Los temas cubiertos
Fondo
¿Qué es potencial zeta?
¿Cómo se mide potencial zeta?
Potencial Zeta y electrolitos
La determinación de posibles iones
Potencial Zeta y floculación
El estudio de potencial zeta
Emulsiones grasas intravenosas
Formulación de Protocolo
Problemas de correlación de la estabilidad de emulsiones con potencial zeta
Fármaco que se dirige y sistemas de entrega
Sistemas no acuosos
Fondo
Aunque el tamaño de las partículas y su medición son intuitivamente familiar para los tecnólogos de las partículas, el concepto de potencial zeta es menos ampliamente entendida y aplicada. Esto es lamentable, ya que es al menos tan fundamental importancia como el tamaño de las partículas para determinar el comportamiento del material particulado, especialmente aquellos con tamaños en el rango coloidal por debajo de un micrómetro. El potencial zeta se relaciona con la carga en la superficie de la partícula, y por lo tanto influye en una amplia gama de propiedades de los materiales coloidales, tales como la estabilidad, la interacción con los electrolitos, y la reología de la suspensión.
¿Qué es potencial zeta?
Cuando una partícula se encuentra inmerso en un fluido, una serie de procesos hace que el interfaz se cargan eléctricamente. Algunos de los mecanismos más comunes incluyen la carga de adsorción de surfactantes con cargo a la superficie de la partícula (por ejemplo, en una emulsión estabilizada por un surfactante no iónico), la pérdida de los iones de la red cristalina sólida (partículas de haluro de plata utilizados en las emulsiones fotográficas) y la ionización de grupos de la superficie (carboxilato en microesferas de polímeros). Estos procesos conducen a la producción de una densidad superficial de carga, expresada en culombios por metro cuadrado, que es la medida fundamental de la carga en la interfase. La carga no se puede medir directamente, sino sólo a través del campo eléctrico se crea alrededor de la partícula. Así, la carga de la superficie se caracteriza normalmente en términos de una tensión en la superficie de la partícula, el potencial de superficie, en lugar de una densidad de carga, aunque por lo general se puede calcular a partir de la otra. El potencial zeta se produce a una distancia desde la superficie y esto será diferente con el potencial de la superficie. En la aproximación más simple, el potencial decrece exponencialmente con la distancia desde la superficie de la partícula (Fig. 1). Como veremos, la tasa de descomposición depende del contenido de electrolitos del líquido.
Figura 1. Aproximación de potencial zeta en función de la distancia de la superficie de las partículas.
¿Cómo se mide potencial zeta?
Hasta el momento, no hemos definido el potencial zeta, y para hacer esto tenemos que entender el método básico para su medición, que es la electroforesis. Para muchos, este método es conocido por su uso para la separación de macromoléculas, y la electroforesis de partículas es un fenómeno similar. Las partículas en el medio de suspensión se colocan en un campo eléctrico, si se le acusa, que irá a la deriva en el campo, las partículas positivas a la deriva hacia el electrodo negativo, y las partículas negativas a la deriva hacia el electrodo positivo. Sin embargo, las partículas no se desplazan por su cuenta, que llevan una fina capa de iones y el disolvente a su alrededor. La superficie que separa el medio estacionario de la partícula en movimiento y sus iones atado y solvente se llama la superficie de corte hidrodinámico y el potencial zeta es el potencial en esta superficie. Por lo tanto el potencial zeta se puede determinar midiendo la velocidad de desplazamiento de la partícula en un campo eléctrico de fuerza conocida. Los primeros instrumentos para este fin (el aparato de electroforesis Ranking micro) utilizó la observación manual de las partículas, un procedimiento que estaba llena de errores y también extremadamente lenta. Afortunadamente, ahora tenemos una serie de instrumentos que miden la velocidad utilizando el efecto Doppler de la luz dispersada por las partículas en movimiento - el Malvern Zetasizer serie. Técnicas avanzadas de recuperación de la señal de medir con fiabilidad el pequeño desplazamiento Doppler debido al movimiento de las partículas (sólo unas pocas decenas de Hz en 1015 Hz) y calcula automáticamente la distribución de los potenciales zeta en la muestra. Normalmente, este valor se encuentra dentro del rango de + / - 100 mV para la mayoría de los sistemas inmersos en un medio acuoso.
