 Caracterización de las nanoemulsiónes. .................................................................. 27  

2.9.1. Dispersión Dinámica de la Luz.  .................................................................................  27  2.9.2 Conductividad  ...............................................................................................................  29  2.9.3 Determinación de estabilidad cinética  .......................................................................  30  

Justificación .................................................................................................................... 31  Hipótesis ......................................................................................................................... 32  Objetivo General ............................................................................................................. 33  

Objetivos Específicos  ............................................................................................................  33  

  iii  

III. Materiales y métodos.  ..............................................................................................................  34  3.1 Componentes de la nano-emulsión. ......................................................................... 34  3.2. Materiales y Equipos ................................................................................................ 35  3.3 Formulación de la nano-emulsión. ............................................................................ 35  3.4 Procedimiento experimental ..................................................................................... 37  

3.4.1 Etapa 1: Estudio exploratorio  .....................................................................................  37  3.4.2 Etapa 2: Optimización del sistema seleccionado  ...................................................  38  3.4.3 Etapa 3 Estrategia por baja energía  ..........................................................................  39  

3.5 Metodología de Caracterización ............................................................................... 39  3.5.1 Tamaño de gota.  ..........................................................................................................  39  3.5.2 Estabilidad  .....................................................................................................................  40  3.5.3 Signo de la nano-emulsión  .........................................................................................  40  

IV. Resultados y discusión  ............................................................................................................  41  4.1.   Etapa 1: Estudio exploratorio. ................................................................................ 41  4.1.1.   Estudio exploratorio en sistema abierto. ......................................................... 41  

a)   Sistema con Span®80 (S80).  .......................................................................................  41  b)   Sistema formado con Span®20 (S20)  ........................................................................  42  c)   Sistema con Span®20/Tween®80 (S20/T80)  ............................................................  42  d)   4) Sistema con Span®80/Tween®80 (S80/T80)  .......................................................  42  Tamaño de gota.  ....................................................................................................................  44  Estabilidad.  ..............................................................................................................................  49  

4.1.2.   Barrido en sistema cerrado. ............................................................................ 51  a) Sistema formulado con Span®80 (S80).  ........................................................................  51  b) Sistema formulado con S20.  ............................................................................................  51  

c) Sistema formulado con una mezcla de surfactantes S20/T80 en relación 62:38 (HLB: 11.09).  ...........................................................................................................................  52  d) Sistema formulado con una mezcla de surfactantes S80/T80, relación 70:30, HLB

7.5.  ............................................................................................................................................  53  Tamaño de gota. ............................................................................................................. 54  4.2.   Etapa 2: Optimización del sistema seleccionado. .................................................. 57  

4.2.1.   Efecto de la adición de sal.  .....................................................................................  57  Estabilidad.  .................................................................................  ¡Error!  Marcador  no  definido.  

Determinación del tipo de nano-emulsión. ...................................................................... 60  Conductividad.  ........................................................................................................................  61  4.2.2.   Efecto de la variación de la temperatura  ..............................................................  61  

4.3.   Etapa 3: Estrategia por baja energía. .................................................................... 64  

  iv  

4.3.1.   Sin ultrasonido.  .........................................................................................................  64  4.3.2.   Método PIC  ...............................................................................................................  65  

Comparación de las mejores formulaciones (S80/T80). ................................................. 69  V. Conclusiones.  ............................................................................................................................  71  

5.1 Etapa 1. Estudio exploratorio. ................................................................................... 71  5.2 Etapa 2. Optimización del sistema seleccionado. ..................................................... 72  5.3 Etapa 3. Estrategia por baja energía. ....................................................................... 72  

VI. Bibliografía  ................................................................................................................................  74  ANEXO 1 Interpretación de DLS. ................................................................................... 80  

       

             

   

  v  

Índice de Figuras

 

Figura II.1 Estructura de un surfactante ............................................................................. 10  Figura II.2 Efecto de los tensoactivos al colocar una gota acuosa sobre una superficie hidrófoba. ............................................................................................................................ 11  Figura II.3 Formación del sorbitan a partir del sorbitol ..................................................... 12  Figura II.4 Estructura química de los surfactantes Span®80, Span®20 y Tween®80 ...... 13  Figura II.5 Micelas. A la derecha con las colas hidrófobas agrupadas al centro. A la izquierda una micela inversa. (Valdés-Pinal, 2010) ........................................................... 14  Figura II.6. Diferentes tipos de micelas. (Salager, 1992) ................................................... 15  Figura II.7 Clasificación de los surfactantes de acuerdo a su valor de HLB (Oliva, 2013) . 16  Figura II.8 Radio hidrodinámico obtenido por DLS. (Fritsch) ............................................. 29  Figura III.1 Equipo DLS de Malvern Instruments ................................................................ 40  Figura IV.1 Sistema con S80/T80 a la izquierda se observa la mezcla de aceite con el surfactante. ......................................................................................................................... 43  Figura IV.2 A la izquierda la muestra del sistema S80/T80 solo con agitación magnética. A la derecha después de aplicar ultrasonido ......................................................................... 43  Figura IV.3 Sistema con mezcla de surfactantes S80/T80 preparado para comprobar reproducibilidad (Muestras a las que se aplicó ultrasonido. ............................................... 44  Figura IV.4 Estabilidad de nano-emulsión a los 8 meses. Muestra 1B, preparada con S80/T80 .............................................................................................................................. 49  Figura IV.5 Sistema formulado con S80/T80, con 7.4% fase acuosa, antes y después de someter a ultrasonido (Muestra I) ...................................................................................... 54  Figura IV.6 Sistema son S80/T80 con 10.71% de fase acuosa, antes y después de someter a ultrasonido. (Muestra II) .................................................................................... 54  Figura IV.7 Muestra II a los 6 meses de haber sido preparada. ........................................ 56  Fig. IV.22 Tamaño de gota de nano-emulsiones formuladas con mezclas de surfactantes no-iónicos. (Tomado de Porras, et. al. 2004) ..................................................................... 57  Figura IV.8. Sistema preparado con S80/T80 6.54% fase acuosa NaCl 0.1M antes y después de ultrasonido (Muestra III) ................................................................................. 59  Figura IV.9 Antes y después de aplicar ultrasonido con 8.25% y 10.71% de concentración de fase acuosa (Sistema formulado con S80/T80) A la izquierda Muestra IV ................... 59  Figura IV.10 S80/T80 con 6.54 % de fase acuosa (Muestra III) y con 8.25 % (Muestra IV) a los 6 meses de su preparación ........................................................................................ 61  Figura IV.11 S80/T80 con 10.71 % de fase acuosa a los 6 meses de su preparación. ..... 61  Figura IV.12. Sistema preparado por encima de la Temperatura HLB (muestra V) .......... 63  Figura IV.13 Sistema S80/T80, 8% fase acuosa, preparado a 50 ºC (Muestra V) a los 3 meses de haber sido preparada ......................................................................................... 65  

  vi  

Figura IV.14 S80/T80 con 6% de fase acuosa sin ultrasonido ........................................... 66  Figura IV.15. Primero se adicionó la fase acuosa al sistema y la fase oleosa fue añadida después. Véase aspecto antes (izq) y después de sonicar (der). (Muestra VII) ............... 67  Figura IV. 17La preparación mediante proceso PIC se ha sometido a ultrasonido. .......... 68  Figura IV. 16 A la izquierda la mezcla de fase acuosa y surfactantes. A la derecha ya se ha añadido aceite ............................................................................................................... 69  Figura A.1 Medición de las fluctuaciones de intensidad de dispersión con el tiempo (Nobbmann) ........................................................................................................................ 81  Figura A.2 Función de auto-correlación y correlograma (Nobbmann) ............................. 81  Figura A.3Interpretación del correlograma ......................................................................... 82  Figura A.4 Gráfica de distribución de tamaño de partículas. La de la izquierda indica mayor polidispersidad, la de la derecha menor polidispersidad así como menor tamaño de partícula (Malvern) .............................................................................................................. 83  Figura A.5 Ubicación del valor de b en la función de correlación.(Malvern Instruments) ... 84    

                                                       

 

  vii  

Índice de Gráficas                      

Índice de Tablas  

 Tabla IV.1 Tamaño de gota ______________________________________________ 46

Tabla IV.2 Sistema formulado con S80 _____________________________________ 51

Tabla IV.3 Sistema formulado con S20 _____________________________________ 52

Tabla IV.4 Sistema con mezcla de surfactantes S20/T80 ______________________ 52

Tabla IV.5 _____________________________________________________________ 53

Sistema formulado con una mezcla de surfactantes S80/T80 _____________________ 53

Tabla IV.6 Tamaño de gota Sistema S80/T80 _______________________________ 54

Tabla IV.7 _____________________________________________________________ 57

Sistema con S80/T80 con sal añadida _______________________________________ 57

Tabla IV.8 Tamaño de gota Sistema S80/T80 con sal añadida __________________ 59

Tabla IV.9 Tamaño de gota S80/T80 preparadas a 50 ºC, sonicadas. _____________ 63

Tabla IV.10 Tamaño de gota sin aplicar ultrasonido ___________________________ 65

Tabla IV.12 Tamaño de gota S80/T80 mediante PIC – ultrasonido. _______________ 66

Tabla IV.13 Tamaño de gota S80/T80 mediante PIC-ultrasonido con 6 % fase acuosa _ 68  

       

  1  

Resumen      

Las nano-emulsiones son referidas en la literatura también como mini-

emulsiones, emulsiones ultrafinas y emulsiones submicrométricas. Son un tipo de

emulsiones que presentan un tamaño de gota que va en un rango de 20 a 500 nm.

Son sistemas cinéticamente estables y ópticamente transparentes o translúcidas y

azulosas. Debido a que son termodinámicamente inestables, no se forman de

manera espontánea y sus características dependerán del método de preparación

utilizado. Requieren para su formación suministro de energía ya sea por medios

mecánicos como homogenizadores de alta presión, agitación a altas velocidades o

aplicación de ultrasonido; o bien, provista por el potencial químico de los

componentes y/o los cambios de fase experimentados durante la preparación de

las mismas. Encuentran aplicación en una amplia variedad de industrias donde se

requiera dispersar materiales acuosos en fases oleosas (o viceversa) y/o entrega

eficiente de sustancias activas, encapsulamiento de materiales sensibles a la

oxidación.

Las nano-emulsiones pueden ser de dos tipos de acuerdo a la naturaleza

de las fases continua y dispersa: aceite-en-agua (O/W) o agua-en-aceite (W/O).

En la literatura se encuentra reportado acerca de la formación de nano-emulsiones

tipo aceite-en-agua, pero del tipo agua-en-aceite se encuentra muy escasa

información. En este proyecto se establece una formulación que permite obtener

una nano-emulsión tipo agua-en-aceite (W/O) obteniendo tamaños de gota por

debajo de los 100 nm, utilizando un sistema ternario o pseudoternario aceite de

parafina / surfactantes no iónicos / agua. Los surfactantes considerados son el

Span® 80, Span® 20 y Tween® 80, que se utilizaron en forma aislada o en

mezcla. Se considera la utilización de métodos de alta energía mediante

aplicación de ultrasonido así como una adaptación de métodos fisicoquímicos que

involucran inversión de fases, denominados de baja energía como es el método

PIT (Phase Inversion Temperature) y el método PIC (Phase Inversion

Composition). Se logró establecer las condiciones de composición y metodología

  2  

para obtener nano-emulsiones W/O basadas en parafina con tamaños de gota

entre 20 a 30 nm y buena estabilidad cinética, mediante una estrategia que

combina baja energía con una pequeña aportación de alta energía por

ultrasonidos.

Abstract  

Nano-emulsions are also referred in the literature as mini- emulsions, emulsions

and ultrafine submicron emulsions. This type of emulsions has a droplet size in a

range, from 20 to 500 nm. They are kinetically stable and optically transparent or

translucent bluish systems. Because they are thermodynamically unstable, they do

not form spontaneously and their characteristics depends on the preparation

method used. The nano-emulsions required for forming power supply either by

mechanical means such as high pressure homogenizers, high speed stirring or

ultrasonic application, or provided by the chemical potential of the components

and/or the phase changes which occur to the system during their preparation.

Nano-emulsions are used in a variety of industries which required the dispersion of

aqueous materials in oil phases (or viceversa) and / or efficient delivery of active

substances, encapsulating materials sensitive to oxidation: cosmetic,

pharmaceutical, agrochemical and food products.

Nano-emulsions exist in two forms, according to the nature of the dispersed and

continuous phase: oil-in-water ( O/W ) or water-in-oil ( W/O). In literature there are

numerous reports on the formation oil-in-water nano-emulsions, but the information

on water-in-oil nano-emulsion is scarce. In this project, an strategy that allows the

formation of water-in-oil (W/O) nano-emulsion with droplet size below 100 nm,

using a non-ionic / water ternary or pseudoternary paraffin oil / surfactant has been

established. The Surfactants used were nonionics Span ® 80, Span ® 20 and

Tween ® 80, used both individually and in mixtures. Methods using high energy

were considered by the use of ultrasound; in addition, an adaptation of low energy

and physicochemical methods involving phase inversion such as the PIT method

  3  

(Phase Inversion Temperature) and the PIC method (Phase Inversion

Composition) were also employed. It was possible to establish the conditions of

composition and methodology for the formation of W/O nano-emulsions based on

paraffin with droplet size of 20-30 nm and very good kinetic stability, by a strategy

that combines low energy with a small contribution of high energy by ultrasound.

       

  4  

I. Introducción  

Aunque ya Demócrito, filósofo griego que vivió entre los siglos V-IV antes

de Cristo, afirmaba que la materia esta formada de partículas indivisibles llamadas

átomos, se siguió con la idea de Sócrates de la materia como un todo continuo. No

fue hasta el siglo XX en que quedó demostrado que Demócrito tenía razón, la

materia está formada por átomos. Con el descubrimiento de la teoría atómica y la

tecnología para manipular la materia a nivel atómico, surge la nanotecnología

ofreciendo diseñar materiales con nuevas propiedades que den solución a las

necesidades de diversas industrias mediante el reordenamiento de átomos y

moléculas. En la historia del hombre puede observarse que éste se ha visto

obligado a manipular los materiales para su supervivencia o para mejorar sus

condiciones de vida. Manipular los materiales fue uno de los primeros retos del

Hombre y aun en esta época sigue siendo una de sus preocupaciones.

La nanotecnología, que se dedica al control de la materia a nivel de átomos

y moléculas, se compone de nanociencia y nanotecnología. La nanociencia

estudia los procesos que ocurren en la materia en tamaños que van de 1 a 100

nanómetros y la nanotecnología se encarga del estudio y del diseño de materiales

nanoscópicos para alguna aplicación práctica. La unidad de medida en

nanotecnología es el nanómetro. Un nanómetro es una mil millonésima parte de

un metro, es decir, un nanómetro es igual a 10-9 metros. Para darse una idea de

la escala de tamaño que se maneja considere que en un milímetro hay 1,000,000

de nanómetros.

El interés de estos materiales con estructuras nanométricas reside en que

las propiedades físicas, químicas y biológicas que estos presentan son muy

diferentes de las propiedades que estos mismos materiales presentan en tamaños

mayores ya que los materiales a escala de 1 a 100 nm se encuentra en el mundo

cuántico regido por las leyes de la mecánica cuántica y se comportaran de manera

muy diferente a como lo hacen cuando se encuentran en dimensiones mayores

(Wing, 2006).

  5  

Las emulsiones tienen interés en diversas industrias: farmacéutica,

cosmética, alimenticia, agroquímica. Dado que son dispersiones de dos materiales

inmiscibles entre ellos, permiten incluir sustancias acuosas en materiales oleosos

y viceversa. Estas sustancias pueden ser pigmentos, saborizantes, vitaminas,

nutrimentos, sustancias activas, medicamentos, entre otros. Cuando las gotas

que están dispersas son del orden de las micras el aspecto de la emulsión es

lechoso, pero al disminuir el tamaño de las gotas al orden de los nanómetros el

aspecto de la emulsión deja de ser lechoso y se vuelve translúcido o transparente,

aspecto que resulta de gran interés mercadotécnico para diversas industrias. El

pequeño tamaño de las gotas le proporciona a las nano-emulsiones transparencia

óptica, estabilidad frente a la sedimentación y alta estabilidad cinética, lo que

resulta interesante para aplicaciones que precisen cierta estética y una larga vida

de anaquel (Hernández, 2004).

Además del aspecto, otra particularidad en una nano-emulsión es su poder

de penetración (Svarc, 2013; Fernández, 2012). Dicha característica encuentra

aplicación en la industria cosmética ya que permitirá entrega de sustancias activas

atravesando distintos niveles de capas de piel (estrato córneo); así mismo, sus

características encuentran aplicaciones en la industria farmacéutica en la entrega

de medicamentos en productos de aplicación tópica, parenteral y administración

intra-nasal, ésta última con la finalidad de liberar el fármaco directamente en el

cerebro (Kumar y colaboradores, 2008) y atravesar la barrera hemato-encefálica lo

cual requiere de tamaños de gota especialmente pequeños. Las nano-emulsiones

presentan ventajas sobre otras formas de dosificación entre las que se puede

mencionar aumento en la absorción en el tracto gastrointestinal, mayor

solubilización de fármacos tanto lipofílicos como hidrofílicos, enmascaramiento de

sabores desagradables, protección frente a la oxidación del fármaco (OMS, 2011;

Almengor, 2009; Fernández, 2012). Así mismo, se han reportado efectos biocidas

de las nano-emulsiones (Ramalingam y colaboradores, 2012) frente a esporas de

Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacillus subtilis, H. Influenzae y Vibro cholerae,

  6  

en formulaciones no nocivas para la piel basadas en algunos tipos de aceites.

