Cong nghe nano

NANO-EMULSION
(NANO NHŨ TƯƠNG)
Seminar
NANO HỮU CƠ
NỘI DUNG
A. TỔNG QUAN
1. Giới thiệu
2. Phân loại
3. Nhũ nano
B. PHƯƠNG PHÁP TẠO HỆ NHŨ TƯƠNG
1. Ultrasonic
2. Microfluidization
3. High-pressure homogenization
C. ỨNG DỤNG
I. HỆ NHŨ TƯƠNG VÀ NHŨ NANO
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Hệ nhũ tương
Hệ phân tán các chất lỏng không hòa tan vào nhau.
A. Two immiscible liquids, not yet emulsified.
B. An emulsion of Phase II dispersed in Phase I.
C. The unstable emulsion progressively separates.
D. The surfactant (purple outline around particles)
positions itself on the interfaces between Phase II and Phase I, stabilizing the emulsion
I: Pha liên tục
II: Pha phân tán
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
Oil in water emulsion under microscope
Citrus vinaigrette
 Hệ nhũ tương là một hệ không ổn định về mặt nhiệt động.
 Quá trình lắc (shaking),khuấy trộn (stirring),đồng hóa (hemogenizing) hoặc phun (spray) là cần thiết để tạo hệ nhũ tương.
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
http://sparror.cubecinema.com/cube/cola/chemistry/cola1.htm
 Có 3 dạng không bền (instability) của hệ nhũ tương sự tách pha
(Stable emulsion)
(sự keo tụ)
(Sự kết dính)
The failure of emulsions.
Source : Yukagaku, Abe, 41, p117(1992)
Transparency
Stable
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
Particle sizes and optical properties
The Tyndall effect is light scattering by particles in a colloid or particles, in that the
intensity of the scattered light depends on the fourth power of the frequency,
so blue light is scattered more strongly than red light
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
 Sử dụng DLS (dynamic light scattering) đo kích thước phần tử phân tán (droplet sizes) trong hệ nhũ tương độ bền của hệ.
Kích thước pha phân tán càng lớn + chuyển động Brown dễ dẫn đến sự kết dính hay keo tụ  Hệ không bền
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
 Tạo độ bền cho hệ nhũ tương: sử dụng chất ổn định (stabilizer)
Chất nhũ hóa (emulsifiers)
Chất bổ trợ bề mặt (texture modifiers)
Stabilizers
:các chất hoạt động bề mặt
+ Nồng độ thấp, bao quanh bề mặt phân chia pha.
+ làm giảm sức căng bề mặt hệ dễ hình thành droplet.
+ Tạo độ nhớt (thickening agent) hoặc hình thành gel (geling agent) của pha liên tục.
 Làm chậm quá trình chuyển động Brownian của các phần tử (droplets) của pha phân tán.
Dẫn xuất từ thực vật: agar, pectin, lecithin, carrageenan…
Dẫn xuất từ động vật: gelatin, lanolin, cholesterol
Chất bán tổng hợp: methycellulose,
carboxymethylcellulose
Chất tổng hợp: carbopols
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
Ngoài ra, còn có 2 dạng tạo độ bền ở hệ nhũ tương:
+ Cân bằng tĩnh điện (Electrostatic):phụ thuộc vào nhóm phân cực + pH pha liên tục
Các nhóm phân cực đẩy nhau, giảm sự kết dính hoặc keo tụ
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.1. Tổng quan
Tính chất và độ bền của hệ nhũ tương
Ngoài ra, còn có 2 dạng tạo độ bền ở hệ nhũ tương:
+ Sử dụng polymer (polymeric stabilisation), vd: protein hay gum Arabic
Adsorption of polymers at the O/W surface
=> Giảm sự kết dính hay kết tụ.
Một số polymer có thể hòa tan vào nước làm tăng độ nhớt
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.2. Chất nhũ hóa (emulsifier)
 Là một dạng của chất hoạt động bề mặt (surfactant), được sử dụng trong hệ nhũ tương nhằm giúp cho hệ phân tán tốt.

