Introdução às Emulsões Múltiplas

Preparo de Emulsões Múltiplas
Efeitos dos Agentes Emulsificantes
Efeito do Volume de Fase
Efeito de Cisalhamento
Efeitos dos Emulsificantes Sobre o Tamanho das Gotículas
Estabilidade 
Aplicação das Emulsões Múltiplas 

 

Um sistema de emulsão múltipla é aquele no qual existem simultaneamente as emulsões óleo-em- água (O/A) e água-em-óleo (A/O). Isto é, uma gotícula de óleo pode conter uma ou mais gotículas de água e, por sua vez, estar em suspensão numa fase aquosa; neste caso, o sistema é uma emulsão água-em-óleo-em água (A/O/A). A figura 1 representa esquematicamente uma dessas emulsões. É claro que também é possível inverter o sistema, que passaria a ser uma emulsão óleo em-água-em-óleo (O/A/O). 

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As emulsões múltiplas são conhecidas há cerca de 100 anos, embora tenham sido consideradas como curiosidades de laboratório por longo tempo. Boys observou que misturas de vaselina, água e o-toluidina produziam emulsões múltiplas, mas coube a Siefritz publicar as primeiras fotomicrografias e descobrir que emulsões que haviam sido invertidas do estado A/O para o estado O/A frequentemente continham gotículas de emulsão múltipla^(1-2). Becher também relatou a formação de emulsão múltipla durante a inversão de uma emulsão preparada a partir de palmitato de sorbitano, tensoativo com valor de HLB intermediário^(6.7) que não favorece especialmente a formação de sistemas A/O nem O/A). Sherman descreveu gotículas de emulsão múltipla em sistemas O/A estabilizados com concentrações crescentes de monoleato de sorbitano inicialmente disperso na fase aquosa.⁽⁴⁾ Estudando o efeito da localização inicial da fase emulsificante na viscosidade e no tipo de emulsão produzida, Lin descreveu a formação de emulsão múltipla durante a inversão de fase^(5,7).

O valor de HLB de um agente emulsificante pode influenciar a formação de emulsões múltiplas. Parke observou que tais emulsões se formam quando estão presentes dois agentes emulsificantes de tipos opostos (por exemplo, os dois sendo equitativamente hidrofílico um e, hidrofóbico o outro)⁽¹⁰⁾. Ele preparou tais sistemas usando oleatos de sódio e de magnésio com água e benzeno. 

Estes sistemas não deixaram de ser encarados como curiosidades de laboratório antes de 1965, quando Herbert iniciou os primeiros estudos sérios sobre a formação intencional de emulsões múltiplas e o desenvolvimento de utilizações para sistemas desse tipo^(8.9). Herbert, endocrinologista da University of Edinburg Medical School, vinha empregando sistemas AO como veículos para a inoculação de antígenos do vírus da influenza. Os antígenos eram incorporados à fase aquosa da emulsão e, após a injeção, as gotículas de A/O atuavam como depósitos para liberação lenta de antígeno.

Herbert encontrou sérias desvantagens neste sistema. As emulsões A/O formadas eram demasiadamente viscosas, e para sua aplicação faziam-se necessárias agulhas de calibre muito grosso o que era muito doloroso e aflitivo para aqueles que recebiam as injeções, além de formar depósitos grandes e disformes sob a pele. Para fluidificar as preparações, Herbert adicionou sua emulsão A/O original a uma solução aquosa de polysorbate 20^a; nascia assim, a primeira emulsão A/O/A intencionalmente preparada. Este primeiro sistema usado por Herbert está documentado na fórmula 1 e sua formação está esquematizada na figura 2. 

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Preparo de Emulsões Múltiplas

Ao lermos os trabalhos publicados pelos investiga dores mencionados acima, podemos achar que as emulsões múltiplas se formam durante o preparo de emulsões O/A ou A/O, sob condições que não favorecem partícularmente nenhum destes dois tipos de emulsão; isto é quando os volumes da fase aquosa e da fase oleosa são muito próximos e os agentes emulsificantes não são especialmente hidrofílicos ou lipofílicos. Entretanto, os sistemas assim formados apresentam estabilidade precária, o produto em termos de gotículas de emulsão múltipla é muito baixo e a reprodutibilidade deixa a desejar. 