(Puerta y colaboradores., 2008; Hamouda y colaboradores. 2001; Hamouda y

colaboradores. 2000; Ferreira y colaboradores. 2010). También, las nano-

emulsiones son utilizadas como medio de reacción en la obtención de nano-

partículas poliméricas (Sadtler y colaboradores, 2012). Y en la industria

agroquímica han tenido aplicación en el tratamiento de enfermedades de plantas,

como nano-emulsiones que contienen nano-partículas de pesticidas o herbicidas

(Lugo-Medina, 2010).

 

 

 

  7  

II. Antecedentes    

2.1 Emulsiones  

Una emulsión es un sistema coloidal de un líquido disperso en otro líquido.

(Maron & Prutton, 1982). Tal dispersión se mantiene por un tiempo en forma de

gotas, con ayuda de un agente emulsionante. El agente emulsionante es afín a

ambas fases y se localiza en la interfase de las gotas formadas evitando su

coalescencia (Fitzpatrick, 2010). Es decir, es una unión forzada de por lo menos

dos sustancias líquidas que son inmiscibles entre sí de manera natural, formando

dos fases: una fase se denomina fase dispersa (las gotas) y la otra es llamada

fase dispersante (fase continua).

Según la naturaleza de la fase dispersa y la fase dispersante, existen dos

tipos de emulsiones: emulsiones agua-en-aceite y emulsiones aceite-en-agua. En

las emulsiones agua-en-aceite (denominada W/O por sus iniciales en inglés) la

fase dispersa es agua y la fase dispersante es aceite, el contenido de agua es

típicamente menor al 25%. En las emulsiones aceite-en-egua (denominada O/W)

el contenido del componente acuoso es generalmente mayor a 31% pudiendo

tener hasta un 80% de agua; en este tipo de emulsión la fase dispersa es un

aceite y la fase dispersante es agua (Cubero, 2002). En general, se cumple la ley

de Brancroft que dice que la fase dispersante es aquella en la que es soluble el

emulsificante. (Aranberri y otros, 2006)

Existen también las emulsiones múltiples, son aquellas en las que la fase

interna es también una emulsión; la simbología para señalarlas es W/O/W si se

trata de una emulsión múltiple de agua-en-aceite-en-agua y O/W/O si se trata de

una emulsión múltiple de aceite-en-agua-en-aceite. (Salager, 1999)

Las emulsiones son termodinámicamente inestables debido al exceso de

energía libre en la superficie de las gotas, lo que hace que estas tengan la

  8  

tendencia a unirse para reducir su superficie; a este efecto se le llama

coalescencia, y al ocurrir esto las fases se van separando macroscópicamente

destruyendo la emulsión por lo que para minimizarlo se agrega el agente

emulsionante, el cual suele ser un surfactante (Gennaro, 2003). Los surfactantes

son moléculas con una parte polar y otra apolar. La parte apolar les permite tener

afinidad con la fase oleosa, la sección polar interactúa con la fase acuosa.

(Buceta, 2012). El surfactante se coloca en la interfase de una manera orientada:

la parte polar hacia el agua, la parte apolar hacia el aceite.

En una emulsión existen fuerzas de atracción y fuerzas de repulsión. Las

fuerzas de atracción dependen del volumen de las gotas, las fuerzas de repulsión

dependen del surfactante adsorbido por lo que finalmente dependerán del área

superficial de las gotas. Al disminuir el tamaño de las gotas se estará favoreciendo

a las fuerzas repulsivas y disminuyendo las fuerzas atractivas, lo que asegura la

estabilidad de la dispersión. (Salager, 1999)

El tamaño de gota en una emulsión se encuentra entre 0.5 a 10 micras, lo

que les da la particularidad de un aspecto lechoso. Debido a su inestabilidad

termodinámica, se requiere el aporte de energía para su formación (Lissant, 1984).

Pueden ser clasificadas de acuerdo al tamaño de gota, se consideran

macroemulsiones aquellas que presentan un tamaño mayor de 500 nm (0.5 micra)

y se denominan nanoemulsiones a aquellas inferiores a 500 nm. Es importante

aclarar que las microemulsiones nos son una categoría que se encuentre entre las

macroemulsiones y las nano-emulsiones. La principal diferencia es que las

microemulasiones, a diferencia de las macroemulsiones y de las nanoemulsiones,

se forman espontáneamente una vez que se tienen las condiciones adecuadas de

composición y temperatura, ya que son termodinámicamente estables. Su nombre

fue aceptado unánimemente desde su introducción por Schulman en 1959 y se ha

mantenido como tal por razones históricas, aunque también se les conoce como

micelas hinchadas. (Solans y colaboradores, 2004). “Las microemulsiones son

sistemas monofásicos dentro de los cuales un surfactante particularmente eficaz

  9  

hace posible la coexistencia, a escala casi molecular, de agua y aceite. Las

microemulsiones presentan nanodominios, no necesariamente esféricos, de

pequeñas dimensiones, típicamente del orden de 2 a 50 nm, fluctuando

rápidamente dentro del tiempo y el espacio” (Salager y colaboradores, 2001, p.p

2). Además de las microemulsiones O/W y W/O, en las cuales existe una fase

discreta (la fase dispersa en forma de gotas), existen también microemulsiones

bicontinuas en las cuales, como su nombre lo indica, ambas fases (tanto la acuosa

como la oleosa), son continuas, presentando estructuras tipo esponja con canales

interconectados.

Otra clasificación de las nano-emulsiones es de acuerdo a la concentración

de la fase dispersa, siendo emulsiones diluidas aquellas con una fracción en

volumen de fase dispersa (ϕ) menor a 0.2. Son concentradas aquellas con un

valor de ϕ entre 0.2 y 0.74; y son altamente concentradas las que presentan un

valor de ϕ mayor a 0.74. (Aranberri y colaboradores, 2006; Lissant 1984). Esta

división es más o menos arbitraria, basándose en la concentración en que

aparecen cambios de importancia en la reología: las concentradas son viscosas

con comportamiento plástico o pseudoplástico; las altamente concentradas

presentan un aspecto sólido o semisólido, en las cuales debido a la alta

concentración de gotas, se encuentran deformadas presentando una forma

polihédrica en lugar de esférica. (Boatella, 2004).

2.2 Surfactantes.  

 La palabra surfactante se origina del acrónimo surfactant, de la lengua

inglesa, formado por surface active agent; también se les conoce como

tensoactivos y como emulsificantes. (Rosen, 2012). Un surfactante es una

sustancia anfífila, es decir, posee una doble afinidad ya que tiene una parte polar y

una parte no-polar. La parte polar contiene átomos como O, S, P, y N que se

encuentran en grupos alcohol, ácido, fosfato, sulfato, amina, amida, cetona, éter,

etc. El grupo apolar esta conformado por lo regular por cadenas hidrocarbonadas,

  10  

aunque también puede estar conformado por cadenas siliconadas o de

perfluorocarburo. La parte polar presenta afinidad por sustancias polares como el

agua por lo que se le denomina parte hidrofílica. La parte apolar presenta afinidad

a sustancias no-polares como los lípidos, por lo que también se le conoce como

parte lipofílica. (Salager, 2002) Se considera que la molécula del surfactante

posee una ‘cabeza’, que es la parte hidrofílica, y una ‘cola’ que es la parte

lipofílica. (Ver Fig. II.1)

Los surfactantes, al ser sustancias anfífilas, tienden a migrar a la interfase

debido a que por su doble polaridad una parte de su molécula siempre presentará

fobicidad si se encuentra en el seno de una fase. Si sólo hay presente una fase

migraran a la superficie, si hay dos fases migraran a la interfase orientando la

parte polar hacia la fase acuosa y la parte apolar hacia la fase oleosa.

Precisamente por esta actividad es que se les denomina surfactantes; cabe

mencionar que no todos los anfífilos presentan tal actividad, ya que para que esto

suceda se requiere que la molécula no sea ni demasiado hidrófila ni demasiado

hidrófoba. Un tensoactivo tiene actividad sobre la tensión superficial o interfacial,

sobre la energía libre de Gibbs, disminuyendo la tensión. (Salager, 2002). La

energía libre interfacial es la cantidad mínima de trabajo requerido para crear esa

interfase; esta energía libre interfacial por área es la tensión interfacial y es la

cantidad mínima de trabajo para crear una unidad de área de interfase o para

expandirla una unidad de área. También indica una medida de la naturaleza de

dos fases en contacto en la interfase ya que al ser menos similares estas dos

sustancias, se incrementa la tensión interfacial . El surfactante hace cambios

Figura II.1 Estructura de un surfactante

  11  

significativos en la cantidad de trabajo requerido para expandir la interfase,

aunque generalmente se le utiliza para reducir la energía libre interfacial. (Rosen,

2012) En la Figura II.2 se ejemplifica el efecto sobre la tensión superficial de los

tensoactivos.

2.2.1 Clasificación de los surfactantes.  

Los surfactantes se clasifican de acuerdo a su disociación al ser disueltos

en agua, de ésta manera se evitan confusiones en una clasificación según su

función. Los surfactantes aniónicos se disocian en un anión anfífilo y en un catión

que generalmente es un metal alcalino o un amonio cuaternario. Los surfactantes

catiónicos se disocian en un catión orgánico anfífilo, generalmente una sal de

amonio cuaternario, y un anión que generalmente es del tipo halogenuro. Los

surfactantes anfóteros son aquellos que combinan en su molécula los dos

caracteres: aniónico y catiónico. Los surfactantes catiónicos y los anfóteros son

caros por lo que se utilizan para aplicaciones muy particulares. Los surfactantes

no-iónicos no se ionizan en solución acuosa ya que poseen grupos hidrófilos del

tipo alcohol, fenol, éter o amida. (Salager, 2002). Dado que en éste proyecto se ha

experimentado con surfactantes tipo no-iónicos, se les describirá en mayor detalle

a continuación.

Surfactantes no-iónicos.

Son aquellos tensoactivos que no se ionizan en solución acuosa lo que los

hace compatibles con otros surfactantes para formar mezclas complejas, así

mismo son menos sensibles a la presencia de electrolitos por lo que pueden

Figura II.2 Efecto de los tensoactivos al colocar una gota acuosa sobre una superficie hidrófoba.

  12  

utilizarse en presencia de salinidad alta. Existen diferentes tipos de surfactantes

no-iónicos predominando aquellos que contienen una cadena poli(óxido de

etileno) enlazada con un grupo hidroxilo o una amina (Fernández, 2004). Los

surfactantes comerciales indican la distribución de número de grupos de óxido de

etileno, en forma abreviada EON (número de óxido de etileno). Se requieren por lo

menos 5 a 7 grupos óxido de etileno para obtener buena solubilidad en agua. La

parte hidrofílica es la cadena poli-óxido de etileno y es mucho más voluminosa que

la parte lipofílica, esto es debido a que los oxígenos del grupo etoxilo poseen dos

pares de electrones libres, los cuales forman puentes de hidrógeno con las

moléculas de agua, formando una grande y voluminosa vaina de hidratación. Los

EO(óxido de etileno) poseen dos grupos metileno por cada oxígeno, el metileno es

de carácter lipofílico y el oxígeno de carácter hidrofílico. Una propiedad de los

surfactantes no-iónicos es que se vuelven menos hidrofílicos conforme la

temperatura aumenta. Esto es debido a que los puentes de hidrógeno antes

mencionados, se van rompiendo a medida que la temperatura incrementa

(Fernández, 2004).

El Span® es una serie de surfactantes derivados del sorbitan. El sorbitan se

obtiene a partir del sorbitol (ver Fig. II.3).

         

Figura II.3 Formación del sorbitan a partir del sorbitol

  13  

Los hidroxilos del sorbitán pueden esterificarse con ácidos grasos,

dependiendo del grado de esterificación y del tipo de ácido graso se formarán

surfactantes con más o menos lipofilico. El Span®80 es monooleato de sorbitán,

formado por la esterificación del sorbitán con ácido oleico, por tanto la cadena

lipofilica está conformada por 18 carbonos. El Span®20 es monolaurato de

sorbitán, formado mediante la esterificación del ácido láurico; su cadena lipofílica

es de 12 átomos de carbono ( Fernández, 2004). Los surfactantes Tween®

consisten en sorbitán polietoxilado (de 4 a 20 EO) y esterificado con uno a tres

ácidos grasos: en pocas palabras, son Span® etoxilados. El Tween®80 es

monooleato de sorbitán polietoxilado con 20 unidades de EO. (ver Fig. II.4) Estos

surfactantes derivados del sorbitol presentan muy baja toxicidad por lo que se

utilizan en alimentos y en la industria farmacéutica. (Salager, 2002)

Figura II.4 Estructura química de los surfactantes Span®80, Span®20 y Tween®80

  14  

2.2.2 Formación de micelas

Las aplicaciones de los surfactantes están directamente relacionadas con

sus propiedades de adsorción y de asociación. Los surfactantes, debido a su

anfifilidad, se transfieren a la interfase y se adsorben en ella. La adsorción en la

interfase causa una disminución en la tensión interfacial. El surfactante se coloca

de manera orientada en una capa, generalmente una monocapa, en la interfase.

La fuerza que mueve a las moléculas de surfactantes a adsorberse puede ser por

atracción polar por presencia de cargas, efecto hidrofóbico, formación de

estructuras de baja energía (Salager, 1992).

Debido al fenómeno de asociación, el surfactante forma micelas debido

principalmente a la hidrofobicidad ya que ésta ocasiona la sustracción de las

colas hidrófobas de la molécula al estar en contacto con el agua (Ver Fig. II.5);

estas micelas presentan un diámetro típico de 20 a 100 Å, dependiendo de la

longitud de la molécula de surfactante. La presencia de un alcohol de cadena

media (co-surfactante) o de electrolitos reduce las fuerzas repulsivas y favorece la

micelización. (Salager, 1992)

Los surfactantes forman diversos tipos de micelas: micelas directas, micelas

inversas, micelas cilíndricas y cristal líquido laminar (ver Fig.II.6). La micela

inversa tiene al centro de la misma las cabezas polares, se presenta en

 

Figura II.5 Micelas. A la derecha con las colas hidrófobas agrupadas al centro. A la izquierda una micela inversa. (Valdés-Pinal, 2010)

  15  

emulsiones tipo W/O (Ver Fig. II.5). El cristal líquido laminar posee propiedades

birrefringentes. (Salager, 1992)

     

 

 

2.2.3 HLB de los surfactantes

Con el fin de medir la lipofilicidad e hidrofilicidad de los surfactantes, Griffin

(Becher and Griffin, 1970) ideó un sistema denominado balance hidrofílico-

lipofílico conocido como HLB, mediante un sistema numérico de índices de

manera que en cuanto más grande sea ese valor, mayor es su carácter hidrofílico.

Así, los surfactantes Span® tienen valores de HLB bajos (de 1.8 a 8.6). Los

surfactantes Tween® presentan valores de HLB altos (9.6 a 16.7) (Hait, 2001). En

la Fig. II.7 se encuentra la clasificación y aplicación de los surfactantes de acuerdo

con su HLB.

Figura II.6. Diferentes tipos de micelas. (Salager, 1992)

  16  

 

2.3 Inestabilidad de las Emulsiones.  

El proceso de ruptura de una emulsión involucra cuatro diferentes mecanismos:

1. Cremado/sedimentación: Es un proceso causado por la acción de la

gravedad en el que las gotas se concentran sin variar la distribución del

tamaño de las mismas. En el cremado (o flotación) las gotas se concentran

en la superficie. Ocurre cuando la fase dispersa se concentra en la parte

superior, causada por el movimiento de las gotas que poseen una densidad

inferior a la de la fase continua. Es un proceso reversible.

En las emulsiones O/W ocurre mayormente el cremado por la menor

densidad del aceite. La sedimentación es un proceso similar en que las

gotas se concentran en la parte inferior (Aranberri, 2006). La velocidad de

cremado para una gota está dada por la siguiente ecuación (Dikinson,

1992):

𝒗 = 𝟐𝒂𝟐𝝆∘ − 𝝆 𝒈𝟗𝜼

Figura II.7 Clasificación de los surfactantes de acuerdo a su valor de HLB (Oliva, 2013)

  17  

donde: 𝑎 = El  radio  de  la  gota 𝜌 = Densidad  de  la  fase  dispersa. 𝜌∘ = Densidad  de  la  fase  continua  𝑔 =  Aceleración  debido  a  la  gravedad  𝜂 =  Viscosidad  absoluta  de  la  fase  continua.  

 2. Floculación: las gotas se adhieren sin fusionarse, ocurre debido a que la

energía cinética que se libera por las colisiones lleva a las gotas hacia donde

las fuerzas atractivas operan ocasionando que las gotas se peguen unas a

otras. El proceso está controlado por un equilibrio entre las fuerzas de

atracción de Van der Waals y las fuerzas repulsivas tipo estéricas (Aranberri,

2006). Por lo tanto, las fuerzas que mantienen unidas a las gotas en este

mecanismo son débiles y es un proceso reversible.