Figura 2. Zetasizer Malvern para la medición del potencial zeta.
Potencial Zeta y electrolitos
Uno de los principales usos de potencial zeta es el estudio de las interacciones coloide-electrolito. Como la mayoría de los coloides, en particular los estabilizados por tensioactivos iónicos, pagan, no es de extrañar que interactúan con los electrolitos de una manera compleja. Iones de carga opuesta a la de la superficie (contraiones) se sienten atraídos por ella, mientras que los iones de carga como (co-iones) son repelidas de la misma. En consecuencia, la concentración de iones cerca de la superficie no son los mismos que en la mayor parte de la solución (es decir, a gran distancia de la superficie) como se muestra en la Figura 3. La acumulación de contraiones cerca de la superficie hace que las cargas de partículas que se proyectarán, reduciendo así el potencial zeta. Los iones pueden ser convenientemente divididos en tres clases en función de la forma en que interactúan con la superficie:
Figura 3. Concentración de iones cerca de la superficie de una partícula en solución.
Iones indiferentes son los que sólo son atraídas a la superficie en virtud de su cargo de manera puramente electrostáticas, un proceso conocido como adsorción no específica. Si medimos el potencial zeta de un coloide en función de la concentración de este ion, nos encontramos con que el efecto de apantallamiento de los iones se reduce gradualmente el potencial zeta (no el potencial de la superficie), y esto asíntotas a cero en las concentraciones de electrolitos ( Figura 4a).
Figura 4. Potencial zeta en función de la concentración de electrolitos para un electrolito indiferente (a) y por un electrolito específicamente adsorbido (b).
Los iones adsorbidos específicamente interactúan químicamente con la superficie, por ejemplo, la formación de complejos con los grupos en la superficie. En consecuencia ya que su concentración se incrementa, también la pantalla del potencial zeta, pero el producto químico adicional (a diferencia de la electrostática) que se une en la superficie de causas suficientes adsorción de iones para la carga de la partícula original para ser neutralizado y luego dio marcha atrás a medida que aumenta la concentración de electrolitos ( Figura 4b). En un sistema así vemos a un punto de carga cero o PZC a una concentración de electrolitos bien definida, antes de la carga de reversión.
La determinación de posibles iones
Iones de potencial para determinar (PDI) son un caso especial de los iones adsorbidos específicamente, este término se suele reservar para los involucrados en cualquier proceso que es responsable de la carga de las partículas. Por ejemplo, la mayoría de microesferas de polímeros pagan porque tienen grupos carboxilato en la superficie, la ionización de estos grupos lleva a la carga, por lo que H + es un PDI en esta superficie. Del mismo modo Ag + y I-se PDI en las partículas de yoduro de plata. La distinción entre el concreto y el potencial de iones adsorbidos determinación es a menudo vaga, especialmente en aquellos sistemas en los que la química de la superficie no se entiende completamente.
Potencial Zeta y floculación
El área principal de aplicación de los coloides y electrolitos fenómenos es entender la estabilidad y los efectos de la floculación. El modelo más simple de estos fenómenos se deriva directamente de la figura 4, y es conocido como el DLVO (Deryaguin-Landau, Verwey-Overbeek) la teoría. Esto simplemente indica que la estabilidad del coloide es un equilibrio entre las fuerzas atractivas de Van der Waals y la repulsión eléctrica debido a la carga de la superficie. Si el potencial zeta es inferior a un cierto nivel, el coloide agregado debido a las fuerzas de atracción. Por el contrario, un alto potencial zeta mantiene un sistema estable. El punto en el que las fuerzas eléctricas y de Van der Waals con exactitud el balance puede ser identificado con una concentración de electrolito, conocido como la concentración de floculación crítica o CFC (Figura 5). Iones indiferentes hacer que el potencial zeta de disminución continua a altas concentraciones, por lo que vemos a una sola de CFC, y los agregados coloidales en todas las concentraciones de electrolitos superior. En contraste, los iones adsorbidos específicamente causa inversión de carga que puede ser suficiente para volver a estabilizar el coloide. En este caso vamos a ver un CFC superior e inferior, con una región de inestabilidad entre ellos.