Os trabalhos de Herbert chamaram muita atenção para estes sistemas, mas logo se tornou óbvio que, para o sucesso comercial das emulsões A/O/A (ou O/A/O), seriam necessários muitos estudos sistemáticos determinando materiais e métodos: 

- Tipo de agente emulsificante a ser utilizado.

- Efeitos dos volumes das fases sobre a formação e a estabilidade dos sistemas.

- Efeitos das proporções de emulsificantes na fase 1 (primeira etapa, emulsão A/O) e na fase 2 (segunda etapa, fase aquosa contendo o emulsificante hidrofílico). 

- Efeitos do procedimento na formação e na estabilidade dos sistemas.

- Métodos para a determinação da estabilidade das múltiplas gotículas. 

Na maioria dos trabalhos publicados até o presente momento, os investigadores têm utilizado o procedimento de duas etapas descrito por Herbert. Whitehill, em tese de PhD sobre emulsões múltiplas A/O/A, descreveu que estas emulsões seriam dotadas de algum grau de estabilidade quando preparadas com pares de tensoativos - um emulsificante lipofílico para estabilizar a emulsão A/O (fase 1 ou A/O) e outro hidrofílico capaz de estabilizar a emulsão O/A (fase 2 ou A/O/A).

A emulsão múltipla pode ser considerada como sendo composta de duas outras emulsões primárias. Whitehill observou que no mínimo dois, e comumente três tensoativos devem ser utilizados, uma vez que cada um dos sistemas, tanto o A/O como o O/A, devem ser estabilizados. A emulsão A/O pode ser preparada com equipamento convencional; quando finalizada, poderá ser tomada como fase ‘oleosa' para preparo da porção O/A da emulsão múltipla. Whitehill verificou ser esta segunda emulsificação a etapa crítica do processo, pois, excessivamente misturada, poderá haver fratura das múltiplas gotículas formadas, com perda de suas partículas internas de água e consequente formação de uma emulsão O/A simples. Equipamentos de alto poder de cisalhamento e de ultrassom geralmente são inadequados. 

Uma nota adicional relativa à nomenclatura: Se as duas fases aquosas forem idênticas, o sistemas poderá ser denominado simplesmente como emulsão A/O/A. Se forem diferentes, entretanto, uma terminologia mais adequada poderá ser A₁/O/A₂, onde A₁ representa a fase aquosa da emulsão primária A/O e A₂ a fase aquosa externa da emulsão total. 

 

Efeitos dos Agentes Emulsificantes

Matsumoto e seus colaboradores, empregando óleo mineral como fase oleosa, verificaram que, para que a segunda emulsificação atinja um bom produto de emulsão A/O/A, os agentes emulsificantes não-iônicos são preferíveis a todos os outros iônicos⁽¹²⁾. Estes pesquisadores salientaram a dificuldade que se tem na determinação microscópica do produto de partículas múltiplas e usaram glicose como marcador na emulsão primária. Assim, se houver ruptura de qualquer uma das partículas internas, a glicose deverá escapar para a fase aquosa externa e poderá ser detectada quimicamente após separação por técnicas de diálise. 

Usando 0.5% de polysorbate 20 como emulsificante hidrofílico na fase aquosa externa, Matsumoto verificou ser maior o produto de partículas múltiplas obtidas quando a concentração de oleato de sorbitano for maior ou igual a 30% (Figura 3); nesses experimentos, O_A/O = 0,64. A figura 4 mostra o produto de gotículas de emulsão múltipla obtida em função da concentração de polysorbate 20 na fase aquosa externa, mantendo-se o nível de oleato de sorbitano a 30% na fase oleosa.

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A partir destes resultados, vê-se claramente que o produto de partículas de emulsão múltipla de cresce acentuadamente conforme se aumenta a concentração de polysorbate 20 na fase externa. 

Matsumoto referiu que os mesmos resultados foram obtidos com vários outros agentes emulsificantes com as mesmas qualidades hidrofílicas do polysorbate 20. Provavelmente, as altas concentrações de polysorbate 20, ou de qualquer outro emulsificante hidrofílico, solubilizam parte do tensoativo que protege as partículas da emulsão A/O, provocando o desequilíbrio do sistema. 