3. Coalescencia: Consiste en la fusión de las gotas formando otras más grandes.

A mayor tamaño de gota, mayor es la tendencia a la coalescencia (Lissant,

1984). Se cree que esta inestabilidad está relacionada con la preferencia de la

curvatura y la rigidez de la capa de surfactante (Aranberri, 2006). Es un

proceso irreversible.

4. Maduración de Ostwald (Engrosamiento de gotas): Se debe a la difusión

molecular del componente de la fase dispersa a través de la fase dispersante,

se da de las gotas pequeñas hacia las gotas grandes, hasta que las pequeñas

desaparecen. La velocidad de este proceso está en función de la solubilidad de

la fase dispersa en la fase continua, aumentando con la temperatura. Se debe

a que la presión osmótica dentro de las gotas pequeñas es mayor que en las

gotas grandes (Aranberri, 2006)

Las inestabilidades de las emulsiones pueden ocurrir como combinación de los

cuatro mecanismos. El surfactante minimizará o evitará la separación de la

emulsión en fases, o al menos la retardará aumentando su estabilidad cinética.

  18  

2.4 Diseño de Emulsiones Convencionales  

Los factores que pueden ser manipulados para que las gotas de las

emulsiones tengan ciertas propiedades son las siguientes:

a) Características de la gota: Mediante la selección adecuada de los

componentes y de las condiciones de preparación, puede ser controlada la

composición, la concentración y la distribución de tamaño de gota.

b) Características interfaciales: Con la selección apropiada tanto del

surfactante como de otros componentes activos de superficie, se pueden

controlar las características de espesor, carga eléctrica, la reología,

permeabilidad y liberación controlada de activos en la capa interfacial del

surfactante.

c) Características generales: La densidad, viscosidad, índice de refracción, y

la tensión interfacial entre la fase acuosa y oleosa pueden ser controlados

por la selección y combinación de aceites y surfactantes apropiados y / o

mediante el uso de aditivos en alguna de las fases, tales como agentes

espesantes, agentes gelificantes, agentes de carga, sales, y co-solventes.

2.5 Formulación de nanoemulsiones  

Una nano-emulsión es aquella cuyo tamaño de gota se encuentra

comprendido entre 20 – 500 nm. Son transparentes o translúcidas, poseen

elevada estabilidad cinética, no requieren elevadas concentraciones de

surfactantes. Son termodinámicamente inestables, sus propiedades dependen del

método de preparación. Otros términos utilizados para referirse a ellas es

miniemulsiones, emulsiones ultrafinas o emulsiones submicrométricas. (Solans y

otros, 2004).

La formulación de la nano-emulsion determina el comportamiento de fase

del sistema, es primordial porque las propiedades dependen de ella. El tipo de

emulsión, el tamaño de gota y su estabilidad cinética dependerán finalmente de la

formulación (Salager, 1998). Al formular una emulsión es importante considerar

que el surfactante que se ha de seleccionar favorezca el tipo de emulsión que se

  19  

pretende preparar (O/W ó W/O); tener en cuenta la concentración de la fase

dispersa en el volumen total de la emulsión ya que la fase mayoritaria tiende a ser

la fase continua; además, establecer la temperatura en la que se trabajará la

emulsión considerando que a mayor temperatura se disminuye la tensión

superficial pero considerando la sensibilidad al calor de los componentes

(Boatella, 2004).

La formulación implica la selección de valores de dos tipos de variables: las

variables de composición y las variables de formulación fisicoquímica. Las

variables de composición son las proporciones relativas de los constituyentes del

sistema: aceite, surfactante, agua. Las variables de formulación fisicoquímica

incluyen: temperatura, presión, naturaleza de los constituyentes. Se requiere más

de una variable para definir cada uno de los constituyentes de la terna; por

ejemplo, el surfactante está definido por la naturaleza de su zona hidrofílica y el

largo de la cadena lipofílica; en lo que respecta al agua, depende de los tipos y

concentración de electrolitos que tenga disueltos. En cuanto al aceite, se ve

influenciado por el largo de la cadena hidrocarbonada, presencia de grupos

funcionales, isomería de posición. (Salager y otros, 2001)

Al hablar de formulación fisicoquímica se hace referencia a la naturaleza de

los componentes. En un sistema de emulsiones existen tres componentes:

surfactante, agua y aceite, teniendo cada uno de estos componentes un potencial

químico que define su estado fisicoquímico. Las variables de formulación son

aquellas que caracterizan a los componentes del sistema y su interacción en la

interfase, estas son: longitud de la cadena alquílica del surfactante, el grupo

hidrofílico del surfactante, la salinidad de la fase acuosa, tipo de aceite, presencia

de alcoholes, la temperatura y la presión. Debido a la existencia de tantas

variables se suele seleccionar la variable que se considere más importante y

manteniendo constante a las demás (Salager, 1999).

  20  

2.5.1 Parámetros de formulación.

HLB.  

La naturaleza anfótera de los surfactantes se ha medido con una escala

empírica denominada HLB. Este término fue introducido por William Griffin en

1949. Se forma con las iniciales de las palabras Hydrophile-Lypophile Balance

refiriéndose a la medida de la afinidad relativa del surfactante para las fases de

agua y de aceite. Estima en una escala del 1 al 20 la atracción simultánea que

presenta el surfactante por las fases oleosa y acuosa; un valor de HLB = 10 indica

que existe la misma atracción por ambas fases. (Salager, 1999). Este concepto

sigue siendo el más difundido para definir un surfactante. El balance hidrofilico-

lipofílico del sistema puede ser alterado por las variables de formulación; por

ejemplo, para los surfactantes no iónicos del tipo etoxilado, la variación de

temperatura puede cambiar el HLB de un surfactante de un valor correspondiente

a una emulsión tipo O/W a un valor correspondiente a W/O, es decir, el HLB

tiende a disminuir cuando la temperatura aumenta. Lo mismo puede ocurrir para

los surfactantes iónicos al modificar la concentración de electrolitos en el sistema.

Los cálculos presentados por Griffin para surfactantes no iónicos se encuentran en

la siguiente ecuación:

𝐻𝐿𝐵 = 20𝑀𝑎𝑠𝑎  𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑑𝑒  𝑙𝑎  𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛  ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑓í𝑙𝑖𝑐𝑎  𝑑𝑒  𝑙𝑎  𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎

𝑃𝑒𝑠𝑜  𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

 Para ésteres en general sería:

𝐻𝐿𝐵 = 20 1 −𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑠𝑎𝑝𝑜𝑛𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖ó𝑛  𝑑𝑒𝑙  é𝑠𝑡𝑒𝑟

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒𝑧  𝑑𝑒𝑙  á𝑐𝑖𝑑𝑜𝑑𝑒𝑙  𝑐𝑢𝑎𝑙  𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎  𝑒𝑙  é𝑠𝑡𝑒𝑟  

  El HLB requerido ( HLBreq) del aceite se refiere al valor HLB del surfactante para

que un sistema O/W sea estable. El valor HLBreq de todos los aceites para formar

una emulsión W/O se encuentra entre 4 y 6. (Salager, 1998)

  21  

La temperatura HLB ( THLB) es aquella en la cual el surfactante tiene la

misma afinidad hacia la fase oleosa que hacia la fase acuosa y su curvatura

natural es cero. Cuando la temperatura es inferior a la THLB el surfactante es

hidrófilo, forma micelas normales con curvatura positiva. Cuando la temperatura es

superior a la THLB el surfactante es lipófilo, forma micelas inversas con curvatura

negativa. (Miñana, 1982).

Formulación generalizada.  

Este método es llamado SAD (Diferencia de Afinidad del Surfactante) y

representa la energía libre de transferencia de una molécula de surfactante desde

la fase acuosa hasta la fase oleosa. El SAD expresa las contribuciones de las

variables de formulación: parámetro característico del surfactante, el número de

carbonos del alcano en caso de que el aceite sea un alcano, la salinidad en caso

de que el agua contenga cloruro de sodio, temperatura y presión. Una forma

adimensional de expresar el SAD es mediante el HLD (Hydrophilic-Lipophilic

Deviation) que indica de forma cuantitativa la desviación de la formulación con

respecto a la denominada formulación óptima. (Forgiarini et. al. 2006). La

formulación óptima es aquella en que el surfactante tiene igual afinidad hacia la

fase acuosa que a la fase oleosa, la tensión interfacial es mínima, corresponde a

un sistema Winsor III.

Esta expresión se basa en la diferencia del potencial químico del

surfactante en las dos fases. La siguiente ecuación muestra el cálculo del HLD.

(Brayner et. al., 2013).

HLD  =  α  –  EON  +  bS  –  kACN    +  tΔT    +  aA    

Donde: α.  k,  t    son parámetros característicos del surfactante usado.  EON  es el número de grupos óxido de etileno del surfactante no iónico. S  es el porcentaje en peso de electrolitos en la fase acuosa (salinidad del agua)  ACN  es el número de carbonos del alcano de la fase oleosa.  ΔT  es la diferencia de temperatura con respecto a 25°C. A  es el porcentaje en peso del alcohol añadido.  a  es una constante característica del alcohol y tipo de surfactante    

  22  

b  es una constante característica de sal añadida  HLD = 0 corresponde a una formulación óptima donde el surfactante tiene igual

afinidad tanto hacia el agua como hacia el aceite y se forma una microemulsión.

HLD > 0 representa un comportamiento de alta lipofilicidad formándose

preferentemente una macroemulsión agua-en-aceite. HLD < 0 indica un

comportamiento de alta hidrofilicidad formándose preferentemente un

macroemulsión aceite-en-agua. (Rosen y Kunjappu, 2012)

2.6 Formación de Nanoemulsiones.  

Las nanoemulsiones pueden ser preparadas por métodos de dispersión de

alta energía. Ejemplo de ello son los ultrasonidos o los homogeneizadores de alta

presión. O por métodos de condensación o fisicoquímicos, que son denominados

de baja energía donde se ocupa ligera agitación y/o cambios de temperatura o

composición.

2.6.1 Métodos de Dispersión: Fuerza de cizalla (Alta Energía)  

Estos métodos consisten en la elongación de la gota mediante un alto

cizallamiento producido por mezcladores de hélice o de turbina, para reducir el

tamaño de gota se precisa suministrar más energía mecánica ya que al disminuir

el tamaño de gota aumenta la presión de Laplace (Marquez y otros, 2004). El

efecto sobre el tamaño de la gota que ejercen los equipos de emulsificación son

los siguientes: la agitación produce tamaños de gota de ~10 micras, el molino de

coloides ~5 micras, ultraturrax ~1.1 micras, el Microfluidizador (sistema

microfluídico a alta presión) de ~0.1 a 0.2 micras. (Benita, 1993) Además de la

energía aplicada, el tamaño y la polidispersidad dependerá de la composición,

particularmente de la relación entre el surfactante y la fase dispersa. Los equipos

más eficientes son los homogeneizadores de alta presión y la aplicación de

ultrasonido (Walstra, 1983; Nakajima, 2010). En emulsiones concentradas o

altamente concentradas, la aplicación de excesiva energía mecánica puede

producir una inversión de fases. (Boatella et. al., 2004 )

  23  

2.6.2 Métodos Fisicoquímicos – inversión de fases (Baja Energía)  

Los métodos de baja energía permiten obtener nanoemulsiones de tamaño

de gota muy pequeño con muy baja polidispersidad. En estos métodos la energía

requerida proviene de las transiciones o cambios de fase que se producen durante

su formación. ( Márquez y otros, 2007) Cuando se cambian las variables en un

sistema que se encuentra en equilibrio termodinámico, este pasa a un estado de

desequilibrio que bajo tales condiciones se traduce en transiciones de fases

formándose emulsiones con pequeño tamaño de gota o nano-emulsiones

(Shinoda, 1967). De acuerdo a la literatura, dichos métodos pueden clasificarse en

dos grupos: emulsificación “espontánea” y emulsificación por inversión de fases.

En el método de emulsión “espontánea” la nanoemulsión se forma mediante un

proceso de dilución de la fase continua. En el método de inversión de fases ocurre

la emulsificación por un proceso de cambio de curvatura de la molécula del

surfactante, ya sea mediante cambios de temperatura o de composición. Cabe

mencionar que aunque algunos autores denominan a ciertos métodos como

formación “espontánea”, ésta no puede ocurrir porque las nano-emulsiones son

por naturaleza termodinámicamente inestables. Sucede que en esos métodos la

emulsión se forma al entrar en contacto los componentes del sistema en ausencia

de o poca agitación, dando la impresión de una formación espontánea. (Rang y

Miller, 1999). Entre los métodos fisicoquímicos utilizados para la formación de

nanoemulsiones se encuentra en método PIT ( Phase Inversion Temperature) y el

método PIC (Phase Inversion Composition).  

PIT  

Este método fisicoquímico para la formación de nano-emulsiones consiste

en la inversión de fases produciéndose la inversión de una emulsión O/W a una

emulsión W/O, o viceversa, al variar la temperatura. A esa temperatura se le ha

llamado Temperatura de Inversión de Fase PIT ( Phase Inversion Temperature) y

  24  

es aquella donde la afinidad del surfactante es la misma para ambas fases, lo que

indica la equivalencia conceptual de los términos PIT y THLB, aunque la correlación

entre ambos no es perfecta ya que la PIT se basa en una metodología

experimental bien definida tomando en cuenta el ambiente fisicoquímico. (Salager,

1998). La PIT está limitada a los surfactantes no-iónicos y al intervalo de

temperaturas en que el agua se encuentra en estado líquido (Salager, 1999);

originalmente la PIT se refería a la temperatura a la cual el surfactante cambiaba

su afinidad hacia la fase acuosa por la afinidad a la fase oleosa debido a la

deshidratación de la cadena polioxietilénica. El método PIT consiste en llevar al

sistema a un cambio rápido de temperatura desde una temperatura igual o inferior

a la PIT hasta una temperatura superior a la misma. ( Solans y otros, 2004).

PIC

Este método de formación de nanoemulsiones, denominado PIC (Phase

Inversion Composition), se realiza mediante la inversión de fases por composición,

pasando de una emulsión W/O a una O/W por adición de agua en sistemas

constituidos por agua/surfactante/aceite, a temperatura constante y sin necesidad

de aplicar fuerte agitación. Es importante realizar detallados estudios previos de

comportamiento de fases con la finalidad de identificar zonas de cristal líquido

laminar y micro-emulsiones bicontinuas, que tienen un papel muy importante en la

formación de las nano-emulsiones al utilizar los métodos PIC y PIT. (Solans y

otros, 2001)

2.6 Estabilidad de Nano-emulsiones.  

Las nano-emulsiones presentan estabilidad ante la sedimentación debido a

que la agitación térmica producida en gotas inferiores a 0.5 micras, conocida como

movimiento Browniano, es mayor que la velocidad de sedimentación producida por

la fuerza de gravedad. (Tadros, 1983). En lo que respecta a la floculación, la

fuerza de Laplace evitaría que por deformación se adhirieran unas gotas a otras,

pero el movimiento browniano provoca que por los choques se produzca la

  25  

deformación (Batchelor, 1976). Las nano-emulsiones presentan estabilidad frente

a la coalescencia debido a que las moléculas del surfactante se encuentra

adsorbido en la interfase agua/aceite en forma de monocapas, bicapas y

multicapas. También se ha reportado que las gotas de las nano-emulsiones se

comportan como esferas rígidas, lo que evita que se deformen en capas planas

ocasionando coalescencia. (Katsumoto y colaboradores, 2000)

2.7 Nano-emulsiones de parafina.  

Se han realizado algunos estudios sobre el comportamiento de emulsiones

W/O utilizando parafina con la finalidad de encontrar técnicas para utilizarlas en la

desestabilización de emulsiones de desechos de petróleo crudo. (Morales, et. al.,

2011). Las nano-emulsiones O/W de parafina han sido estudiadas para aplicarlas

como materiales de cambio de fase para almacenamiento de calor latente. En

dicho estudio se utilizó una mezcla de los surfactantes Span 60® y Tween 60®

utilizando métodos de baja energía. (Schalbart & Kawaji, 2013).

Liu y colaboradores (2006) reportaron la obtención de nano-emulsiones de

parafina del O/W a diferentes temperaturas de emulsificación utilizando el método

EIP (Emulsion Invertion Point) obteniendo tamaños de gota debajo de 200 nm.

Reportan haber utilizado mezclas de surfactantes Span 80® y Tween 80® para

obtener un HLB de 10.3, manejando concentraciones de 3 a 8% de surfactante

con la finalidad de investigar los efectos de la concentración del surfactante en el

tamaño de gota. Encontraron que a mayor concentración de surfactante se

estrecha la distribución de tamaños y disminuye el tamaño de gota, ya que la

cantidad de surfactante determina el área interfacial.