Figura 5. El efecto de la concentración de electrolitos en la floculación.
El estudio de potencial zeta
La discusión anterior nos muestra que el potencial zeta medido en un sistema particular depende de la química de la superficie, y también la forma en que interactúa con su entorno. Este es un punto muy importante, el potencial zeta siempre debe ser estudiado en ambientes bien definidos (en concreto, el pH y fuerza iónica) o los datos no tiene valor. Es bastante de sentido hablar de "el potencial zeta de una superficie" a menos que las condiciones se especifican. A fin de ilustrar la planificación de un estudio de potencial zeta, es útil para un estudio de caso en un sistema particular. Hemos estudiado emulsiones de triglicéridos de grasa durante varios años, y estos estudios proporcionan una buena ilustración del poder de la medición del potencial zeta en la comprensión de la estabilidad coloidal en sistemas complejos.
Emulsiones grasas intravenosas
Emulsiones de triglicéridos son productos médicos, que son emulsiones sub micrones de aceites vegetales en el agua, emulsión de fosfolípidos, que proporcionan un alto potencial zeta, y una larga vida de anaquel correspondiente (2-3 años). Las emulsiones se utilizan para alimentar a los pacientes por vía intravenosa que no pueden ser alimentados por vía oral (por ejemplo, debido a una cirugía gastrointestinal). Estos pacientes también necesitan otros nutrientes, como aminoácidos, glucosa y electrolitos. Desde hace algún tiempo ha sido la práctica común de mezclar todos estos materiales, en proporciones variables, en una mezcla líquida única (a la nutrición parenteral total o mezcla de TPN) e infundir en un paciente, a un ritmo de alrededor de 3 litros al día . Naturalmente, en esa mezcla, hay un amplio margen para la interacción entre los componentes, y en muchas mezclas de la emulsión de grasa se vuelve inestable, y se une o flocula en pocos días. En esta condición no es apta para la infusión, por lo que las mezclas se hacen normalmente justo antes de la administración, utilizando técnicas estériles. La comprensión de la estabilidad de la emulsión de estos sistemas serían útiles en la predicción de que las mezclas sería inestable, e incluso es posible en la producción de mezclas estables de larga conservación.
Formulación de Protocolo
Los primeros estudios demostraron que la propia emulsión, a un pH de 7 y la concentración de electrolitos de baja, había un potencial zeta de -40 a-50mV, lo cual es suficiente para proporcionar una buena estabilidad y una vida útil de al menos 2 años. Este potencial se redujo notablemente en los electrolitos, con cationes monovalentes ser indiferente, mientras que los cationes divalentes adsorbidos específicamente con PZC de 3 mm y un importante grado de inversión de carga. Estos iones están presentes en las mezclas de nutrición parenteral total, lo que explica la inestabilidad de la emulsión en estos sistemas.
Problemas de correlación de la estabilidad de emulsiones con potencial zeta
Debe ser posible utilizar la teoría DLVO correlacionar la estabilidad de las emulsiones en una mezcla especial con su potencial zeta, por desgracia hay una serie de problemas relacionados con la mencionada medida. Las mezclas contienen una fracción de la fase de gran tamaño (1.5%) de la emulsión, y por lo tanto son muy turbias, y debe ser diluido antes de las mediciones de dispersión de luz se puede realizar. Los primeros trabajadores que no entendían la naturaleza del potencial zeta diluye simplemente la mezcla con agua destilada. La resultante potenciales zeta en nada se parecían a los de la emulsión de la mezcla original, ya que los iones dominantes se han reducido en la concentración de algunos órdenes de magnitud! Con el fin de obtener un relevante potencial zeta es necesario para mantener la composición de la fase continua en la dilución. Hay dos aproximaciones a este problema, si la composición de la fase continua es conocido, se puede preparar sin ningún componente de emulsión y se utiliza como diluyente. Una situación más común es que la composición de la fase continua es incierto, aunque se sabía lo que pasaba en ella, la adsorción en la fase dispersa puede haber agotado algunos de los componentes. En este caso, el truco usual es la dispersión centrífuga para obtener una muestra limpia de la fase continua para la dilución.