Left:olive oil + water
Right: oil+water+surfactant
Submerged paper clip afer addition of surfactant
Clip paper floating in oil-in-water emulsion due to interfacial tension
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.2. Chất nhũ hóa (emulsifier)
Chất hoạt động bề mặt
 Cấu trúc: thường thuộc dạng amphiphilic
Tính chất:
+ Bền về mặt hóa học trong hệ
+ Trơ và không phản ứng với các chất trong hệ nhũ tương.
+ Không độc hại, không mùi và không đắt.
 Sự chọn lựa chất hoạt động bề mặt:
+ Hydrophilic surfactant  O/W emulsion
+ Lipophilic surfactant  W/O emulsion
W/O
O/W
+ Khả năng tương thích (Compatibility)
+ Tạo sự ổn định của hệ nhũ tương ở nồng độ thấp
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.2. Chất nhũ hóa (emulsifier)
 Micelles tạo thành khi các chất hoạt động bề mặt đạt đến nồng độ CMC.
 Tùy pha phân tán là nước hay dầu mà các chất HĐBM sẽ đưa đầu ưa
dầu hay ưa nước vào trong lõi của micelles. Bên trong lõi của micelles
là những vi hạt, micelles nhằm giúp phân tán các vi hạt này vào
trong pha liên tục tốt hơn.
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
Micelles
là dạng của hệ nhũ tương khi cho chất HĐBM vào.
Reversve Micelles
Sự kết tụ micelle
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
I.1.3. Hydrophilic – Lipophilic balance (HLB)
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
 Griffin`s method: tính cho chất HĐBM nonionic (1954)
HLB = 20 * Mh / M
+ Mh: phân tử khối của đầu phân cực
+ M: phân tử khối của phân tử chất HĐBM
HLB có giá trị trong khoảng 0 – 20
+ High HLB => sử dụng chất HĐBM hòa tan (phân tán) tốt trong H2O O/W emulsion.
+ Low HLB => sử dụng chất HĐBM hòa tan (phân tán) tốt trong dầu  W/O emulsion
 Giá trị HLB áp dụng cho chất HĐBM không ion. Sự kết hợp nhiều chất HĐBM sẽ tạo hệ nhũ tương bền hơn là việc sử dụng 1 chất HĐBM có cùng HLB.
Bancroft’s rule
Chất HĐBM hay chất nhũ hóa có xu hướng giúp tạo pha phân tán là pha mà nó không hòa tan tốt.
VD: + Cho thành phần 2 pha gồm: 60% dầu + 40% nước. Nếu chọn chất nhũ hóa hòa tan tốt trong nước => pha phân tán là dầu  tạo hệ nhũ “Oil in water”.
+ Protein hòa tan tốt trong nước hơn trong dầu => tạo hệ nhũ “oil in water”
I.1.3. Hydrophilic – Lipophilic balance (HLB)
I.1. Hệ nhũ tương (emulsion)
Vậy, sự hình thành hệ nhũ tương dạng O/W hay O/W không chỉ phụ thuộc thành phần thể tích của pha phân tán và pha liên tục mà còn phụ thuộc vào chất HĐBM.
I.2. Phân loại
I. HỆ NHŨ TƯƠNG VÀ NHŨ NANO
Hệ nhũ tương
Thành phần hệ nhũ
Kích thước pha phân tán
Oil-in-water
Emulsion
Water-in-oil
Emulsion
Multiple
Emulsion
Pickering
Emulsion
Macroemulsion
Nanoemulsion
Microemulsion
I.2. Phân loại
Giới thiệu
I.2. Phân loại
Đánh giá hệ nhũ tương
Electrical conductivity:
Electrical conductivity of O/W
emulsions is higher than
that of W/O emulsions.
Dilution method:
evaluated from the dispersion
ease at dilution with water.
Dye method:
Evaluated the emulsion type
by dissolving water-soluble
and oil-soluble dyes in the emulsion
I.2. Phân loại
Multiple Emulsion
I.2. Phân loại
Multiple Emulsion
I.2. Phân loại
Pickering Emulsion
Hệ nhũ tương được ổn định bởi các hạt rắn.
 Hạt rắn thường là silica, oxit kim loại, hay hạt đất sét (clay)
I.3. Nhũ Nano (nanoemulsion – miniemulsion – finely dispersed emulsion
sub-micronemulsion (SME)- utrafine emulsion)
I. HỆ NHŨ TƯƠNG VÀ NHŨ NANO
Hệ nhũ nano: kích thước phần tử phân tán (droplet) từ 100-400nm (20 – 500nm), có màu hơi xanh nhạt.
Tính chất hệ nhũ nano phụ thuộc vào thành phân pha, điều kiện cân bằng nhiệt động pha và phương pháp tạo hệ nhũ.
Phương pháp tạo hệ nhũ nano: sử dụng phương pháp đồng hóa dưới áp suất cao.
Độ bền: thêm chất HĐBM, nồng độ khoảng 1-3%.