Anton & Saulnier (2013) reportan haber obtenido nano-emulsiones tipo W/O

utilizando parafina por el método PIT (Phase Inversion Temperature) empleando

surfactantes no iónicos y agua con NaCl 0.5M ya que han demostrado un vínculo

con la ubicación de la PIT y la concentración de electrolitos. Utilizaron una

  26  

metodología de tres pasos: 1) formulación de una macroemulsión agitando

magnéticamente (~ 500 rpm) controlando la temperatura. 2) Llevar el sistema y

mantenerlo en la zona de inversión de fase permaneciendo bajo moderada

agitación 3)Dilución del sistema con 2-metilbutano (isopentano) a temperatura

ambiente. Muestran que a temperaturas más bajas que la PIT las moléculas de

surfactante están concentradas en la fase acuosa y que dicha fase puede ser

repentinamente rota por dilución con un aceite fluido de bajo peso molecular y baja

viscosidad que penetre las redes del surfactante formando las gotas acuosas de la

nanoemulsión. No obstante la desventaja de esta metodología radica en la

extremadamente alta volatilidad e inflamabilidad del aceite utilizado para diluir, el

2-metilbutano, además de que finalmente dicho aceite representó un mayor

porcentaje que el aceite de parafina

2.8 Aplicación en formulaciones de bioinsecticidas.  

La escasa biodegradabilidad de los plaguicidas, así como su

bioacumulación, su toxicidad en aire, agua, suelos y para el ser humano, han sido

las causas de la búsqueda de nuevas opciones para el control de las plagas. Una

de estas opciones es el empleo de bioinsecticidas, que consiste en utilizar las

toxinas bacterianas para el control de ciertos insectos sin causar daño a las

plantas ni a otros animales (Alonso, et. al. 2012). Debido a que estos activos

precisan de protección frente a la luz y el calor, así como a la manipulación del

biocida por el operador, los biocidas se presentan en microencapsulados. García-

Gutierrez y col. (2011) reportan la microencapsulación de proteínas cristal y

esporas liofilizadas de Bacillus thuringiensis probando la toxicidad de éste

bioinsecticida en Spodoptera frugiperda.

La microencapsulación permite la liberación controlada y sostenida de

activos así como protección la oxidación, la fotosensibilidad, y/o la volatilidad. Es

definida como una tecnología de empaquetamiento de materiales. Dentro de las

técnicas de microencapsulación se encuentra el método de encapsulación por

  27  

emulsión. En esta técnica, la fase dispersa consta de la matriz que incluye el

componente a encapsular; una solución de alginato-toxina bacteriana se dispersa

en una fase oleosa seguida de una fuente de calcio que inicia la gelificación de las

fase dispersa. Posteriormente se desestabiliza la emulsión y se separan las

cápsulas formadas. (Lupo et. al. 2012).

Esta técnica ha presentado los inconvenientes de una gran polidispersidad

y cápsulas muy grandes, lo que ocasiona desperdicio de sustancia activa. Se

busca disminuir el tamaño de la cápsula y estrechar la dispersión de tamaños. Se

tiene la hipótesis de que si se forma la encapsulación en emulsión cuya fase

continua sea una nano-emulsión tipo W/O en lugar de aceite puro se logrará que

las cápsulas sean más pequeñas y uniformes en tamaño; por esa razón se busca

la formulación que permita la formación de una nano-emulsión agua-en-aceite

utilizando parafina como fase oleosa.

2.9 Caracterización de las nano-emulsiones.  

La caracterización es la identificación de un material mediante el estudio de

sus propiedades físicas, químicas o estructurales; en la caracterización de una

nano-emulsión interesa conocer el tamaño de gota de la fase dispersa, el signo o

tipo de la emulsión (O/W o W/O) y la dispersión de tamaños de gota. La técnica de

caracterización de tamaño de gota de una nano-emulsión se realiza normalmente

es mediante la Dispersión Dinámica de la Luz, conocida como DLS (Dynamic Light

Scattering).

2.9.1. Dispersión Dinámica de la Luz.

Es una técnica experimental basada en la interacción radiación-materia.

Cuando un haz de luz atraviesa un medio donde el índice de refracción es

uniforme en la totalidad del medio, la luz no será desviada. La presencia de

partículas variará el índice de refracción lo que hará que parte de la luz sea

  28  

dispersada en todas direcciones. Al ser tocados por el haz de luz, los átomos y

moléculas se polarizan y re-emiten luz débil de la misma longitud de onda que la

del haz incidente. La DLS, a la cual también se le conoce como espectroscopia de

correlación de fotones, está basada en que la luz dispersada por partículas con

movimiento browniano presentan un desplazamiento minúsculo de su longitud de

onda debido a el efecto Doppler, dicho desplazamiento solo puede ser medido

mediante un rayo láser monocromático y muy intenso. El desplazamiento se utiliza

para medir el coeficiente de difusión de las partículas, que a la vez sirve para

calcular el radio de la partícula utilizando la ecuación de Stokes-Einstein (Gennaro,

2003):

   

𝐷 =𝐾 ∗ 𝑇

6 ∗ 𝜋 ∗ 𝜂 ∗ 𝑟  

   

Donde 𝐷  es el coeficiente de difusión, 𝐾 es la constante de Boltzman (1.38 x10-23

J/K), T es la temperatura en Kelvin, 𝜂 es la viscosidad del medio y 𝑟 es el radio de

la gota. El diámetro medido mediante DLS es el diámetro hidrodinámico, que

incluye la doble capa eléctrica y capa de solvatación adherida a su superficie que

se desplaza junto con la partícula o gota, por tanto el tamaño obtenido por esta

técnica suele ser mayor al que se mediría en un Microscopio Electrónico de

Transmisión (TEM). (Ver Fig. II.8)

 

Figura II.8 Radio hidrodinámico obtenido por DLS. (Fritsch)

  29  

 

2.9.2 Conductividad

La conductividad es una medida de la capacidad de una solución acuosa

para transmitir una corriente eléctrica. Ésta capacidad depende de la presencia de

iones, de la concentración de los mismos así como su movilidad y valencia. La

mayoría de los compuestos inorgánicos son buenos conductores al contrario de

los compuestos orgánicos como aceites, azúcar y alcohol que no se disocian en

soluciones acuosas, son pobres conductores de una corriente eléctrica. La

conductividad eléctrica se define como la conductancia eléctrica de un cubo de

solución electrolítica de 1 metro de arista (Arderiu y colaboradores, 1998). La

unidad de conductividad eléctrica es siemens/ metro (S/m), milisiemens/metro

(mS/m), microsiemens/centímetro (µS/cm).

   

𝑘 = 𝐺𝑑𝑠  

Donde k   es la conductividad, G es la conductancia eléctrica, s es la superficie transversal de los electrodos, d es la distancia de separación de los electrodos.

 

En una emulsión la conductividad de las dos fases que lo conforman es

muy diferente, ya que la fracción acuosa generalmente contiene electrolitos

presentando alta conductividad y la fracción oleosa no conduce la electricidad. La

conductividad dependerá de naturaleza de la fase continua ya que la fase dispersa

no presenta continuidad entre los electrodos. Por tanto, puede emplearse la

conductividad para determinar el tipo de emulsión (Bello, 2000; FIRP # 231).

  30  

2.9.3 Determinación de estabilidad cinética

La estabilidad se refiere a que la nano-emulsión se mantenga en estado

estacionario con modificaciones menores que no alteren significativamente las

características de la misma, que conserve sus propiedades físicas y químicas . La

estabilidad cinética se refiere a la velocidad con que una sustancia se convierte en

otra, la estabilidad termodinámica considera la energía involucrada en el proceso

de transformación del compuesto (Fonseca & Berrocal, 2004).

Dado que las nano-emulsiones son inestables termodinámicamente

finalmente ocurrirá la separación de fases, por lo que la estabilidad de las mismas

se limita a controlar la estabilidad cinética, es decir, retardar la separación de sus

componentes. La inestabilidad de las nano-emulsiones que lleva a la separación

de fases puede ser dado por los mecanismos de cremado, floculación,

coalescencia, maduración de Ostwald, descritos en la sección 2.3.

Las nano-emulsiones se desestabilizan por efecto de envejecimiento

decreciendo el área total interfacial, lo que indica que las gotas han aumentado de

tamaño (probablemente por coalescencia). Para determinar la superficie de una

emulsión se emplea la distribución de tamaños de gota mediante la Dispersión

Dinámica de la Luz (DLS), detectar incrementos de tamaño de gota indica que la

nano-emulsión está coalesciendo. (Fernández-Arteaga, 2006). En la literatura se

encuentra reportada la medición de estabilidad de nano-emulsiones mediante DLS

en función del tiempo (Porras, 2004; Usón, 2004),                

 

  31  

Justificación    

La importancia del estudio de las nano-emulsiones reside en las diversas

aplicaciones que éstas pueden tener en varios campos industriales debido a sus

propiedades; entre las que se puede mencionar que las nano-emulsiones

presentan mayor vida de anaquel que las emulsiones así como el que sean muy

adecuadas para la entrega eficiente de ingredientes activos gracias a su pequeño

tamaño y su alta área superficial.

Dentro de sus aplicaciones se encuentra el utilizar nano-emulsiones como

medio de reacción para la formación de nano-partículas poliméricas; en la

industria alimentaria se les utiliza para encapsular ingredientes para su protección

contra factores ambientales, dichos ingredientes pueden ser nutrientes,

antioxidantes, nutracéuticos, saborizantes, entre otros; la industria cosmética y la

industria farmacéutica han encontrado en las nano-emulsiones nuevas

oportunidades de desarrollo de productos debido principalmente a que las nano-

emulsiones son translúcidas y que por su tamaño de gota penetran fácilmente a

través de la piel. En la industria agroquímica la aplicación de las nano-emulsiones

es la encapsulación, con la finalidad de lograr una liberación eficiente de

fertilizantes, plaguicidas y agroquímicos.

Las nano-emulsiones agua-en-aceite desarrolladas en el presente

proyecto de tesis pudieran también tener aplicaciones como nano-reactor para la

síntesis de nanopartículas, entre las que se puede mencionar nanopartículas de

sílice, nanopartículas de CdS, nanopartículas de materiales cerámicos, etc. Así

mismo, las nano-emulsiones W/O tienen aplicación como coadyuvantes en las

vacunas con antígenos inusuales (como péptidos sintéticos o proteínas

recombinantes).

La aplicación a la que va dirigida el presente estudio es la encapsulación de

sustancias activas para la formulación de bioinsecticidas, donde utilizando una

  32  

nano-emulsión se logrará como beneficio obtener cápsulas de tamaño uniforme

permitiendo una adecuada dosificación evitando desperdicio de sustancia activa.

Aunado a lo anterior, formular una nano-emulsión agua-en-aceite permitirá que la

sustancia activa del bioinsecticida sea encapsulada en la fase acuosa, lo que

traerá como beneficio el producto más favorable para el cuidado del

medioambiente.

Finalmente, cabe destacar que las nano-emulsiones W/O son mucho

menos comunes en la literatura que las nano-emulsiones O/W, por tanto el

presente estudio además de presentar una aplicación potencial práctica, aportará

en el conocimiento básico para la formulación de nano-emulsiones tipo W/O  

Hipótesis      

Mediante una combinación de los métodos de alta y baja energía se

facilitará la formación de una nano-emulsión tipo agua-en-aceite utilizando aceite

de parafina como fase continua: se espera que al formular la nano-emulsión a una

temperatura cercana a la temperatura HLB (THLB) se favorezca la formación de

una nano-emulsión mediante baja energía (método de dilución) ya que a esta

temperatura se favorecen las fases de curvatura cero (laminar, bicontinua), las

cuales se ha demostrado que son fases intermediarias en el mecanismo de

formación de nano-emulsiones por métodos PIC o PIT. Sin embargo se conoce

que es difícil formular nano-emulsiones W/O por métodos de baja energía, por

tanto se espera optimizar la distribución del tamaño de gota de la nano-emulsión

obtenida por el método de baja energía mediante un tratamiento ligero de alta

energía proporcionada por ultrasonido.

 

  33  

Objetivo General  

Establecer una estrategia de formulación que permita la formación de una

nano-emulsión del tipo agua-en-aceite (W/O) utilizando aceite de parafina como

fase continua.

Objetivos Específicos  

1. Realizar un estudio exploratorio para determinar el sistema surfactante

más adecuado para la formulación de nano-emulsiones de agua en

aceite de parafina.

2. Formular y optimizar nano-emulsiones W/O con base al sistema

surfactante seleccionado, utilizando como variables de control la

concentración de la fase acuosa y la temperatura, por un método

combinado de baja y alta energía (ultrasonidos).

3. Explorar la formación de nano-emulsiones por métodos de baja energía

con base a las mejores formulaciones.

4. Caracterizar las nano-emulsiones por tamaño de gota, así como su

estabilidad (vida de anaquel).

 

   

  34  

III. Materiales y métodos.  

3.1 Componentes de la nano-emulsión.  

Aceite de Parafina:

Suministrado por J.T. Baker (Paraffin Oil- J.T Baker S894, BAKER CAS #: 8012-

95-1) Grado: producto químico para uso en el laboratorio e investigación. Es una

mezcla de hidrocarburos saturados con fórmula General CnH2n+2 donde n es el

número de carbonos, que para el aceite de parafina comprende de 10 a 18 átomos

de carbono.    

Surfactantes:

TWEEN 80, surfactante hidrofílico, Monooleato de sorbitán polioxietilénico 80,

N.F., tensoactivo no-iónico con HLB = 15. Suministrado por Sigma Aldrich (P

4780, CAS 9005-65-6). Soluble en agua.

SPAN 80, Surfactante lipofílico, no-iónico, HLB = 4.3, Oleato de Sorbitan.

Suministrado por Sigma Aldrich (S 6760, CAS 1338-43-8). Reportado como

biodegradable. Soluble en aceite mineral y aceite vegetal. Insoluble en agua.

SPAN 20, Monolaurato de sorbitan, Surfactante lipofílico, no iónico, HLB = 8.6,

suministrado por Sigma Aldrich ( S 6635, CAS 1338-39-2). Soluble en aceite

mineral y aceite vegetal. Insoluble en agua.

Cloruro de Sodio.

Agua des-ionizada.    

   

   

  35  

3.2. Materiales y Equipos  

 

Tubos con tapón de baquelita 16 x 150 mm

Vasos de precipitado de 10ml, 50 ml y 150 ml

Micropipetas monocanal manuales de 5000 microlitros y puntas.

Jeringas de 1ml aguja desprendible.

Jeringas de 5 ml

Gradillas.

Termómetro.

Parrilla con agitador magnético.

Barras agitadoras.

Balanza analítica.

Equipo de Ultrasonido y sonotrodo.

Conductímetro

3.3 Formulación de la nano-emulsión.  

Se comenzó esta investigación con la formulación reportada en la literatura

por Porras (2005) y Peng et. al. (2010) 70% de aceite, 10% de surfactante y 20 %

de agua. Porras (2005) utilizó decano en la fase oleosa, los surfactantes

reportados en ese trabajo fueron Monolaurato de sorbitan (en lo sucesivo

Span®20), oleato de sorbitán (en lo sucesivo Span®80) y Monooleato de sorbitán

(en lo sucesivo Tween® 80). Peng et. al (2010) utilizó Isohexadecano en la fase

oleosa, los surfactantes que reportan son polioxietileno 4-lauril eter y polioxietileno

2-lauril éter.

Los surfactantes utilizados en este estudio fueron Span® 80 (S80), con HLB

de 4.3; una mezcla de Span®80/Tween®80 (S80/T80) con una relación 70:30 con

HLB de 7.5; una mezcla de Span®20/Tween®80 (S20/T80) con una relación

  36  

62:38 con HLB de 11.03 y Span®20 (S20) con HLB de 8.0. El cálculo del HLB de

las mezclas se efectuó de la siguiente manera (Liu y otros, 2006):

HLBmix = HLBS1 S1% + HLBS2 S2%

donde: S1 es el surfactante 1 y S2 es el surfactante 2.

La cantidad teórica de emulsificante requerido para formar una capa del espesor

de una molécula alrededor de cada gota se ha calculado de la siguiente manera

(Gennaro, 2003, p 375):

Diámetro de gota deseado: 200 nm = 0.2 x 10-4 cm  

Volumen de las gotas: !!!

! = !.!"!# (!.!  ×  !"!!!")!

!= 0.00041888  ×10!!"  𝑐𝑚!

 

Número total de gotas en 50 gr de agua: !"!"!

!.!!!"#$$$  ×  !"!!"  !"!     = 11936.59  ×  10!"𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠

 

Superficie de cada gota: 𝜋  𝑑! = 3.1416 (0.2  ×  10!!𝑐𝑚)! =  0.125664  ×  10!!𝑐𝑚!  

Superficie total = (superficie de cada gota)(Número total de gotas)

                                           =   0.125664×10!!𝑐𝑚! × 11936.59  ×10!" = 1499.99×10  !  𝑐𝑚!  

 

Si la superficie que ocupa cada molécula en la interfase es de 28Å2 = 28 x 10-16

cm2 (Peltonen, 2001) entonces:

1499.99  ×10!𝑐𝑚!

28  ×10!!"𝑐𝑚! = 53.57  ×10!" = 5.357  ×10!"𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠  𝑑𝑒  𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒  

 Dado que un emulsificante tipo Span®80 tiene un peso molecular de de 428.6 g/

mol y 1 mol contiene 6.023 x1023 moléculas entonces para calcular cuánto pesan

5.357 x 1021 moléculas de surfactante se efectúa la siguiente operación:

5.357×10!"𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 (428.6  𝑔𝑟 𝑚𝑜𝑙)

6.023×10!"𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑙  =  

2296.0102×10!"  𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠.𝑔𝑟 𝑚𝑜𝑙6.023×10!"𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑙

 

 

  37  

= 381.20×10!! = 3.81  𝑔𝑟  

 

En teoría se requieren 3.81 gr de emulsificante tipo Span®80 para emulsificar 50

gr de agua en gotas de 200 nm de diámetro.

