Preparação de nanoemulsões por uma nova técnica

Neste artigo, Preparação de nanoemulsões por uma nova técnica, iremos relatar uma técnica nova para a preparação de uma solução aquosa emulsionada altamente clara e transparente contendo gotículas de monômero imiscível com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros sob condições livres de surfactantes, utilizando acústica Tandem emulsificação sendo um método de alta energia.

A saber a nanotecnologia é uma ciência que se dedica ao estudo da manipulação da matéria numa escala atômica e molecular lidando com estruturas entre 1 e 1000 nanômetros. Todavia, pode ser utilizada em diferentes áreas como, a medicina, eletrônicos, ciência da computação, física, química, biologia e engenharia dos materiais.

O princípio básico da nanotecnologia é a construção de estruturas e novos materiais a partir dos átomos. É uma área promissora, mas que dá apenas seus primeiros passos, mostrando, contudo, resultados surpreendentes (na produção de semicondutores, nanocompósitos, biomateriais, chips, entre outros) (Wikipédia, 2020).

A nanotecnologia também tem sido estudo para o desenvolvimento de fármacos, pois a utilização ultrassônica é uma poderosa ferramenta usada em biologia, química molecular e bioquímica.  Os homogeneizadores ultrassônicos para quebra das células e extração de proteínas e outros materiais intracelulares são utilizados para produzir vacinas e formulá-las em nanopartículas portadores de drogas, que podem resultar em novos remédios e/ou vacinas para o combate à COVID-19 (CCS/CAPES, 2020).

Um estudo tem sido realizado em parceria de cinco instituições brasileiras (CNEN, UNIFESP, UERJ, UFRJ, UFMA), a pesquisa explora o potencial da nanotecnologia (manipulação de partículas que compõem a matéria) para a criação de compostos que executam tarefas bem específicas, efetiva e que causam menos efeitos colaterais para o 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, várias tecnologias que permitem a preparação de emulsões claras e transparentes, micro e nanoemulsões, e emulsões livres de surfactante tem sido desenvolvida. Entre elas, os métodos de alta energia que envolvem o uso de um dispositivo mecânico, como homogeneizadores, microfluidizadores e ultrassonicadores. Esses dispositivos são usados para aplicar força altamente disruptiva para interromper a fase dispersa em pequenas gotículas de nanoemulsões (ASWATHANARAYAN, 2019).

Nesse ínterim, uma nova técnica tem sido utilizado que seria com o processador ultrassônico que foi desenvolvido para a preparação de uma solução aquosa emulsionada, para se obter uma amostra altamente clara e transparente contendo gotículas de monômeros imiscíveis com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros sob condições livres de surfactante utilizando emulsificação acústica em Tandem (NAKABAYASHI, 2011).

Desse modo, neste artigo, iremos dar foco ao método de alta energia para preparo de emulsões por ultrassonicadores.

   3. Emulsificação acústica

A emulsificação acústica é a utilização de forças mecânicas por irradiação ultrassônica que fornece emulsões estáveis ​​sem a necessidade de surfactantes, devido a cavitação acústica nos limites da fase líquido / líquido.

Ademais a emulsificação acústica foi considerada um método poderoso para a produção rápida de emulsões. As gotículas de emulsão preparadas com dispositivos ultrassônicos de uso geral com frequências variando de 20 kHz a 1,0 MHz têm tipicamente entre 100 e 1000 nm de diâmetro.

Portanto, são composições mais comuns brancas e leitosas, devido à 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 se resolver a emulsificação que ainda ficou turva, foi utilizada a emulsificação acústica em Tandem, onde, assim, se obteve uma solução aquosa emulsionada altamente clara e transparente com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros usando processamento sequencial de 20 kHz – 1,6 MHz -2,4 MHz com ondas ultrassônicas.

A nanoemulsão preparada por esse método demonstrou ser altamente estável, mesmo na ausência de surfactantes. Além disso, as películas de polímero transparente altamente condutoras foram preparadas com sucesso a partir de uma solução emulsionada tão clara e transparente.