Matsumoto concluiu que o produto de uma emulsão A/O/A é influenciado pela concentração do agente emulsificante não iônico usado em ambas as etapas de emulsificação. 

O efeito de concentrações crescentes de emulsificante hidrofílico usado na fase externa sobre o decréscimo do produto de gotículas de emulsão múltipla também foi elucidado no British Patent, editado por Lion Co⁽¹³⁾, Neste caso, com ilustra a figura 5, éster de ácido graxo/sacarose foi usado como emulsificante hidrofílico.

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Magdassi e seus colaboradores⁽¹⁴⁾ utilizaram misturas de laurato de sorbitano e polysorbate 80 para obtenção de misturas emulsificantes para a fase 2 com valores de HLB variando entre 9 e 15. Geralmente, conforme o valor de HLB de uma mistura aumenta para uma determinada concentração de agente emulsificante, a quantidade de partículas de emulsão múltipla diminui (Figura 6).

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Os investigadores da Lion Co.⁽¹³⁾ estudaram o efeito sobre as gotículas de emulsão múltipla exercido pela proporção entre o oleato de sorbitano (usado como emulsificante lipofílico para formação da fase 1) e o éster de ácido graxo/sacarose (o emulsificante hidrofílico para formação da fase 2). Conforme se vê na figura 7. a quantidade da emulsão múltipla formada é razoavelmente constante até a proporção de aproximadamente 1, mas quando a quantidade de emulsificante hidrofílico aumenta e a proporção cai abaixo de 1, a porcentagem de gotículas de emulsão múltipla formadas se reduz drasticamente. 

 

Efeito do Volume de Fase 

Os trabalhos de Davis e Walker mostraram que os volumes de fases das emulsões primária e secundária, assim como o tipo de óleo usado, exercem notável efeito sobre a quantidade de gotículas de emulsão múltipla formadas⁽¹⁵⁾. Como se vê na figura 8, na medida que aumentava o volume da fase primária, isto é, conforme o conteúdo de água da emulsão primária era aumentado, o produto de gotículas de emulsão múltipla diminuía quando da posterior emulsificação desta emulsão A/O. Os melhores produtos foram obtidos com óleo mineral e squalane quando o volume de água da emulsão inicial foi mantido em 20% ou menos.

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Os dados apresentados na figura 9 demonstram que o produto de gotículas de emulsão múltipla cresce quando o volume de fase da emulsão O/A na emulsão final A/O/A cresce a 30% ou mais, os melhores resultados foram novamente obtidos com óleo mineral.

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Os dados revelados por Lion Co.⁽¹³⁾ são até certo ponto corroborativos desses resultados, como mostra a figura 10. Estes pesquisadores obtiveram produtos progressivamente melhores com o aumento do volume da fase dispersa A/O até níveis próximos de 50%. Isto não é de fato surpreendente e simplesmente sugere que cada sistema deve ser profundamente investigado para determinação dos parâmetros que renderão melhores resultados. (Eu diria até que isto não é exatamente novidade para os químicos cosméticos que formulam emulsões).

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Efeito de Cisalhamento 

Os trabalhos publicados por Lion Co, também ensinam que as emulsões múltiplas, sendo sistemas presumivelmente frágeis, devem ser tratadas com ‘luvas de pelica’ no que concerne ao tipo de equipamento usado para misturá-las. A curva apresentada na figura 11 mostra que bastaram apenas quinze minutos de mistura em aparelho de alto poder de cisalhamento, para que as gotículas da emulsão múltipla fossem quase que inteiramente rompidas e que a emulsão A/O/A se transformou numa simples emulsão O/A, fenômeno este confirmado em estudos mais abrangentes por Magdassi e colaboradores, como ilustra a figura 12.

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Estes pesquisadores usaram 1% de uma mistura de laurato de sorbitano e polysorbate 80 com diversos valores de HLB como emulsificante de fase 2 para formar emulsões A/O/A. Sem nenhuma homogeneização e usando emulsificantes de fase 2, cujos valores de HLB variavam entre 9 e 13, o produto de gotículas múltiplas foi alto, mas começou a cair quando os valores de HLB foram aumentados. Contudo, como indicam os valores da figura 12, o produto de gotículas múltiplas cai rapidamente quando se aumenta o tempo de homogeneização. É evidente que o alto cisalhamento rompe uma grande porcentagem de gotículas múltiplas, convertendo-as numa simples emulsão O/A; é interessante notar, entretanto, que nos sistemas de Magdassi, o emulsificante de fase 2 com valor de HLB ao redor de 13,5 resultou em produtos de gotículas múltiplas mais altas quando o cisalhamento foi aplicado. 