3.4 Procedimiento experimental  

3.4.1 Etapa 1: Estudio exploratorio    

a) Estudio exploratorio en sistema abierto: Se pesó el aceite de parafina en un matraz, se agregó la cantidad adecuada

de surfactante obteniendo una concentración final de 70 % fase oleosa y 10 % de

surfactante. Posteriormente se sometió a agitación magnética a ~500 rpm

mientras se agregó gota a gota la cantidad de agua proporcional al 20% de la

formulación final. Se siguió el mismo procedimiento para otra preparación con la

diferencia de que se sometió a elevación de la temperatura a 70 ºC,

manteniéndola mientras se agrega el agua. Se efectuó el procedimiento

calentando sobre la parrilla sin sonda de temperatura y en sistema abierto. El

experimento se efectuó 1) a temperatura ambiente (Porras et. al. 2004) y 2) a 70º

C (Porras et. al., 2005; Peng, 2010). Se experimentó con los siguientes

surfactantes: a) Span®80 (S80), b) Span®20 (S20), c) Mezcla de

Span®20/Tween®80 (S20/T80), d) Mezcla de Span®80/Tween®80 (S20/T80)

b) Barrido en sistema cerrado.

Se pesaron 17.5 gr de aceite de parafina, para el surfactante se pesó según

lo siguiente: en el experimento con S80 se pesaron 2.5 gr, en el experimento con

S20 se pesaron 2.5 gr, en el experimento con la mezcla S20/T80 se pesaron 1.55

gr de S20 y 0.95 gr de T80, en el experimento con la mezcla S80/T80 se pesaron

1.75 gr de S80 y 0.75 gr de T80.

  38  

El aceite y el surfactante fue colocado en un matraz cerrado. El agua fue

adicionada gota a gota mediante una jeringa mientras se aplicaba agitación

magnética a ~500 rpm. El sistema fue sometido a calentamiento hasta 70 ºC

mediante un baño de agua con temperatura controlada utilizando una sonda.

3.4.2 Etapa 2: Optimización del sistema seleccionado a) Efecto de la adición de sal

Para los experimentos de esta etapa se precisa de adicionar electrolitos a la

fase acuosa por lo que se estudiará el efecto de la adición de NaCl a la nano-

emulsión. Para éste estudio el procedimiento fue el siguiente: se pesaron 17.5 gr

de aceite de parafina, para el surfactante se pesaron 1.75 gr de S80 y 0.75 gr de

T80. El aceite y el surfactante fue colocado en un matraz cerrado.

En lugar de utilizar agua pura se utilizó una solución de NaCl 0.1 M, que fue

adicionada gota a gota mediante una jeringa mientras se aplicaba agitación

magnética a ~500 rpm. El sistema fue sometido a calentamiento hasta 70 ºC

mediante un baño de agua con temperatura controlada utilizando una sonda.

b) Efecto de la variación de la temperatura

Para estudiar el efecto de la temperatura sobre el sistema, se requiere

determinar la Temperatura HLB. El procedimiento de ésta determinación fue el

siguiente: se pesó 17.5 gr de aceite de parafina, se adicionó la mezcla de

surfactantes (1.75 gr de S80 y 0.75 gr de T80) y 1.4 gr de fase acuosa. La fase

acuosa consistía en una solución de NaCl 0.1 M. Se colocó en un frasco con un

agitador magnético y se introdujo el electrodo del conductímetro. El frasco fue

cerrado y colocado en un baño de hielo mientras se suministraba agitación

magnética. Se inició a elevar la temperatura midiendo continuamente la

conductividad y temperatura del sistema.

  39  

3.4.3 Etapa 3 Estrategia por baja energía    

a) Sin aplicar ultrasonido Los sistemas que presentaron aspecto de nano-emulsión con solo agitación

magnética fueron caracterizados con DLS.

b) Método PIC Se pesaron 17.5 gr de aceite de parafina, 2.4 gr de fase acuosa, para el

surfactante se pesaron 1.75 gr de S80 y 0.75 gr de T80. Se colocó en un matraz

la fase acuosa y la mezcla de los surfactantes. Se elevó la temperatura a 70 ºC en

un baño de agua con temperatura controlada y agitación magnética constante. El

aceite fue añadido gota a gota.

3.5 Metodología de Caracterización    

Las caracterizaciones a reportar son:

Apariencia Visual: Una fase, separación de fases, lechosa, translúcida, azulada.

Tipo de nano-emulsión Prueba de la gota Conductividad

Tamaño de gota Dispersión dinámica de la luz

3.5.1 Tamaño de gota.  

Las nano-emulsiones que presentan las mejores observaciones se han

caracterizado por DLS (Dispersión dinámica de la luz) en un zetasizer nano range

system de Malvern Instruments, con medición de tamaños de partícula en un

rango de 0.0003 µm – 5 µm. (Ver Fig.III.1)

  40  

3.5.2 Estabilidad  

La estabilidad se estudió mediante observación visual en función del tiempo

captando imágenes de las emulsiones para apreciar si existe algún tipo de

inestabilidad, así como por medidas puntuales de tamaño de gota por DLS

(Porras et al. 2005).

3.5.3 Signo de la nano-emulsión  

El tipo de nano-emulsión (O/W o W/O) se evaluó mediante la prueba

de la gota y mediante conductividad.

a) Prueba de la gota

La prueba de la gota consistió en colocar una gota de agua y una

gota de aceite de parafina en una porción de la nano-emulsión observando la

solubilidad de cada una de dichas gotas. Si se disuelve la gota de agua entonces

la nano-emulsión es tipo aceite-en-agua; si por el contrario, se disuelve la gota de

aceite de parafina se interpreta que la nano-emulsión es tipo agua-en-aceite.

b) Conductividad

La conductividad fue medida con un conductímetro Corning Pinnacle 542.

Lecturas inferiores a 10 µs cm-1 indican que la fase continua es aceite. La

medición se efectuó mediante el electrodo del conductímetro introduciéndolo en la

nano-emulsión que fue preparada con fase acuosa consistente en una solución de

NaCl 0.1 M.

Figura III.1 Equipo DLS de Malvern Instruments

  41  

IV. Resultados y discusión

4.1. Etapa 1: Estudio exploratorio.  

Esta etapa consiste en el desarrollo de un proceso reproducible para la

formulación de las nanoemulsiones. Las diferentes modificaciones que se le

hicieron a las formulaciones y al proceso, fueron realizadas con base al resultado

de las caracterizaciones y las observaciones realizadas durante esta etapa

4.1.1. Estudio exploratorio en sistema abierto.

De acuerdo a la metodología descrita en el capítulo anterior, se prepararon

sistemas con un contenido de 70% de aceite, 10% de surfactante y 20% de agua

(70:10:20). Los surfactantes utilizados fueron: 1) Span®80 (S80), 2) Span®20

(S20), 3) Mezcla de Span®20/Tween®80 (S20/T80), 4) Mezcla de

Span®80/Tween®80 (S20/T80)

a) Sistema con Span®80 (S80).  

El sistema donde fue utilizado S80, con HLB de 4.3, presentó una rápida

separación de fases tanto a 25°C como en aquel en que se elevó la temperatura a

70°C. Ésta formulación no permitió formar una nano-emulsión inclusive con la

aplicación de ultrasonido. Después de someter las muestras a ultrasonido y

dejarlas reposar, en poco tiempo (alrededor de 20 minutos), éstas se separaron en

fases. La gran cantidad de fase inferior de aspecto lechoso es un indicio de que

estas muestras tienen demasiada fase acuosa. Esto se puede explicar por el bajo

HLB del surfactante utilizado (S80, HLB 4.3); éste surfactante es demasiado

hidrófobo y solamente puede incorporar cantidades muy pequeñas de agua a la

nano-emulsión.

  42  

b) Sistema formado con Span®20 (S20)

Este sistema formado con S20, que presenta un HLB de 8.0, formó un

emulsión con apariencia lechosa que fue inestable al ser preparada tanto a 25ºC

como a 70 ºC. Posteriormente se aplicó ultrasonido a este sistema sin obtener

nano-emulsión. El aspecto de esta muestra sonicada fue lechoso.

c) Sistema con Span®20/Tween®80 (S20/T80)  

Este sistema formado con una mezcla de S20/T80 en una relación 62:38

con un HLB de 11.09, formó una emulsión que tiene la característica de un

aspecto menos lechoso que los otros sistemas preparados, lo que se interpreta

como indicio de que al aplicar ultrasonido podría formarse una nano-emulsión. No

obstante, al aplicar ultrasonido solo se apreció una ligera disminución del aspecto

lechoso lo que se interpreta como una reducción del tamaño de gota aunque sin

llegar a ser una nano-emulsión.

d) 4) Sistema con Span®80/Tween®80 (S80/T80)  

Este sistema fue preparado con una mezcla de surfactantes S80/T80 en

una relación 70:30 y un HLB de 7.5. A temperatura de 25ºC presentó inestabilidad.

Con calentamiento a 70° C se obtuvo una emulsión estable de apariencia

lechosa. (Ver Fig. IV.1)

    Figura IV.1 Sistema con S80/T80 a la izquierda se observa la

mezcla de aceite con el surfactante.

  43  

La preparación fue sometida a ultrasonido. La apariencia cambió de lechosa a

translúcida azulosa, lo que se interpreta como característica de una nano-

emulsión. (Ver Fig. IV.2)

   

 

Se procedió a preparar nuevamente este sistema para comprobar la

reproducibilidad, siendo los resultados positivos. Se obtuvo nuevamente un

cambio en las propiedades ópticas al ser sometida al ultrasonido (Ver Fig. IV.3).

Figura IV.2 A la izquierda la muestra del sistema S80/T80 solo con agitación magnética. A la derecha después de aplicar ultrasonido

Figura IV.3 Sistema con mezcla de surfactantes S80/T80 preparado para comprobar reproducibilidad (Muestras a las que se aplicó ultrasonido.

  44  

 

Tamaño de gota.    

Se efectuó medición de tamaño de gota de las dos preparaciones con

apariencia translucida mediante dispersión dinámica de la luz (DLS) en un equipo

3D LS Spectrometer, a θ = 60°, 90° y 120° (ángulo de dispersión), con una

longitud de onda del láser de 632.8 nm. Se efectuaron mediciones de dos

muestras: 1) Muestra denominada 1B, obtenida de la preparación del sistema

formulado con una mezcla de surfactantes S80/T80 en relación 70:30. 2) Muestra

denominada 2B, obtenida de la preparación efectuada para comprobar

reproducibilidad del sistema anteriormente mencionado. Los resultados de la

medición se encuentran en la tabla IV.1.

Los datos de DLS fueron analizados con el método de cumulantes por el

software del equipo, 3D LS spectrometer v6.3. A continuación se muestran los

correlogramas.

Grafica  IV.1    Función  de  correlación  de  la  muestra  1B  medida  a  un  ángulo  de  θ  de  60°.  

Grafica  IV.2    Función  de  correlación  de  la  muestra  1B  medida  a  un  ángulo  de  θ  de  90°.  

  45  

Se puede observar que los correlogramas que presentan menos ruido en su

línea base son aquellos a 90º y 120º, por tanto se consideran los ángulos más

adecuados para realizar los análisis. En la tabla IV.1 se encuentra el tamaño de

radio hidrodinámico encontrado y la desviación estándar. Puede observarse que

en promedio se tiene un radio hidrodinámico de 14.83 nm para la muestra 1B con

una polidispersidad de 34.89% de variación con respecto a la media. Para la

muestra 2B se tiene en promedio un radio de 11.99 nm con una variación de

47.32% con respecto a la media. En la gráfica IV.7 puede apreciarse el tamaño de

Grafica  IV.3  Función  de  correlación  de  la  muestra  1B  medida  a  un  ángulo  de  θ  de  120°  

Grafica  IV.4  Función  de  correlación  de  la  muestra  2B  medida    a  un  ángulo  de  θ  de  60°  

Grafica  IV.5  Función  de  correlación  de  la  muestra  2B  medida  a  un  ángulo  de  θ  de90°      

Grafica  IV.6  Función  de  correlación  de  la  muestra  2B  medida  a  un  ángulo  de  θ  de  120°.  

  46  

gota de ambas muestras en función del ángulo de dispersión. En las gráficas IV.8

a IV.11 se ilustran las distribuciones de tamaño obtenidas en función del ángulo de

dispersión para las muestras 1B y 2B.

Tabla IV.1 Tamaño de gota    

Ángulo  de  dispersión   Radio  (nm)   Desv.  Std  

1B   60   15.5   7.15  

     

16.3   9.31  

    90   12.64   5.62  

     

13.73   3.33  

    120   14.79   2.13  

     

14.43   3.51  

 2B   60   13.4   7.28  

     

12.67   10.71  

                             90     10.33   3.76  

     

11.12   2.7  

                           120   11.25   3.44  

        10.96   6.17  

Gráfica   IV.7   Tamaño   de   gota   obtenido   en   función   del   ángulo   de   dispersión   para   las  muestras  de  la  nano-­‐emulsión  preparada  con  la  mezcla  de  surfactantes  S80/T80  (70:30)  1B  y  2B  

  47  

 

Grafica  IV.8  Distribución  de  tamaño  de  gota  en  función  de  la  intensidad  de  la  muestra  1B  a  un  ángulo  de  dispersión  de  60  º    

-­‐0.005  0  

0.005  0.01  

0.015  0.02  0.025  

1   10   100   1000   10000  Re

l.  Intensity

 

Rdio,  nm  

1B 60 º

Grafica  IV.9  Distribución  de  tamaño  de  gota  en  función  de  la  intensidad  de  la  muestra  1B  a  un  ángulo  de  dispersión  de  90  º    

-­‐0.005  

0  

0.005  

0.01  

0.015  

0.02  

0.025  

1   10   100   1000   10000  

Rel.  Intensity

 

Radio,  nm  

1B 90 º

Grafica  IV.10  Distribución  de  tamaño  de  gota  en  función  de  la  intensidad  de  la  muestra  1B  a  un  ángulo  de  dispersión  de  120  º    

-­‐0.01  

0  

0.01  

0.02  

0.03  

0.04  

1   10   100   1000   10000  

Rel.  Intensity

 

Radio,  nm  

1B 120 º

  48  

 

         

   

Gráfica  IV.11  Distribución  de  tamaño  de  gota  en  función  de  la  intensidad  de  la  muestra  2B  a  un  ángulo  de  dispersión  de  60  º      

-­‐0.005  

0  

0.005  

0.01  

0.015  

0.02  

0.025  

0.03  

1   10   100   1000   10000  

Rel.  Intensity

 

Radio,  nm  

2B 60 º

Gráfica   IV.12   Distribución   de   tamaño   de   gota   en   función   de   la  intensidad  de  la  muestra  2B  a  90 º  de  ángulo  de  dispersión  

-­‐0.01  

0  

0.01  

0.02  

0.03  

0.04  

0.05  

1   10   100   1000   10000  

Rel.  Intensity

 

Radio,  nm  

2B 90 º

Gráfica  IV.13  Distribución  de  tamaño  de  gota  en  función  de  la  intensidad  de  la  muestra  2B  a  un  ángulo  de  dispersión  de  120  º    

-­‐0.01  0  

0.01  0.02  0.03  0.04  0.05  0.06  

1   10   100   1000   10000  

Rel.  Intensity

 

Radio,  nm  

2B  120  º  

  49  

 

Estabilidad. Los sistemas preparados fueron observados en el transcurso del tiempo con la

finalidad de apreciar si existen cambios como separación de fases, sedimentación,

cremado, floculación. La preparación efectuada con esta formulación presentó

muy buena estabilidad. A los 8 meses seguía aun estable, esto puede apreciarse

en la Figura IV.4. Sin embargo, este mismo sistema que no fue sometido a

ultrasonido sí presentó inestabilidad a los 20 días: ligera separación de fase

oleosa y así como escasa sedimentación.

Como resultado de este estudio exploratorio de la sub Etapa 1.1, se

concluye que el sistema donde se utilizan los surfactantes S20 y S80 de forma

aislada no forman nano-emulsiones ya que estos surfactantes son muy hidrófobos

y no permiten incorporar la fase acuosa en gotas pequeñas ya que la cabeza polar

de estos surfactantes es muy pequeña.

Se comprueba también que aplicar energía por ultrasonido no es suficiente

para formar una nano-emulsión; es necesario que la composición de la

formulación sea adecuada.

Figura IV.4 Estabilidad de nano-emulsión a los 8 meses. Muestra 1B, preparada con S80/T80

  50  

Así mismo, se concluye que 20% de fase acuosa es demasiado alta para

formar nano-emulsiones, por lo que para las siguientes etapas se decide

experimentar para definir la proporción idónea de fase acuosa.

El sistema más adecuado es aquel en donde se utilizó la mezcla de

surfactantes S80/T80 en relación 70:30 debido no solo a que el HLB de la mezcla

es de 7.5, sino también por la sinergia entre ambos surfactantes que tienen

cadenas hidrofobas de la misma longitud. El S80 es un surfactante lipofílico, lo que

de acuerdo a la ley de Brancroft es lo que se requiere para formar una emulsión

tipo W/O, el T80 es un surfactante no iónico hidrofílico que agregándolo en

cantidades pequeñas para no elevar mas allá de 8 el HLB, coadyuvará a

incorporar más cantidad de agua. Además, esta formulación presenta una alta

estabilidad cinética debida posiblemente a la sinergia entre ambos surfactantes

para disminuir la maduración de Ostwald coincidiendo con lo reportado por

Izquierdo y colaboradores (Izquierdo et al. 2005), quienes formaron nano-

emulsiones tipo O/W con isohexadecano como fase oleosa y una mezcla de

surfactantes de polioxietileno éter 4-lauril / polioxietileno éter 6-lauril, reportan que

utilizar mezclas de surfactantes no iónicos con misma longitud de cadena

hidrófoba siendo el segundo surfactante con mayor grado de etoxilación se

incrementará la estabilidad.