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

    5. Metodologia

Neste artigo, estamos nos baseando no estudo realizado pelo Nakabayashi e colaboradores (2011) onde adicionaram um monômero imiscível (3,4-etilenodioxitiofeno, EDOT) a uma solução aquosa contendo LiClO₄ em tratamento ultrassônico de 20 kHz para a mistura água/óleo conectada a um oscilador de 20 kHz e depois passando por outros tratamentos ultrassônicos. Todo esse processo foi monitorado com gravação fotográfica (Figura 1) e a distribuição do tamanho das gotículas foi determinada pelo método dinâmico de espalhamento de luz a 25°C com fotômetro de espalhamento de luz depois por polimerização eletroquímica e por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e condutividade elétrica.

A Figura 1 (Nakabayashi, 2013) mostra as fotografias do tratamento de emulsificação acústica em Tandem de EDOT em solução aquosa de LiClO₄, onde em (a) é a mistura original de EDOT/solução aquosa; em (b) mostra o tratamento da emulsificação por 20 kHz onde após o tratamento ultrassônico de 20 kHz, a aparência não foi alterada pelo alongamento do tempo de sonicação obtendo solução branca leitosa; em (c) foi realizado 20 kHz → 1,6 MHz onde produziu uma solução emulsificada quase clara e em (d) o tratamentos de 20 kHz, → 1,6 MHz → 2,4 MHz produziu uma solução perfeitamente clara e transparente com tratamento; e, em (e) a fotografia da dispersão por luz verde do laser (520 nm) na solução emulsionada preparada por sonicação em três etapas a 20 kHz → 1,6 MHz → 2,4 MHz.

Enfim a aparência clara e transparente foi mantida por 12 meses, mesmo sob condições livres de surfactante.

    6. Resultados

Em suma, durante os ensaios, verificou-se que a ultrassonografia direta com 1,6 MHz ou 2,4 MHz não pode emulsificar a mistura original da solução EDOT/solução aquosa, devido ao seu baixo efeito mecânico (menor intensidade de cavitação) e, portanto, foi necessário um tratamento Tandem para a preparação de uma solução emulsificada clara e transparente.

Após ultrassonografia de 20 kHz, a solução apresentava turva devido a uma grande quantidade de gotículas maiores que 380 nm, que é o limite superior da região visível. Além disso, essas gotículas eram relativamente instáveis ​​e, consequentemente, o tamanho médio aumentou rapidamente devido à sua coalescência. O processamento sequencial posterior com 2,4 MHz após tratamentos de 20 kHz e 1,6 MHz permitiu uma redução adicional no tamanho das gotículas apresentando então uma nanoemulsão transparente.

    7. Conclusão

Em conclusão, foram preparadas com sucesso soluções aquosas emulsionadas muito claras, transparentes e estáveis ​​com gotículas imiscíveis com diâmetros de algumas dezenas de nanômetros sem surfactantes usando emulsificação acústica tandem por misturadores ultrassônicos.

O método de emulsificação acústica Tandem é aplicável à formação não apenas de outras emulsões de óleo em água para obter soluções claras e transparentes, mas também para obter emulsões de água em óleo claras e transparentes.

Portanto, o presente método pode ser aplicado na fabricação de vários produtos, como cosméticos, produtos farmacêuticos, revestimentos e materiais de exibição.

    8. Misturadores ultrassônicos

A Biovera trabalha com processadores ultrassônicos da marca Sonics. Este equipamento também é conhecido como sonicador ou ultrassom de ponteira, onde atende volumes e potência variados. O Vibra-Cell™ é o processador ultrassônico mais avançado tecnologicamente disponível no mercado.

Promovendo as comunidades científicas e industrias com os processadores ultrassônicos mais inovadores e confiáveis do mercado, sua qualidade na fabricação dos equipamentos e acessórios é controlada através da fabricação própria e do rigoroso teste antes da liberação. Além disso, dispõe de modelos com monitoramento da temperatura da amostra.

Ademais, comparado com os concorrentes, a Sonics garante que a vibração na ponta da sonda não irá diminuir à medida que aumenta a resistência ao movimento da sonda.  E ainda, os protocolos críticos podem ser qualificados e reproduzidos da mesma maneira, sabendo-se que a amplitude fornecida para a amostra será sempre igual a indicada.

Todos os modelos de processadores ultrassônicos são compatíveis com atuação remota. E para maior confiabilidade, possuem sistema de sobrecarga que desliga o sonicador em caso de especificações fora da normalidade. Além disso são desenvolvidos para operações pesadas e são selados para protegê-los contra contaminações.

A Sonics é o único fabricante no mundo a conferir 3 anos de garantia contra defeitos de fabricação para seus sonicadores. Portanto, é a maior garantia a nível mundial!

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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