Ouzo effect
Pha phân tán tự nó có vai trò là chất HĐBM, phân tán dưới kích thước nano trong pha liên tục tạo hệ nhũ nano.
Xảy ra do nước tương tác với một loại ancol mạnh làm từ cây hồi, như ouzo, pastis, arak hay raki
I.2. Phân loại
The ouzo effect
after the dilution
of Turkish raki
Ouzo effect
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
1. ULTRASONICATION
1.1. Tác động của sóng siêu âm trong dung dịch lỏng
Sóng siêu âm là sóng dọc, có chiều dài sóng khoảng 10 -10-3cm  không đủ năng lượng để tương tác vào liên kết hóa học

Khi chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sinh ra năng lượng lớn do hiện tượng vật lý cavitation (hiện tượng khí thực):
Hot
spot
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
Hot-spot
Sự tăng dần kích thước dẫn đến sự bỡ bọt trong lòng chất lỏng dưới tác dụng của ultrasonic
1. ULTRASONICATION
Hot-spot có to ~ 5000oC, p ~1000atm, thời gian sống ngắn hơn 1microsecond, tốc độ gia nhiệt-làm lạnh >10tỉ oC/giây (do trong môi trường xung quanh là lỏng lạnh nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt, nên nó tồn tại trong thời gian ngắn.)
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
1.2. Nhũ tương hóa bằng sóng siêu âm
1. ULTRASONICATION
Một dạng máy tạo ultrasonic
Cavitation là hiện tượng chủ đạo trong quá trình tạo nano nhũ tương bằng ultrasonic nhờ vào hot-spot. Sự phá vỡ các bọt tạo ra những sóng cực mạnh lan tỏa trong dung dịch  phá vỡ các phân tán lỏng thành các vi hạt hình thành nên hệ nhũ tương.
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
1. ULTRASONICATION
1.2. Nhũ tương hóa bằng sóng siêu âm
Cơ chế hình thành hệ nhũ tương bằng siêu âm gồm hai bước:

Bước đầu tiên: sóng siêu âm tác động của vào bề mặt phân chia pha giữa pha liên tục và pha phân tán, giúp phân tán các giọt vào pha liên tục.

Bước thứ hai: dước tác động của hiện tượng cavitation tạo nên các hiệu ứng mạnh mẽ của sóng làm phá vỡ các giọt phân tán lỏng thành những vi giọt có kích thước rất nhỏ. Hình thành nên hệ nano nhũ tương
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
1. ULTRASONICATION
1.2. Nhũ tương hóa bằng sóng siêu âm
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
2. MICROFLUIDIZATION
Từ hơn hai thập kỉ qua, các nhà nghiên cứu và sản xuất dược phẩm đã sử dụng hệ thống xử lý cao Microfluidizer® để tạo các dung dịch phân tán đồng nhất với kích thước hạt phân tán cỡ nano.