Calentar directamente en la parrilla sin utilizar un baño de agua con control

adecuado de temperatura así como experimentar en un sistema abierto, provoca

evaporación de agua de tal modo que la concentración de la fase acuosa queda

indefinida en la formulación final por lo que para los experimentos subsecuentes

se procede a experimentar utilizando un baño de agua con control de temperatura

y en un sistema cerrado.

  51  

4.1.2. Barrido en sistema cerrado.  

Los anteriores experimentos fueron efectuados en sistema abierto lo que

ocasionó pérdida del agua quedando indefinida la concentración de la misma en el

sistema. Se procedió a repetir los experimentos en un sistema cerrado y en un

baño de agua con temperatura controlada. Las observaciones encontradas se

expresan enseguida.

a) Sistema formulado con Span®80 (S80).  

Se efectuó un barrido de la apariencia del sistema en diferentes concentraciones

de fase acuosa. Esta formulación no permite la formación de una nano-emulsión,

el aspecto de la misma es lechoso aun después de aplicar ultrasonido. Este

formulación es inestable, presenta sedimentación en pocas horas. La apariencia

observada en el barrido se encuentra en la tabla IV.2.  

Tabla IV.2 Sistema formulado con S80

ml agua adicionada Apariencia

Concentración de

agua %

0.2 Claro-translúcido 0.99 0.4 Translúcido-semilechoso 1.96 0.8 Turbio-semilechoso 3.84 1.0 Semilechoso 4.76 1.2 Lechoso 5.66

   

b) Sistema formulado con S20.  

Al efectuar esta experimentación se encontraron las observaciones indicadas en la

tabla III.3. Esta formulación no permitió la formación de una nano-emulsión, su

aspecto fue lechoso tanto antes como después de aplicar el tratamiento de

ultrasonido. Este sistema es inestable, con el paso del tiempo presenta

sedimentación (a las pocas horas).

  52  

 Tabla IV.3 Sistema formulado con S20

ml agua adicionada Apariencia

Concentración de

agua %

0.2 Claro 0.99 0.4 Claro -Translúcido 1.96 0.6 Translúcido -Turbio 2.91 0.8 Turbio semilechoso 3.84 1.0 Semilechoso 4.76 1.2 Lechoso 5.66

 

c) Sistema formulado con una mezcla de surfactantes S20/T80 en relación 62:38 (HLB: 11.09).

   

 Las observaciones del aspecto del sistema en ésta experimentación conforme se

incrementó la concentración de fase acuosa son las siguientes (Tabla IV.4):

Tabla IV.4 Sistema con mezcla de surfactantes S20/T80

ml agua adicionada Apariencia

Concentración de

agua %

0.2 Claro 0.99 0.4 Claro 1.96 0.6 Claro 2.91 0.8 Claro 3.84 1.0 Claro-ligeramente turbio 4.76 1.2 Claro-ligeramente turbio 5.66 1.4 Claro-ligeramente translúcido 6.54 1.6 Claro -Translúcido 7.40 1.8 Claro-Translúcido 8.25 2.0 Translúcido 9.09 2.2 Translúcido-semilechoso 9.90 2.4 Lechoso 10.71

Con un 8.25% de agua presentó un aspecto claro y translúcido (Fig. IV.16),

al dejar de agitar se observó un cambio a clara y azulosa por lo que se continuó la

adición de agua hasta 10.71% de concentración de la misma. Con esta cantidad

  53  

de agua, el aspecto de la muestra después de aplicar ultrasonido era translúcido y

azuloso, pero a los pocos minutos se tornó menos translúcida llegando a un

aspecto lechoso. Este sistema presentó sedimentación, no obstante en la fase

superior se observó características de nano-emulsión (translucidez y aspecto

azuloso).

d) Sistema formulado con una mezcla de surfactantes S80/T80, relación 70:30, HLB 7.5.

 

Al adicionar el agua gota a gota se efectuaron observaciones de la

apariencia del sistema para determinar la cantidad idónea de agua que permite

formar una nano-emulsión encontrándose lo siguiente (Tabla IV.5):

Tabla IV.5 Sistema formulado con una mezcla de surfactantes S80/T80

ml agua adicionada Apariencia Concentración de

agua % 0.5 Clara 2.43 1.0 Clara 4.76 1.2 Clara-translúcida 5.66 1.4 Translúcida 6.54 1.5 Translúcido-turbio 6.97 1.6 Translúcido-turbio 7.40 1.8 Turbio-lechoso 8.25 1.9 Turbio-lechoso 8.67 2.0 Lechoso con cierta translucidez 9.00 2.4 Lechoso 10.71

La apariencia observada con 1.6 ml de agua (7.4% de fase acuosa) se

consideró como idónea ya que aún sin ultrasonido presenta translucidez. Al ser

sometida a ultrasonido se volvió translúcida-transparente y azulosa, como puede

observarse en la figura IV.5. La formulación con 2.4 ml de agua (10.71% de fase

acuosa) fue sometida a ultrasonido. Con 1 minuto de sonicación por su apariencia

se deduce que redujo su tamaño de gota pero probablemente sin llegar al orden

  54  

de menos de 200 nanómetros. Con 6 minutos de ultrasonido presentó

características de nano-emulsión, lo que puede observarse en la figura IV.6.

Tamaño de gota.    

Se efectuó medición del tamaño de gota (mediante DLS) de las muestras I

y II. En la Tabla IV.6 se encuentran los resultados de la medición, en la gráfica

IV.14 se muestra la distribución de tamaños de gota de la muestra preparada con

7.4% de fase acuosa.

   

Tabla IV.6 Tamaño de gota Sistema S80/T80 Num. Muestra

SURFACTANTE Temperatura Concentración fase acuosa

Diámetro de la gota

DESVIACION ESTANDAR

POLIDISPERSIDAD (Coeficiente de variación)

I S80/T80 70º C 7.40 % 28.20 nm 7.509 26.62 %

II S80/T80 70º C 10.71% 32.49 nm 9.618 29.60 %

Figura IV.5 Sistema formulado con S80/T80, con 7.4% fase acuosa, antes y después de someter a ultrasonido (Muestra I)

Figura IV.6 Sistema son S80/T80 con 10.71% de fase acuosa, antes y después de someter a ultrasonido. (Muestra II)

  55  

Estabilidad.

La nano-emulsión formulada con la mezcla de S80/T80 con 7.4 % de fase

acuosa presentó buena estabilidad, en la Figura IV.7 puede observarse su aspecto

después de 6 meses (Muestra II).

Gráfica IV.14 Distribución de tamaño de gota en función del volúmen para la nano-emulsión preparada con S80/T80 con 7.4% de fase acuosa (Muestra I)

Figura IV.7 Muestra II a los 6 meses de haber sido preparada.

  56  

En esta sub-etapa 1.2 se comprueba que los sistemas en que los

surfactantes S80 y S20 son utilizados de forma aislada no permiten formar una

nano-emulsión; debido a su bajo HLB incorporan una muy baja concentración de

agua (aproximadamente 5% de fase acuosa) comparado con la concentración de

hasta 10% de fase acuosa que pueden incorporar cuando están en mezcla con

T80. Se corrobora que el mejor sistema es aquel formulado con S80/T80 en

relación 70:30 (HLB 7.5), coincidiendo con los resultados de Porras y

colaboradores (Porras et. al. 2004) quienes encontraron que ésta mezcla de

surfactantes en el sistema Agua/S80 T80/Decano, permitió la formación de una

nano-emulsión W/O con tamaños de gota de ~40 nm para concentraciones de

fase acuosa de 6% debido al sinergismo entre ambos surfactantes proveyendo al

sistema de un mejor estado de mínima energía que cuando se emplean los

surfactantes de manera aislada, posiblemente debido a su compatibilidad de

cadenas. Así mismo, en dicho estudio Porras y colaboradores (2004) reportan que

el sistema que presentó menores tamaños de gota a mayores concentraciones de

fase acuosa fue aquel en que se utilizó una mezcla de S20/T20 (Ver Figura IV.8)

debido a que ambos presentan cadenas alquílicas de 12 átomos de carbono lo

que hace que sean similares al largo de cadena que la fase oleosa: decano. Esto

coincide con nuestros resultados, ya que el aceite de parafina presenta cadenas

de hasta 18 átomos de carbono coincidiendo en el largo de cadenas alquílicas del

S80 y T80.

  57  

4.2. Etapa 2: Optimización del sistema seleccionado.    

4.2.1. Efecto de la adición de sal.    

En la etapa 1 se logró obtener nano-emulsiones de tamaño 24 a 32 nm de

diámetro de gota, estables, aspecto translúcido y se determinó como una buena

metodología así como la formulación más óptima en ese punto: sistema con

S80/T80 relación 70:30. Con el fin de medir conductividad para probar el signo de

la nano-emulsión se añadió NaCl 0.1 M a la fase acuosa. En la tabla IV.7 se

aprecian las observaciones realizadas en el barrido al sistema formulado con la

mezcla de surfactantes S80/T80.

Tabla IV.7 Sistema con S80/T80 con sal añadida

ml agua adicionada Apariencia

Concentración de Fase acuosa

% 0.2 Clara 0.99 0.4 Clara 1.96

Fig. IV.8 Tamaño de gota de nano-emulsiones formuladas con mezclas de surfactantes no-iónicos. (Tomado de Porras, et. al. 2004)

  58  

0.6 Claro-translucido 2.91 0.8 Translucido-turbio 3.84 1.0 Translúcido-turbio 4.76 1.2 Translucido-turbio 5.66 1.4 Turbio-semilechoso 6.54 1.6 Semi lechoso 7.40 1.8 Semi lechoso 8.25 2.0 Semi lechoso 9.09 2.2 Semi lechoso 9.90 2.4 Lechoso 10.71

La apariencia observada al adicionar 1.4 ml de fase acuosa (6.54 % ) se consideró

adecuada y se aplicó ultrasonido. La emulsión cambió sus propiedades ópticas

como se observa en la figura IV.9.

   

Las formulaciones con 1.8 ml y con 2.4 ml de agua (8.25% y 10.71% de fase

acuosa respectivamente) también fueron sometidas a ultrasonido, encontrando

que con 8.25% de fase acuosa también forma una nano-emulsión (como puede

observarse en la Fig. IV.9), no obstante con 6.54% de fase acuosa presenta mejor

apariencia visual. Con 10.71% de fase acuosa se considera que se ha excedido

de contenido de agua por su aspecto lechoso. Al sonicar requirió de 6 minutos de

Figura IV.9. Sistema preparado con S80/T80 6.54% fase acuosa NaCl 0.1M antes y después de ultrasonido (Muestra III)

  59  

ultrasonido para un cambio leve en su apariencia en contraste con 1 minuto

requerido por las otras formulaciones. (A ésta muestra no se midió tamaño de

gota por presentar un aspecto semi-lechoso)

Los sistemas fueron caracterizados mediante dispersión dinámica de la luz (DLS)

encontrando lo expresado en la tabla IV.8  

     

Los sistemas formulados con S80/T80 con NaCl añadido en la fase acuosa

preparadas con 6.54 % y 8.25 % de concentración de la misma, muestras III y IV

respectivamente, presentaron buena estabilidad con el paso del tiempo como

puede observarse en la Figura IV.10. El sistema formado con 10.71 % de

concentración de fase acuosa (Figura IV.11) presentó a los 6 meses aumento de

aspecto lechoso, lo que se interpreta como incremento del tamaño de gota. Así

Tabla IV.8 Tamaño de gota Sistema S80/T80 con sal añadida Num. Muestra

SURFACTANTE Temperatura Concentración fase acuosa

Presencia de NaCl

Diámetro de la gota

DESVIACION ESTANDAR

POLIDISPERSIDAD (Coeficiente de variación)

III S80/T80 70º C 6.54 % SI 25.91 nm 8.320 32.11 %

IV S80/T80 70º C 8.25 % SI 27.29 nm 6.231 22.83 %

Figura IV.10 Antes y después de aplicar ultrasonido con 8.25% y 10.71% de concentración de fase acuosa (Sistema formulado con S80/T80) A la izquierda Muestra IV

  60  

mismo se observa una leve separación de fase oleosa en estas tres

preparaciones.

   

Determinación del tipo de nano-emulsión.  

Para determinar el signo de la nano-emulsión (positivo, es decir aceite-en-

agua; o negativo, agua-en-aceite), se realizó la prueba de la gota y se midió la

conductividad.

Prueba de la gota. Se probó la nano-emulsión formulada con S80/T80 relación 70:30 con

8.25% de fase acuosa (Muestra IV). La gota de parafina se solubilizó

inmediatamente. La gota de agua no se disolvió. Esta prueba indica que la nano-

emulsión es tipo agua-en-aceite (W/O o signo negativo).

Figura IV.10 S80/T80 con 6.54 % de fase acuosa (Muestra III) y con 8.25 % (Muestra IV) a los 6 meses de su preparación

Figura IV.11 S80/T80 con 10.71 % de fase acuosa a los 6 meses de su preparación.

  61  

Conductividad.

Se probó la nano-emulsión formulada con S80/T80 relación 70:30 ya que es

la que ha mostrado ser el mejor sistema, con 8.25 % de fase acuosa (esta

preparación es la muestra IV, la cual incorpora NaCl 0.1 M en su fase acosa para

poder dar señal de conductividad en caso de presentar la fase acuosa como fase

continua). La nano-emulsión presentó una conductividad de 0.362 µs cm-1.

Lecturas inferiores a 10 µs cm-1 indican que la fase continua es aceite. Por tanto,

se confirma que la nano-emulsión es agua-en-aceite (W/O o signo negativo).

4.2.2. Efecto de la variación de la temperatura

Con el fin de optimizar la temperatura de procesamiento se determinó la

temperatura HLB del sistema. Dicha determinación fue efectuada mediante

medición de la conductividad en función de la temperatura. Esta medición se

realizó con el fin de posteriormente probar realizar la formulación a una

temperatura cercana a la temperatura HLB . Para ésta medición se utilizó la

formulación del sistema con mezcla de surfactantes S80/T80 en relación 70:30

(debido a que es el que ha mostrado ser el más adecuado para la formación de

nano-emulsiónes). La gráfica IV.15 muestra los resultados de este estudio donde

se aprecia que la Temperatura HLB del sistema es 43.5º C.

0  200  400  600  800  

1000  

6.8  

9.7  

15.4  

21.5  

30  

40  

44.5  

45.4  

46.2  

47  

47.8  

48.6  

50.1  

54  

61.3  Cond

ucQv

idad

,  μs/cm

 

Temperatura,  ºC  

Temperatura  HLB  

Gráfica IV.15. Determinación de la Temperatura HLB (THLB) del sistema formulado con la mezcla de surfactantes S80/T80

  62  

Se preparó un sistema a unos cuantos grados centígrados por encima de

su THLB, es decir, a 50ºC. Se había estado trabajando a 70º C con buenos

resultados para ésta formulación, la determinación de la THLB permitió reducir la

temperatura a 50 ºC obteniendo la formación de una nano-emulsión. Ésta nano-

emulsión fue preparada con 81% de aceite de parafina, 11% de mezcla de

surfactantes S80/T80 (70:30) y 8% de agua desionizada. El aspecto fue traslúcido-

turbio después de terminar la adición de la fase acuosa bajo agitación magnética.

Al aplicar el ultrasonido se volvió translúcida y azulosa. Véase la figura IV.12.  

 

Se efectuó medición de tamaño de gota mediante dispersión dinámica de la

luz (DLS) encontrando un tamaño de gota promedio de 20 nm (Tabla IV.9). Este

tamaño de gota es más pequeño en comparación con las formulaciones

preparadas a 70 ºC, lo que confirma que es más conveniente realizar la

formulación cerca de la temperatura HLB, probablemente debido a la presencia de

posibles estructuras de curvatura cero (lamelares, bicontinuas) que se pueden

formar durante la formulación, más favorecidas a la temperatura HLB que a

temperaturas más altas. Así mismo, se preparó un sistema con 6% de fase acuosa

preparada a 50 ºC. En la Tabla IV.9 se encuentra la medición de DLS de éstos

sistemas después aplicar ultrasonido. Además, con solo agitación magnética éstos

sistemas presentan apariencia de nano-emulsión

Figura IV.12. Sistema preparado por encima de la Temperatura HLB (muestra V)

  63  

Procesado a 50 ºC, y disminuyendo la concentración de fase acuosa, los

tamaños de gota se redujeron a 17.9 nm de diámetro, es el menor tamaño de

diámetro obtenido considerando todas las formulaciones anteriores (ver Tabla

IV.9). Estabilidad.

 El sistema formulado con la mezcla S80/T80 relación 70:30, que se preparó por

encima de la temperatura HLB (50 ºC) presentó estabilidad cinética. En la Figura

IV.13 se encuentra esta nano-emulsión a los 3 meses de haber sido preparada,

presentando un diámetro de gota de 22.36 nm (Gráfica IV.17).  