El segundo problema con esta medida es la fuerza iónica extremadamente alto (0,2 0,4), que conduce a una alta conductividad y calentamiento de la muestra por consiguiente, rápidos y grandes caídas de tensión de la célula. Los primeros dos Zetasizer no podía hacer frente muy bien con este problema, pero la corriente Zetasizer rango de voltaje de la celda tiene pulso que mantiene la corriente media hacia abajo, y la reingeniería de la célula de electroforesis se ha traducido en importantes mejoras en la estabilidad eléctrica. Ahora es posible utilizar este instrumento para medir sistemáticamente los potenciales zeta de esas mezclas de alta conductividad, y los valores resultantes (± 1-5mV) se correlacionan bien con la estabilidad de la emulsión en las mezclas. Los estudios de este tipo son ahora lo que nos permite entender el comportamiento de emulsiones en el complejo de los sistemas coloidales y ofrecer el verdadero poder de predicción para propósitos de formulación.
Fármaco que se dirige y sistemas de entrega
Emulsiones también han sido utilizados como sistemas de administración de fármacos, y en muchos casos, una comprensión de las propiedades electroforéticas es crucial en el diseño de la formulación. Aunque la mayoría de las drogas son solubles en agua, un número creciente surfaceactive o hidrofóbicos, incluso, y esos materiales pueden proporcionar importantes problemas para las técnicas de formulación convencional. Por lo tanto los candidatos hidrofóbicas de drogas suelen ser enviados de vuelta al departamento de química con una nota para preparar un análogo soluble en agua! En algunos casos esto no es posible, por ejemplo, algunos productos naturales o materias de biotecnología, o cuando el modo de acción está relacionado con la lipofilia, por ejemplo, anestésicos, hipnóticos, y los tranquilizantes. En estos casos, la entrega de emulsión se utiliza cada vez. Ejemplos de ello son Diprivan ICI, un anestésico intravenoso, y Diazemuls Kabi, un sedante.
Un ejemplo de los problemas que se pueden encontrar en este enfoque se muestra en la Figura 6, que es el potencial zeta - Curva de pH de una emulsión que contiene el fármaco que se flocula a pH 7. Los datos de este tipo permite una selección racional de pH de la formulación y emulsionante para maximizar el potencial zeta y por lo tanto estabilidad de la emulsión.
Figura 6. PH frente a los datos del potencial zeta que permite la optimización de la estabilidad de la emulsión.
Sistemas no acuosos
Otro ejemplo de la utilización del potencial zeta en la comprensión de la estabilidad de la suspensión se produce en las suspensiones de los medicamentos en propelentes de aerosoles utilizados para el suministro de fármacos por inhalación, por ejemplo, broncodilatadores. El fármaco micronizado está suspendido en el propulsor de aerosoles, de manera que cuando el aerosol se dispara, las partículas de la droga se rocían hacia fuera y puede ser inhalado. Es importante controlar el tamaño de las partículas mediante el control del potencial zeta, para garantizar una dosis repetible para el paciente. El problema en este caso es que es extremadamente difícil de medir el potencial zeta de las partículas suspendidas en medios no acuosos como propelentes de CFC, ya que la movilidad de partículas son muy pequeñas. Sin embargo, se puede hacer con el diseño adecuado de la célula de electroforesis, y Malvern Instruments hacer una célula para su Zetasizer . La figura 7 muestra el potencial zeta de la lactosa (un modelo de dispersión sólida) en cloroformo (un modelo de medio no acuoso) en función de la concentración de lecitina, un surfactante no iónico. La lecitina claramente las causas importantes cambios en el potencial, incluso en pequeñas concentraciones, la suspensión floculada en ausencia de lecitina, pero se dispersa en concentraciones por encima de lecitina de alrededor del 10%. Aunque nuestra comprensión de la electroforesis en sistemas no acuosos es aún primitiva, estos estudios permiten por lo menos una comprensión empírica de la estabilidad y el surfactante de adsorción en estos sistemas.
Figura 7. Demostración de cómo un surfactante no iónico puede afectar el potencial zeta.
Fuente: "Potencial Zeta en la formulación de productos farmacéuticos", la nota de aplicación de Malvern Instruments.
Para más información sobre esta fuente, por favor visite Malvern Instruments Ltd (Reino Unido) o Malvern Instruments (EE.UU.) .