Ban đầu, hai dung dịch (thường là pha nước và pha dầu – một là pha phân tán và một là pha liên tục) có thể được trộn với nhau và được xử lý để tạo ra dung dịch nhũ tương thô (tức kích thước các hạt phân tán lớn). Sau đó nhũ tương thô sẽ được đưa vào hệ thống xử lý cao Microfluidizer để tiếp tục xử lý nhằm thu được hệ nano-nhũ tương đồng nhất và ổn định
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
2. MICROFLUIDIZATION
Quá trình xử lý trong Microfluidizer được mô tả theo sơ đồ sau:
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
2. MICROFLUIDIZATION
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
3. ĐỒNG HÓA ÁP SUẤT CAO
Đồng hóa áp suất cao thực hiện bằng cách cho dòng phân tán đi qua một kênh hoặc lỗ rất hẹp dưới tác động của áp suất rất cao nhằm phá vỡ các hạt có kích thước lớn thành vi hạt.

Hệ thống đồng hóa áp cao gồm ba khu vực chính:
Bơm áp suất cao
Khoang đồng hóa
Khoang trao đổi nhiệt
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
3. ĐỒNG HÓA ÁP SUẤT CAO
Cấu tạo chính của khoang đồng hóa:
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
3. ĐỒNG HÓA ÁP SUẤT CAO
Cấu tạo chính của khoang đồng hóa:
(a) Van (valve)
(b) Vòng đệm (impact ring)
(c) Mặt đệm cố định (seat)
Mặt đệm vát cạnh
Mặt đệm cong
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
3. ĐỒNG HÓA ÁP SUẤT CAO
Đồng hóa áp suất cao được thực hiện theo các bước như sau:
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
3. ĐỒNG HÓA ÁP SUẤT CAO
Như vậy, để đạt được hiệu quả đồng hóa cao, ta thường xem xét các số liệu sau:
Áp suất
Nhiệt độ
Thiết kế của mặt đệm (seat) và vòng đệm
Lưu lượng
Số cycle.

Các máy đồng hóa áp cao có thể đạt dung lượng từ 55 – 4.500 lít tùy theo qui mô.
Bơm cao áp dùng một piston chạy bằng môtơ trong một hình trụ bằng thép có thể nâng áp lên đến 40.000 psi.
Quá trình này sinh ra lượng nhiệt đáng kể nên các piston và xi-lanh phải được làm mát bằng nước.
B. PHƯƠ NG PHÁP TẠO HỆ NANO -NHŨ TƯƠNG
3. ĐỒNG HÓA ÁP SUẤT CAO
C. Ứng dụng của hệ nano nhũ tương
Mỹ phẩm
Y học
Thực phẩm
Mỹ phẩm
Mỹ phẩm-COENZYME Q10
Phân bố nhiều trong cơ thể người và có trong tự nhiên
Là yếu tố kết hợp (cofactor) của ít nhất 3 enzyme tại ti thể của mỗi tế bào để tạo ra ATP (adenosin triphosphat) cho năng lượng
Là chất chống oxy hóa
CÔNG NGHỆ “NẨY MẦM” CHO LÀN DA
Y học
MicroFluidics Technology Fair
Y học
Y học
Sự thay đổi của nấm Bacillus trong hệ nano nhũ tương
Prepared by Holly R-Fischer, MFA,
For NanoBio: 01/13/2009
Anti-oxidant synergy formation (ASF) studies (in vivo)
Nude Mice
since they lack a fully-functional immune system
Injection of Cancer Cells
by subcutaneous injection of Mouse or Human Cancer cells (300,000 cells /ml)
Injection of ASF solution
once tumors were detected
Measure the tumor diameter
quantified daily in accordance with the longest diameter
The neuroblastoma in the nude mice
ASF
Nano-emulsion
Control
(no treatment)
Tumor
No Tumor
Subcut inj Subcut inj Transdermal
- 65% - 63%
- 4%
Subcut Injection vs Topical Delivery of ASF containing-
nanoemulsions on neuroblastoma–induced tumor growth rate
Thực phẩm
Nanoemulsions are stable dispersions which do not agglomerate and which demonstrate antimicrobial activity
Microemulsion versus Nanoemulsion of Soy Protein
Homogenized
Nanoemulsified
Gram + Staph Aureus Bacteria
Staph Aureus Control Staph aureus streaked
empty nanoemulsion

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN
CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ THEO DÕI