Tabla IV.9 Tamaño de gota S80/T80 preparadas a 50 ºC, sonicadas. Num. Muestra

SURFACTANTE Temperatura Concentración de fase acuosa

Diámetro de la gota

DESVIACION ESTANDAR

POLIDISPERSIDAD (Coeficiente de variación)

V S80/T80

50º C 8 % 20.01 nm 4.090 20.43 %

VI S80/T80

50º C 6 % 17.92 nm 5.12 28.57 %

Gráfica IV.16 Distribución de tamaño de gota de la preparación con S80/T80 con 6% de fase acuosa, muestra VI sometida a ultrasonido.

  64  

   

Al término de ésta etapa se determina que procesar el sistema unos grados

centígrados por encima de la temperatura HLB, (43.5 ºC según la determinación

por conductividad) permitió formar una nano-emulsión cinéticamente estable,

logrando optimizar esta formulación reduciendo la temperatura de procesamiento

de 70 ºC a 50 ºC obteniendo un menor tamaño de gota, lo que se atribuye a que a

temperaturas cercanas a la THLB el surfactante se encuentra en un estado más

balanceado, es decir, presenta similar afinidad hacia ambas fases.

Se ha comprobado mediante pruebas de conductividad que las nano-

emulsiones formadas son del tipo agua-en-aceite (W/O) y que puede incorporarse

NaCl a la fase acuosa manteniendo el aspecto, el tamaño de gota y la estabilidad.

4.3. Etapa 3: Estrategia por baja energía.  

4.3.1. Sin ultrasonido.  

Se efectuó medición de tamaño de gota en muestras que presentaban

características de nano-emulsión (translucidas y azulosas) aún sin sonicar. Estas

Figura IV.13 Sistema S80/T80, 8% fase acuosa, preparado a 50 ºC (Muestra V) a los 3 meses de haber sido preparada

Gráfica IV.17 Sistema S80/T80, 8%, fase acuosa, preparado a THLB y con ultrasonido (Muestra V) después de 3 meses de haber sido preparada  

  65  

preparaciones presentaron gotas en el orden de los nanómetros y gotas en

tamaños mayores. En la tabla IV.10 se presentan tales resultados.

 Tabla IV.10 Tamaño de gota sin aplicar ultrasonido SURFACTANTE Temperatura Concentración

de fase acuosa

NaCl Diámetro Desviación Estándar

Coeficiente de variación

Volumen

S80/T80 70º C 7.4 % NO 26.69 nm 5.57 20.86 % 67.8 % 4020 nm 1070 26.61 % 32.2 %

S80/T80 50º C (HLB) 7,4 % NO 32.15 nm 6.79 21.11 % 98 % 4742 nm 752 15.85 % 2 %

S80/T80 50 ºC (HLB) 6 % SI 29.81 7.64 25.62 % 95.2 %

4714 975 20.68 % 4.8 %

Puede observarse en esta experimentación que para la formulación con

S80/T80 relación 70:30, al disminuir la temperatura de procesamiento disminuye la

proporción en volumen de gotas mayores (en el orden de las micras) Ver Tabla

IV.10. Así mismo, permitió formar nano-emulsiones por un método de baja

energía, es decir, sin aplicar ultrasonido.

4.3.2. Método PIC  

Se experimentó invirtiendo el orden de adición de las fases del sistema (el

aceite fue añadido a la mezcla de fase acuosa y surfactantes) utilizando la

Gráfica IV.18. Distribución de tamaños de gota de la preparación S80/T80 con 6 % de fase acuosa (Muestra VI) sin someter a ultrasonido.

Figura IV.14 S80/T80 con 6% de fase acuosa sin ultrasonido

  66  

formulación que presentó mejores resultados en los experimentos efectuados: la

apariencia inicial de la mezcla de agua y surfactantes fue de aspecto cremoso,

espeso, blanco. Al añadir las porciones de aceite el aspecto fue blanco lechoso en

todo momento; por tanto se deduce que bajo estas condiciones no es posible

obtener nanoemulsiones por el método de baja energía PIC. No obstante, al

aplicar el ultrasonido se tornó translúcida y azulosa (Fig. IV.15). La concentración

de fase acuosa es 10.7%

Se efectuó medición de tamaño de gota mediante DLS a este sistema sonicado,

encontrando un diámetro promedio de 31.5 nm (véase Tabla IV.12).

 

Tabla IV.12 Tamaño de gota S80/T80 mediante PIC – ultrasonido. Num. Muestra

SURFACTANTE Temperatura Concentración de fase acuosa

Presencia de NaCl

Diámetro de la gota

DESVIACION ESTANDAR

POLIDISPERSIDAD (Coeficiente de variación)

VII

S80/T80. (Primero se añadió el agua)

70º C 10.71 % SI 31.51 nm 8.820 27.99%

Medición de tamaño de gota de la preparación formulada con S80/T80 relación 70:30, después de aplicar ultrasonido.

Figura IV.15. Primero se adicionó la fase acuosa al sistema y la fase oleosa fue añadida después. Véase aspecto antes (izq) y después de sonicar (der). (Muestra VII)

  67  

El sistema que se preparó invirtiendo el orden de adición de las fases

presentó buena estabilidad cinética, ya que no se observó sedimentación, ni

separación de fases.

Los resultados al utilizar esta metodología fueron que al agregar la fase

oleosa a la mezcla de fase-acuosa/surfactante el aspecto fue lechoso, lo que

encuentra coincidencia con lo reportado por Forgiarini y colaboradores (2001),

quienes efectuaron un estudio del sistema agua/Brij 30/decano para formar nano-

emulsiones O/W, encontraron que no se formó nano-emulsión con el

procedimiento de agregar la fase oleosa gota a gota a la mezcla de

agua/surfactantes a 25 ºC, no obstante que agregando la fase acuosa a la fase

oleosa sí obtuvieron nano-emulsión. Sin embargo, en esta experimentación, al

aplicar un tratamiento ligero de ultrasonido posterior a la formación con ésta

metodología fue posible obtener una nano-emulsión.

Así mismo, puede concluirse que es muy alta la concentración de fase

acuosa (10.71%), no obstante hubo cambio en la apariencia óptica del sistema y el

diámetro de las gotas en el orden de los nanómetros así como buena estabilidad

cinética.

Se estima que podrían obtenerse mejores resultados disminuyendo la

concentración de fase acuosa por lo que en busca de optimizar la formación

mediante PIC, se experimentó disminuyendo dicha concentración a 6%. También

se experimentó en reducir la temperatura de trabajo de 70 ºC a 50 ºC para

procesarla por encima de la Temperatura HLB del sistema. En las figuras IV.16 a

IV.17 se aprecia este proceso: se mezclan primero el agua y el surfactante, a esta

mezcla se le va añadiendo el aceite.

La mezcla obtenida tuvo un aspecto lechoso, pero al someterla a

ultrasonido, fue posible obtener el aspecto deseado de nano-emulsión. El tamaño

de gota obtenido para la muestra que fue sometida a ultrasonido fue de 26 nm de

diámetro. (Ver Tabla IV.13)  

  68  

Al término de esta tercera etapa se corrobora que preparando el sistema

con S80/T80 6% fase acuosa y por encima de la THLB se forma nano-emulsión con

solo baja energía (sin aplicar ultrasonido) logrando tamaños de gota de 29. 8 nm

de diámetro en promedio, aunque se encuentran también gotas de hasta 4.7

micras en un porcentaje de 2-4.8 % en volumen. La obtención de la nano-emulsión

fue lograda sin enfriar rápidamente después de la adición de la fase acuosa,

contrario a lo reportado por Izquierdo y colaboradores (2005) quienes reportan un

Tabla IV.13 Tamaño de gota S80/T80 mediante PIC-ultrasonido con 6 % fase acuosa Num. Muestra

SURFACTANTE Temperatura Concentración de fase acuosa

Diámetro de la gota

DESVIACION ESTANDAR

POLIDISPERSIDAD (Coeficiente de variación)

VIII S80/T80

50 ºC 6 % 26.0 nm 6.82 26.23 %

Figura IV. 16 A la izquierda la mezcla de fase acuosa y surfactantes. A la derecha ya se ha añadido aceite

Muestra  VIII  sonicada  

Gráfica IV.19 Preparación formulada con Span®80/Tween®80 con 6 % de fase acuosa preparada mediante proceso de adicionar primero el agua y posteriormente se agrega la fase oleosa, aplicando ultrasonido.

Figura IV. 17La preparación mediante proceso PIC se ha sometido a ultrasonido.

  69  

estudio de formación de nano-emulsiones O/W por baja energía (método PIT) con

agua/C12E4:C12E6/Isohexadecano, procesando a una temperatura cercana a la

HLB y rápidamente enfriada a 25 ºC mediante un baño de hielo. Ésta diferencia se

debe a que el estudio de Izquierdo y col. (2005) es una nano-emulsión tipo aceite-

en-agua por lo que la zona de formación de éste tipo de nano-emulsiones es bajo

la THLB.

Se corrobora que mediante método PIC no se forma nano-emulsión,

contrario a lo obtenido por Usón y colaboradores (2004) quienes obtuvieron una

nano-emulsión W/O adicionando la fase oleosa lentamente a 30 ºC a la mezcla de

agua:surfactantes que había sido previamente llevada a 70º C y enfriada. Los

componentes del sistema formulado por Uson y col. (2004) son diferentes a los

utilizados en este estudio: agua/cremophor/miristato de isopropilo.

Al agregar la fase oleosa a la mezcla de agua/surfactante el resultado fue

de aspecto lechoso, no obstante, al aplicar ultrasonido se obtuvo una nano-

emulsión con tamaño de gota de 26 nm de diámetro en promedio. Formulando con

6 % de fase acuosa, en lugar de 10.71 %, la nano-emulsión obtenida después de

sonicar presentó mejor apariencia y estabilidad.

De acuerdo a los resultados obtenidos en las experimentaciones de las

diferentes etapas, la formulación óptima para producir una nano-emulsión de

aceite de parafina y agua de tipo W/O es aquella en la que los surfactantes

utilizados son S80/T80 en relación 70:30, con una concentración de fase acuosa

del 6 al 8%, preparando el sistema a una temperatura de 50º C.

Comparación de las mejores formulaciones (S80/T80).    

En la Gráfica IV.20 se muestran el tamaño de gota de las nano-emulsiones

preparadas con S80/T80 (relación 70:30) con las formulaciones que resultaron

más adecuadas. Puede observarse lo siguiente: las que fueron preparadas a 50

ºC presentan menor tamaño de gota que aquellas que fueron preparadas a 70 ºC;

las formulaciones preparadas a 70 ºC con NaCl en la fase acuosa así como sin

adicionar NaCl se encuentran en una misma línea por lo que puede concluirse que

  70  

añadir electrolitos a la fase acuosa no tiene efecto en el tamaño de gota; con baja

energía (sin ultrasonido) se forma nano-emulsión con tamaño de gota adecuado

aunque mayor que las formulaciones que fueron sonicadas; el tamaño de gota

para todas las formulaciones incrementa conforme aumenta la concentración de

fase acuosa.

       

 

Gráfica IV.20 Tamaño de gota de nano-emulsiones en función de la concentración de fase acuosa, de sistemas formulados con S80/T80.

  71  

V. Conclusiones.  

En esta investigación se propuso encontrar la formulación que permita

formar una nano-emulsión tipo W/O utilizando aceite de parafina como fase

oleosa, empleando como métodos de formación una combinación de baja y alta

energía; se ha examinado el uso de los surfactantes Span®20, Span®80 y

Tween®80 de manera aislada y en mezcla. Se logró establecer las condiciones de

composición y metodología para obtener nanoemulsiones W/O basadas en

parafina con tamaños de gota entre 20 a 30 nm y buena estabilidad cinética,

mediante una estrategia que combina baja energía con una pequeña aportación

de alta energía por ultrasonidos.

Las conclusiones obtenidas con los resultados de las experimentaciones

son las siguientes:

5.1 Etapa 1. Estudio exploratorio.

• El sistema surfactante más adecuado es la mezcla Span®80 y Tween®80

en relación 70:30, debido principalmente a la sinergia entre ambos

surfactantes ya que sus cadenas hidrófobas poseen la misma longitud. En

la mezcla, el Span®80 permite trabajar en un rango de HLB adecuado para

la formación de nanoemulsiones W/O, y actúa como co-surfactante ya que

sus tres grupos hidroxilo lo anclan a la interfase, proporcionando cadenas

hidrocarbonadas adicionales a las del Tween®80. Esto ayuda a reducir la

tensión interfacial y una mayor estabilidad para disminuir la maduración de

Ostwald. Además el Tween®80 permite incorporar mayores cantidades de

agua gracias a la hidratación de sus unidades de óxido de etileno

• En cambio, el utilizar Span®80 y Span®20 de manera aislada no permite la

formación de nano-emulsión ya que por ser muy hidrófobos no incorporan

suficiente cantidad de agua debido a su cabeza polar pequeña (no poseen

unidades de óxido de etileno).

  72  

• El mejor sistema es aquel donde se ha utilizado los surfactantes Span®80 y

Tween®80 en mezcla debido principalmente a la sinergia entre ambos

surfactantes por sus cadenas hidrófobas de la misma longitud.

• La concentración de 20% de fase acuosa es demasiado alta, se debe

utilizar una menor concentración con el fin de formar nano-emulsiones.

• No es suficiente con aplicar ultrasonido para formar una nano-emulsión, se

requiere establecer una composición adecuada.

5.2 Etapa 2. Optimización del sistema seleccionado.

• Es posible incorporar electrolitos a la fase acuosa conservando aspecto,

tamaño de gota y estabilidad. Además, la incorporación de NaCl permitió

corroborar que las nano-emulsiones formadas son de tipo agua-en-aceite

(W/O), mediante estudios de conductividad.

• La temperatura HLB (THLB) del sistema Span®80/Tween®80 (relación

70:30) es de 43.5 ºC

• Procesar el sistema unos grados centígrados por encima de la THLB (50 ºC)

también permitió formar nano-emulsiones con base al método combinado

de baja y alta energía. Esto hizo posible optimizar el procedimiento ya que

se redujo la temperatura de procesamiento de 70 ºC a 50 ºC; además, se

redujo el tamaño de gota de las nanoemulsiones obtenidas. Este resultado

se le atribuye a que a temperaturas cercanas a la THLB el surfactante se

encuentra relativamente balanceado, disminuyendo la tensión interfacial lo

cual permite menores tamaños de gota.

5.3 Etapa 3. Estrategia por baja energía.

• Al trabajar a unos grados centígrados por encima de la THLB (50 ºC) se

obtuvieron nano-emulsiones con un método de baja energía, es decir con

solo agitación magnética sin aplicar ultrasonido, obteniéndose tamaños de

  73  

gota de ≈ 30 nm de diámetro. Sin embargo se obtiene también un pequeño

porcentaje de gotas en el orden de unas 5 micras.

• Preparar el sistema con la formulación óptima mencionada en el punto

anterior mediante PIC (Invirtiendo orden de adición: primero la fase acuosa

y se añade gota a gota la fase oleosa) con 6 % de fase acuosa

procesándola por encima de su THLB no permite formar una nano-emulsión

ya que el resultado presenta aspecto lechoso. No obstante, con la

aplicación de ultrasonido se obtuvo una nano-emulsión con tamaño de gota

de 26 nm de diámetro.  

El objetivo planteado en este proyecto ha sido cumplido ya que se

estableció una formulación que permite formar una nano-emulsión tipo agua-en-

aceite utilizando 81% de aceite de parafina, 8% de fase acuosa y 11% de una

mezcla de surfactantes span®80/Tween®80 relación 70:30. Así mismo se

concluye que la fase acuosa puede contener electrolitos sin que esto afecte en su

aspecto ni en su tamaño de gota. La concentración de fase acuosa puede variar

entre 6 – 8% presentando óptimos resultados, no obstante a mayor concentración

de fase acuosa mayor tamaño de gota. El método más adecuado para formar la

nano-emulsión consiste en mezclar primero el aceite con la mezcla de

surfactantes, llevarlo a 50 ºC en baño de agua controlada mientras de se

suministra agitación magnética. Al alcanzar la temperatura indicada, adicionar gota

a gota la fase acuosa.

Se comprobó la hipótesis planteada ya que efectivamente utilizando una

combinación de métodos de alta y baja energía se facilitó la formación de la nano-

emulsión. Sin embargo, también se encontró que algunas formulaciones formaron

nano-emulsión mediante baja energía, es decir sin aplicar ultrasonido, con

apariencia translúcida, con un diámetro de gota de ~30 nm aunque cabe señalar

que presentan un porcentaje en volumen entre 2% – 8% de gotas con tamaños de

hasta 5 micras.

  74  

VI. Bibliografía    

Almengor,l. (2009) Nanotecnología en la industria alimentaria. Universidad Rafael Landívar. Facultad de Ingeniería. Revista electrónica No.13. Julio 2009, pags 35 – 52 [Vi: 23/04/214] http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_13_QUI01.pdf

Arderiu, X.; Castiñeiras, M.; Queraltó, J. (1998) Biquñimica clinica y patología molecular. Volúmen I. Reverté. España

Arenberri, I.; Binks, B.P.; Clint, J.H.; Fletcher, P.D.I.; (2006) Elaboración y caracterización de emulsiones estabilizadas por polímeros y agentes tensoactivos. Revista Iberoamericana de Polímeros. Volúmen 7 (3) Agosto 2006.

