Preparação de nanoemulsões por uma nova técnica

Neste artigo, Preparação de nanoemulsões por uma nova técnica, apresentamos um método inovador para preparar uma solução aquosa emulsionada, altamente clara e transparente, que contém gotículas de monômero imiscível com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros, sob condições livres de surfactantes. Para isso, utilizamos a emulsificação acústica Tandem, um processo de alta energia.

A nanotecnologia, por sua vez, é uma ciência que estuda a manipulação da matéria em escala atômica e molecular, lidando com estruturas que variam entre 1 e 1000 nanômetros. Além disso, essa tecnologia pode ser aplicada em diversas áreas, como medicina, eletrônica, ciência da computação, física, química, biologia e engenharia de materiais.

O princípio básico da nanotecnologia consiste na construção de estruturas e novos materiais a partir dos átomos. Embora ainda esteja em seus primeiros passos, a área já apresenta resultados surpreendentes, especialmente na produção de semicondutores, nanocompósitos, biomateriais, chips, entre outros (Wikipédia, 2020).

Além disso, a nanotecnologia tem sido estudada para o desenvolvimento de fármacos. Nesse contexto, a ultrassonografia tem se mostrado uma poderosa ferramenta em biologia, química molecular e bioquímica. Os homogeneizadores ultrassônicos, por exemplo, são utilizados para quebrar células e extrair proteínas e outros materiais intracelulares. Esses processos contribuem para a produção de vacinas, que podem ser formuladas em nanopartículas portadoras de drogas, resultando em novos medicamentos e vacinas para combater a COVID-19 (CCS/CAPES, 2020).

Por fim, uma pesquisa vem sendo realizada em parceria entre cinco instituições brasileiras (CNEN, UNIFESP, UERJ, UFRJ e UFMA). Essa pesquisa explora o potencial da nanotecnologia para criar compostos que executam tarefas específicas de forma eficaz e com menos efeitos colaterais no combate à COVID-19 (CCS/CAPES, 2020).

Para facilitar a leitura, iremos dividir em tópicos:

1. O que é emulsão e nanoemulsão?
2. Tecnologias para preparação de emulsões
3. Emulsificação acústica
4. Preparação de emulsões por ultrassonicadores
5. Metodologia
6. Resultados
7. Conclusão
8. Misturadores ultrassônicos

Vamos lá então!

1. O que é emulsão e nanoemulsão?

Emulsões são sistemas compostos por dois fluidos imiscíveis nos quais gotículas de um líquido são finamente dispersas em um segundo líquido. Tais sistemas de líquidos dispersos são encontrados em todos os lugares, naturais e artificiais. Por exemplo, produtos alimentícios como leite e maionese são emulsões e chantilly e sorvete são emulsões de espuma. Existem muitos outros produtos, como formulações cosméticas e farmacêuticas, pertencentes a essa ampla classe de materiais (NAKABAYASHI, 2011).

Entratanto, nanoemulsão trata de uma dispersão muito fina, que podem ser compostas por uma fase de óleo e uma fase aquosa deixando as gotículas em escala de tamanho nanométrica que podem ser formadas por dispositivos mecânicos ou por potencial químico dos componentes de alta energia, dentre eles podem ser utilizado homogeneizadores de alta pressão e geradores de ultrassom (ASSIS, 2012).

Normalmente, a emulsificação por ultrassom apresenta coloração branca, como na foto abaixo:

Os sistemas de emulsão também foram considerados como modelos para geração de pequenas partículas (incluindo geração de nanopartículas) e como meio de reação para síntese orgânica.

Os tipos de separação em emulsões utilizados no dia a dia estão no esquema abaixo:

 

2. Tecnologias para preparação de emulsões

Recentemente, pesquisadores desenvolveram diversas tecnologias para preparar emulsões claras e transparentes, micro e nanoemulsões, e emulsões livres de surfactantes. Entre esses métodos, destacam-se os processos de alta energia que utilizam dispositivos mecânicos, como homogeneizadores, microfluidizadores e ultrassonicadores. Esses dispositivos aplicam forças altamente disruptivas para fragmentar a fase dispersa em pequenas gotículas de nanoemulsões (ASWATHANARAYAN, 2019).

Nesse ínterim, uma técnica inovadora tem ganhado destaque: o processador ultrassônico desenvolvido para preparar uma solução aquosa emulsionada. Essa técnica produz amostras altamente claras e transparentes contendo gotículas de monômeros imiscíveis com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros, sem necessidade de surfactantes, utilizando emulsificação acústica em Tandem (NAKABAYASHI, 2011).

Desse modo, este artigo foca no método de alta energia para preparo de emulsões utilizando ultrassonicadores.

3. Emulsificação acústica

A emulsificação acústica utiliza forças mecânicas geradas pela irradiação ultrassônica para produzir emulsões estáveis sem necessidade de surfactantes. Isso ocorre devido à cavitação acústica que acontece nos limites entre as fases líquidas.

Além disso, a emulsificação acústica é considerada um método eficiente para a produção rápida de emulsões. As gotículas preparadas com dispositivos ultrassônicos convencionais, que operam em frequências entre 20 kHz e 1,0 MHz, apresentam diâmetros típicos entre 100 e 1000 nm.

Portanto, as emulsões produzidas frequentemente apresentam composições brancas e leitosas, resultado da dispersão da luz visível.

Assim, provou ser difícil preparar emulsões claras e transparentes por emulsificação acústica, embora a aparência clara e transparente de emulsões tenha se tornado uma característica importante em seus vários usos, como em cosméticos, produtos farmacêuticos, revestimentos e materiais de exibição.

Em estudos, verificaram que a ultrassonografia sequencial de 1 MHz poderia quebrar gotículas de óleo maiores geradas pela ultrassonografia da faixa de quilohertz para formar gotículas menores. No entanto, o tamanho médio das gotículas era de 100 nm e a emulsão ainda era uma composição branca leitosa mesmo após ultrassonografia de 1 MHz. O que poderia prejudicar ensaios futuros.

4. Preparação de emulsões por ultrassonicadores

Para resolver a emulsificação turva, utilizamos a emulsificação acústica em Tandem. Assim, obtivemos uma solução aquosa emulsionada altamente clara e transparente, com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros, por meio do processamento sequencial de ondas ultrassônicas a 20 kHz, 1,6 MHz e 2,4 MHz.

Essa nanoemulsão demonstrou alta estabilidade, mesmo sem a presença de surfactantes. Além disso, preparamos com sucesso películas de polímero transparente e altamente condutoras a partir dessa solução clara e transparente.

Nakabayashi e colaboradores (2011) testaram os compostos sem purificação adicional: o 3,4-etilenodioxitiofeno (EDOT), o perclorato de lítio (LiClO4) e água destilada e deionizada para realizar a emulsificação acústica e a eletropolimerização.

5. Metodologia

Neste artigo, baseamo-nos no estudo realizado por Nakabayashi e colaboradores (2011), que adicionaram um monômero imiscível (3,4-etilenodioxitiofeno, EDOT) a uma solução aquosa contendo LiClO4. Eles submeteram a mistura água/óleo a um tratamento ultrassônico de 20 kHz conectado a um oscilador de 20 kHz, seguido por outros tratamentos ultrassônicos.

Durante todo o processo, eles monitoraram a emulsificação com gravações fotográficas (Figura 1). Também determinaram a distribuição do tamanho das gotículas usando o método dinâmico de espalhamento de luz a 25 °C com um fotômetro de espalhamento de luz. Além disso, realizaram a polimerização eletroquímica e utilizaram microscopia eletrônica de varredura (MEV) e medição de condutividade elétrica para complementar a análise.

A Figura 1 (Nakabayashi, 2013) apresenta fotografias do tratamento de emulsificação acústica em Tandem de EDOT em solução aquosa de LiClO4. A mistura original de EDOT/solução aquosa aparece em (a). Em (b), o tratamento da emulsificação a 20 kHz não alterou a aparência da solução branca leitosa, mesmo com o aumento do tempo de sonicação. Em (c), o tratamento sequencial de 20 kHz para 1,6 MHz produziu uma solução emulsificada quase clara. Já em (d), o tratamento em três etapas (20 kHz → 1,6 MHz → 2,4 MHz) gerou uma solução perfeitamente clara e transparente. Em (e), a imagem mostra a dispersão da luz verde do laser (520 nm) na solução emulsionada preparada por sonicação nas três etapas.

Além disso, a solução manteve a aparência clara e transparente por 12 meses, mesmo em condições livres de surfactante.

6. Resultados

Durante os ensaios, verificou-se que a ultrassonografia direta com 1,6 MHz ou 2,4 MHz não emulsifica a mistura original da solução EDOT/solução aquosa, devido ao seu baixo efeito mecânico (menor intensidade de cavitação). Por isso, foi necessário aplicar o tratamento Tandem para preparar uma solução emulsificada clara e transparente.

Após a ultrassonografia de 20 kHz, a solução apresentou turbidez devido à presença de muitas gotículas maiores que 380 nm, que é o limite superior da região visível. Além disso, essas gotículas apresentaram instabilidade, fazendo com que o tamanho médio aumentasse rapidamente pela coalescência. O processamento sequencial com 2,4 MHz, realizado após os tratamentos de 20 kHz e 1,6 MHz, reduziu ainda mais o tamanho das gotículas, produzindo assim uma nanoemulsão transparente.

7. Conclusão

Concluímos que preparamos com sucesso soluções aquosas emulsionadas muito claras, transparentes e estáveis, contendo gotículas imiscíveis com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros sem o uso de surfactantes, utilizando a emulsificação acústica Tandem por misturadores ultrassônicos.

O método de emulsificação acústica Tandem pode formar não apenas outras emulsões óleo em água claras e transparentes, mas também emulsões água em óleo com as mesmas características.

Portanto, esse método pode ser aplicado na fabricação de diversos produtos, como cosméticos, produtos farmacêuticos, revestimentos e materiais para exibição.

8. Misturadores ultrassônicos

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 REFERENCIAS

ASSIS, L.M.; ZAVAREZE, E.R.; PRENTICE-HERNÁNDEZ, C.; SOUZA-SOARES, L.A.; Revisão: Características de nanopartículas e potenciais aplicações em alimentos. Braz. J. Food Technol, vol.15, n.2, pp.99-109, 2012. Fonte

ASWATHANARAYAN, J. B.; VITTAL, R. R. Nanoemulsions and Their Potential Applications in Food Industry. Frontiers in Sustainable Food Systems, 3, 2019. Fonte

NAKABAYASHI, K.; FUCHIGAMI, T.; ATOBE, M. Tandem acoustic emulsion, an effective tool for the electrosynthesis of highly transparent and conductive polymer films, Electrochim. Acta, 110, 593–598, 2013. Fonte

NAKABAYASHI, K.; AMEMIYA, F.; FUCHIGAMI, T.; MACHIDA, K.; TAKEDA, S., TAMAMITSU, K.; ATOBE, M. Highly clear and transparent nanoemulsion preparation under surfactant-free conditions using tandem acoustic emulsification. Chemical Communications, 47(20), 5765, 2011. Fonte

Wikipédia, Nanotecnologia . Fonte

CCS/CAPES, Nanotecnologia contra COVID-19, Brasília, 17 Abril 2020. Fonte