Becher, P. and W. Griffin (1970). HLB: a Bibliography 1949-1969. Atlas Chemcial Industries

Bello, J. (2000) Ciencia bromatológica: principios generales de los alimentos. Ediciones de Santos.

Benita, S.; Levy, M.Y. (1993), ‘Submicron emulsions as colloidal drug carriers for intravenous administration: Comprehensive physicochemical characterization, Journal of Pharmaceutical Sciences 82(11), 1069–1079

Boatella, J.; Codony;R.; López,P.( 2004) Química y Bioquímica de los alimentos, II. Universidad de Barcelona. España.

Brayner, R.; Fiévet, F.; Coradin, T. (2013) Nanomaterials: a Danger or a promise?

A chemical and biological perspective. Springer. Londres. Buceta, F. (2012) Temas de Biofisica. Editorial UNED. España. Crolly, G. Medición de tamaño de partícula. Enciclopedia FRITSCH, [Vi:

14/04/2014] http://www.fritsch-sizing.es/index.php?id=990788&L=5 Cubero, N; Monferrer, A; Villalata, J (2002) Aditivos alimentarios. Mundi-Prensa,

España. Dikinson, E.(1992) An Introduction to Food Colloids. Oxford University Press.

Oxford. Fernándes-Arteaga, A.; (2006) Preparación, caracterización y estabilidad de

emulsions y microemulsiones O/W. Universidad de Granada. Tesis doctoral. Fernández, A.; Salager, J.; Scorzza, C. (2004) Surfactantes no-ionicos. Plan piloto

en especialidades químicas. Ministerio de Ciencia y Tecnología. Venezuela. Fernández, F. (2012) Nano-emulsiones de nistatina para el tratamiento de

candidiasis muco-cutáneas. Universidad de Barcelona.

Ferreira JP.; Alves, D.; Neves, O.; Silva J.; Gibbs, PA.; Teixeira, PC. (2010) Effects of the components of two antimicrobial emulsions on food-borne pathogens. Food Control Volumen 21, Issue 3, March 2010, 227-230

  75  

Fonseca, L.; Berrocal, L. (2004) Cinética química aplicada a procesos de descomposición de los fármacos. Editorial Universidad de Costa Rica.

Forgiarini, A.; Marquez, L.; Salager,J.L. (2006) Nanoemulsiones. Laboratorio de

Formulación, Interfases, Reología y Procesos FIRP S237A. Universidad de los Andes. Venezuela

Forgiarini, A.; Esquena, J.; González, C.; Solans, C. (2001) Formation of Nano-emulsions by Low-Energy Emulsification Methods at Constant Temperature. Langmuir 2001, 17, 2076 - 2083

FIRP # 231. Emulsiones y propiedades de formulación. Laboratorio de Formulación, Interfases, Reología y Procesos. FIRP 231. Universidad de los Andes. Venezuela

García-Gutiérrez, K.; Poggy-Varaldo, H.; Esparza-García, F.; Ibarra-Remndón, J.;

Barrera-Cortés, J. (2011) Small microcapsules of crystal proteins and spores of Bacillus thuringiensis by an emulsification/internal gelation method. Bioprocess Biosyst Eng (2011) 34:701 – 708

Gennaro, A (2003) Remington: Farmacia Tomo I. Ed. Medica Panamericana. Hait, S. K. and S. P. Moulik (2001). "Determination of critical micelle concentration

(CMC) of nonionic surfactants by donor-acceptor interaction with lodine and correlation of CMC with hydrophile-lipophile balance and other parameters of the surfactants." Journal of Surfactants and Detergents 4(3): 303-309.

Hamouda, T.; Myc, A.; Donovan, B.; Shih, A.; Reuter,j.; Baker,J. (2001) A novel

surfactant nanoemulsion with a unique non-irritant topical antimicrobial activity against bacteria, enveloped viruses and fungi. Mirobilogical research. Volume 156, issue 1, 2001, pages 1 – 7.

Hamouda, T.; Baker, JR. (2000) Antimicrobial mechanism of action of surfactant lipid preparations in enteric Gram-negative bacilli. Journal of Applied Microbiology 2000 89, 397-403

Haro, C. (2005) Nanoestructuras tridimensionales formadas con liposomas: propiedades estáticas y dinámicas. Universidad de Granada. ISBN 84-338-3387-1

Hernández, C. (2004) Formación de nano-emulsiones O/W mediante el cambio en la composición-formulación por dilución con agua de sistemas próximos a la formulación óptima. Informe Técnico FIRP 0401

Izquierdo, P.; Feng, J.; Esquena, J.; Tadros, T.; Dederen,J.; García, MJ.; Azemar, N.; Solans, C. (2005) The influence of surfactant mixing ratio on nano-emulsion formation by the pit method. Journal of Colloid and Interface sciense 285, 2005, 388 - 394

Jiménez, C.; (2006) Química física para ingenieros químicos. Ed. univ. Polit. de Valencia. España.

  76  

Kumar, M.; Misra, A.; Babbar, A.K.; Mishra, A.K.; Mishra, P.; Pathak, K.; Intranasal nano-emulsion based brain targeting drug delivery system of risperidone. Int J Pharm 2008;358(1-2):285-291.

Liu, W.; Sun, D.; Li, C.; Liu, Q.; Xu, J.(2006) Formation and stability of paraffin oil-

in-water nano-emulsions prepared by tle emulsion inversion point metod. Journal of Colloid and interface Science 303(2006) 557-563

Lissant, K.J. (1984) Emulsions and Emulsion Technology. Vol. VI. Marcel

Dekker, Inc. Nueva York. E.U.

Lugo-Medina, E.; García-Gutierrez, C.; Ruelas-Ayala, R.; (2010) nanotecnología y nanoencapsulación de plaguicidas. Ra Ximhai Vol. 6. Número 1, enero - abril 2010, pp. 63-67.

Maron, S., Prutton, C.(1982) Fundamentos de fisicoquímica. Ed Limusa. México. Márquez, R.; Forgiarini, A.; Bullon,J.; (2007) Emulsiones Parenterales. Laboratorio

de Formulación, Interfases, Reología y Procesos FIRP S485A. Universidad de los Andes. Venezuela

Miñana, M (1982) Propiedades de los Sistemas Surfactante-Agua-Aceite Emulsionados: Influencia de la Formulación Físico-Química. Informe Técnico FIRP, Nº 8201, Escuela de Ingeniería Química, U.L.A. Mérida-Venezuela,

Nakajima, H.; Solans,C.; Kunieda,H.; (2010) Industrial Applications of Microemulsions, vol. 66, Marcel Dekker, New York,.

Nobbmann, U. Protein sizing by light scattering, molecular weigth and polydispersity. Malvern Instruments. [visitado 12 Abril 2014] http://nanoparticles.org/pdf/nobbmann.pdf

Oliva, M. (2013) Sistemas disperses heterogeneos liquid-líquido: emulsions. Universidad de Barcelona.

OMS (2011) Reunión conjunta FAO/OMS de expertos acerca de la aplicación de la

nanotecnología en los sectores alimentario y agropecuario: posibles consecuencias para la inocuidad d elos alimentos. [Vi: 23/04/2014] http://whqlibdoc.who.int/publications/2011/9789243563930_spa.pdf?ua=1

Pasqualli, R; Sacco, N; Bregni, C (2009) The studies on Hidrophilic-Lipophilic

Balance (HLB): Sixty years after William C Griffin’s pioneer work. Latin American Journal of Pharmacy 28 (2) : 313-7 ISSN 0326-2383

Puerta, E.; Orduz, S.; Pérez, C.; Casanova, H.(2008) Formulación y evaluación de nano-emulsiones con actividad biocida sobre bacterias patógenas. XXXII Jornadas Nacionales de Biología

Ramalingam, K.; Amaechi, BT.; Ralph, RH.; Lee, VA.; (2012) Antimicrobial activity

of nanoemulsion on cariogenic planktonic and biofilm organisms. Arch Oral

  77  

Biol 2012;57(1):15-22. Rang, M.J; Miller, C.A. (1999) Spontaneous Emulsification of Oils Containing

Hydrocarbon, Nonionic Surfactant, and Oleyl Alcohol. Journal of Colloid and Interface Science, 209: 179-192. 1999.

Peltonen,L.(2001) The Interfacial Behaviour of sorbitan surfactant monolayers and the bulk properties of these surfactants as a function of temperature. University of Helsinki, Finland. ISBN 952-10-0006-6 (pdf)

Peng, L-C.; Liu, C-H.; Kwan, C-C.; Huang, K-F.; (2010) Optimization of water-in-oil nanoemulsions by mixed surfactants. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 370 (2010) 136-142

Porras, M.; Solans, C.; Gonzalez,C.; Martinez, A.; Guinart, A.; Gutierrez, J.M. (2004) Studies of formation of W/O nano-emulsions.Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 249 (2004) 115-118.

Porras, M.; Martínez, A.; Solans, C.; González, C.; Gutierrez, J.M. (2005) Ceramic particles obtained using W/O nanoemulsions as reaction media. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 270-271 (2005) 189-194.

Puerta, E.; Orduz, S.; Pérez, C.; Casanova, H. (2008) Formulación y evaluación de nano-emulsiones con actividad biocide sobre bacterias patógenas. Universidad Nacional de Colombia. XXXII Jornadas Nacionales de Biología. Ecuador.

Rosen, M.; Kunjappu, J. (2012) Surfactants and Interfacial Phenomena. Wiley. USA. ISBN 978-0-470-54194-4

Sadtler V.; Galindo-Álvarez, J.; Bégué, EM.; (2012) Low Energy Emulsification Methods for Nanoparticles Synthesis, The Delivery of Nanoparticles, Dr. Abbass A. Hashim (Ed.), ISBN: 978-953-51-0615-9, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/books/the-delivery-of- nanoparticles/low-energy-emulsification-methods-for-nanoparticles-synthesis.

Sadurní, N; García-Celma, MJ; Azemar, N; Solans, C (2005) Estudio de la formación de nano-emulsiones O/W en el sistema agua/cremophor/triglicérido y su capacidad de solubilización. Universidad de Salamanca.

Salager, J. (2002). Surfactantes: Tipos y usos. Laboratorio de Formulación, Interfases, Reología y Procesos FIRP S300A. Universidad de los Andes. Venezuela.

Salager, J.; Antón,R.; Anderez,J.; Aubry, J.M.; (2001) Formulation des microémulsions par la méthode du HLD. Techiques de l’Ingenieur, Vol. Génie des Procédés, art. J2 157, 1-20 2001 Volume 42489210. Editions T.I.

  78  

Salager, J (1999) Formulación, composición y fabricación de emulsiones para obtener las propiedades deseadas. Estado del Arte Parte A. FIRP S747A. Universidad de los Andes. Venezuela.

Salager, J (1998) Formulación HLB, PIT, R de Winsor. Laboratorio de

Formulación, Interfases, Reología y Procesos FIRP S210A. Universidad de los Andes. Venezuela.

Salager, J. (1992) El mundo de los surfactantes. Laboratorio de Formulación, Interfases, Reología y Procesos FIRP S311A. Universidad de los Andes. Venezuela

Salager, J.; Anton, R.; (1991) Comportamiento de fase de los sistemas

Surfactante-Agua-Aceite. Diagramas y Barridos. Laboratorio de Formulación, Interfases, Reología y Procesos FIRP S220A. Universidad de los Andes. Venezuela

Shinoda, K. (1967) The Correlation between the Dissolution State of Nonionic Surfactant and the type of Dispersion Stabilized with the Surfactant, J. Colloid Interface Sci., 24(1), 4-9.

Skoog, D.; Crouch, S.; Holler,F.; (2008) Principios de Análisis Instrumental. Cengage Learnings Editores. México.

Solans,C.; Uson,N.; García-Celma, M.J.; Azemar, N.; Esquena, J. (2004) Procedimiento de Preparación de nano-emulsiones de tipo agua-en-aceite (w/o) por métodos de emulsificación de condensación. Oficina Española de Patentes y Marcas. ES2197836A1.

Solans, C.; Esquena, J.; Forgiarini, A.; Usón, N.; Morales, D.; Izquierdo, P.; Azemar, N., Garcia, M. J.(2001) Surfactants in solution, Shah, D.; Moudgil, B.; Mittal K. L.,( Eds.), Marcel Dekker, New York. Surfactant Science Series, (2001).

Svarc, F.(2013) Utilización de nanoestructuras en la industria cosmetic. Nanomercosur 2013. Argentina. [Vi: 23/04/2014] http://nanomercosur.org/docs/presentaciones/actividades-paralelas/Federico-Svarc.pdf

Usón, N.; García, MJ.; Solans, C. (2004) Formation of water-in-oil (W/O) nano-emulsions in a water/mixed non-ionic surfactant/oil systems prepared by a low-energy emulsification method. Colloids and surfaces A: Physicochem Eng. Aspects. 250 (2004) 415 - 421

Valdés-Pinal, S. (2010) Emulsiones. UNAM. En linea: http://www.cneq.unam.mx/cursos_diplomados/cursos/anteriores/medio_superior/dgapa_tere/material/04_cosmeto/archivos/Emulsiones-ENP.pdf

  79  

Velazquez, M; Moreno, M; (2005) Coloides e interfases. Universidad de Salamanca. España.

Walstra,P. (1983)Formulation of Emulsions. Becher, P. Eds. Encyclopedia Of Emulsion Technology. Marcel Dekker, New York , Vol. 1

Wing, C.E.G. (2006) Las nanopartículas: pequeñas estructuras con gran potencial. El Inin hoy, Contacto Nuclear, 2006, Pag 24 -29

Wolf, K. (2010) Fitzpatrick: Dermatología en medicina general Tomo 4. Ed. Médica Panamericana. España.

 

                                                 

  80  

ANEXO 1 Interpretación de DLS.

 

Debido al movimiento browniano la concentración de gotas en algún punto

fluctúa con el tiempo, lo que provoca ruido en la intensidad de la luz dispersada.

La medición de las fluctuaciones de ese ruido son una medida de la velocidad de

desplazamiento (Fig. A.1) Las partículas grandes se mueven más lentamente, las

moléculas pequeñas se mueven más rápidamente lo que acelera la variación de la

intensidad de dispersión.

Mediante correlación (datos obtenidos gracias a una serie de correladores

presentes en el sistema de detección), el software del equipo de DLS compara la

intensidad de la luz dispersa en un momento determinado así como en un tiempo

después. Si ha cambiado poco, significa que hay un nivel alto de correlación. Así

mismo, el software realiza comparaciones en diversos lapsos de tiempo y se

obtiene la función de autocorrelación (Fig. A.2), que mediante ciertos cálculos

matemáticos permite determinar el coeficiente de difusión. (Crolly, FRITSCH)

Figura A.1 Medición de las fluctuaciones de intensidad de dispersión con el tiempo (Nobbmann)

  81  

Para la interpretación del correlograma hay que considerar lo siguiente: Al

tratarse de partículas pequeñas, el decaimiento exponencial sucede antes en el

tiempo que en las partículas grandes. El ángulo de decaimiento de la función

proporciona información acerca de la polidispersidad: a menor ángulo, menor

polidispersidad. El punto en que inicia el decaimiento da indicios del promedio del

diámetro de partícula (Ver Fig. A.3) La línea de base proporciona información

acerca de la presencia de partículas grandes o agregados, si ésta presenta picos

indica presencia de partículas grandes o agregados.

Figura A.2 Función de auto-correlación y correlograma (Nobbmann)

Figura A.3Interpretación del correlograma

  82  

El software del equipo de DLS arroja gráficas de distribución de tamaños, donde

puede interpretarse lo siguiente: al centro de la curva léase el tamaño promedio de

partícula, así mismo cuanto más ancha sea esta curva mayor es la

polidispersidad. (Fig A.4)

Dentro de los algoritmos y ecuaciones utilizados por el software del equipo de DLS

para el cálculo de tamaño de partícula se encuentran los siguientes:

Ecuación de Stokes- Einstein

Figura A.4 Gráfica de distribución de tamaño de partículas. La de la izquierda indica mayor polidispersidad, la de la derecha menor polidispersidad así como menor tamaño de partícula (Malvern)

  83  

𝐷 =𝐾 ∗ 𝑇

6 ∗ 𝜋 ∗ 𝜂 ∗ 𝑟  

Despejando 𝑟 (radio hidrodinámico)

𝑟 =𝐾 ∗ 𝑇

6 ∗ 𝜋 ∗ 𝜂 ∗ 𝐷  

Ecuación para calcular D

𝐷 =𝑏

−2 ∗ 𝑞!  

Donde:

el valor de 𝑏 es el correspondiente a la pendiente de la función de correlación normalizada y linearizada (ver Fig A.5):

𝑦 =  𝑒!!!"!!!!

𝐿𝑛  𝑦 = 𝑎 + 𝑏𝑥 + 𝑐𝑥!

El vector de dispersión q es calculado con la ecuación:

𝑞 =4 ∗ 𝜋 ∗ 𝜂 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝜃2)

𝜆  

Donde 𝜂 es el índice de refracción del medio, λ es la longitud de onda del

láser y θ es el ángulo de dispersión.

  84  

     

 

 

   

Figura A.5 Ubicación del valor de b en la función de correlación.(Malvern Instruments)