 

Efeitos dos Emulsificantes Sobre o Tamanho das Gotículas

Florence e Whitehill relataram que o tamanho das gotículas de emulsão múltipla depende do emulsificante de fase 2 utilizado⁽¹⁶⁾. Estes investigadores prepararam uma emulsão A/O primária de água em miristato de isopropila utilizando oleato de sorbitano como emulsificante lipofílico primário. Foram preparadas, então, três emulsões A/O/A utilizando como emulsificantes de fase 2 hidrofílicos e laureth-4, o POE (16,5) octyl phenol e uma mistura 3:1 de oleato de sorbitano: polysorbate 80. O sistema no qual se utilizou o laureth-4 produziu gotículas múltiplas relativamente pequenas, com diâmetro médio de 8,5 μm, e com poucas gotículas internas de água, geralmente apenas uma. A emulsão preparada com POE (16,5) octyl phenol continha gotículas múltiplas maiores, com diâmetro médio de 19 μm, a maioria delas contendo mais de cinco gotículas internas de água. Verificou-se ser bastante complexa a emulsão obtida com o emulsificante de fase 2 oleato de sorbitano: polysorbate 80. Foram encontradas numerosas gotículas internas retardando a liberação de material aprisionado, o que nos dá a impressão de que este tipo de emulsão é mais promissor para a liberação de drogas. A figura 13 ilustra a distribuição do tamanho de gotículas múltiplas obtidas por estes três sistemas. 

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Estabilidade 

Os métodos desenvolvidos para estudo da estabilidade incluem a microscopia óptica⁽¹⁶⁾, cinematografia de intervalo de tempo⁽¹⁶⁾, microscopia eletrônica de gravação após congelamento⁽¹⁹⁾, contador Coulter⁽²⁰⁾, alterações de viscosidade⁽²¹⁾, e dispersão de marcadores internos tais como glicose⁽¹²⁾, cloreto de sódio e outros condutores iônicos⁽²²⁾, e corantes fluorescentes⁽¹⁵⁾. 

Muitas das informações publicadas apenas indicam que são necessários mais trabalhos para que se obtenham emulsões múltiplas com cápsula de duração prolongada. Os dados apresentados nas figuras 14 e 15, representativos dos trabalhos de Florence e Whitehille de Magdassi e colaboradores, mostram um grande desaparecimento das gotículas múltiplas após as primeiras semanas, aparentemente 10-20% do número total de gotículas presentes na emulsão.

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Por outro lado, Matsumoto e colaboradores⁽²³⁾, estudando emulsões múltiplas com possíveis aplicações em alimentos, observaram que o uso de uma combinação de lecitina e oleato de sorbitano como emulsificante hidrofílico de fase 2 parece resultar em produtos de gotículas de emulsões múltiplas maiores e mais estáveis, o que é ilustrado pela figura 16.

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Os investigadores da Lion Co, também observaram que a adição de açúcares como sacarose, lactose e maltose à fase aquosa interna parece incrementar a estabilidade das gotículas internas⁽¹³⁾. Matsumoto atribui esses efeitos à formação de estruturas semelhantes a lipossomas em emulsões A/O/A, onde a lecitina reforça o filme de interface que rodeia as gotículas de água (Figura 17). A figura 18 traz uma representação esquemática, elaborada por Florence e Whitehill, mostrando o possível mecanismo de degradação das gotículas de emulsões múltiplas⁽¹⁶⁾.

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Aplicação das Emulsões Múltiplas 

As emulsões múltiplas são úteis quando se deseja utilizar a capacidade encapsuladora oferecida por sistemas desse tipo. Assim, elas têm sido utilizadas como veiculo para sistemas de liberação prolongada de drogas^(24.25), para encobrir o sabor desagradável de algumas drogas(26), para imobilização de enzimas^(27.28), em casos de overdose de drogas e na remoção de toxinas⁽²⁹⁾, para tratamento de esgotos industriais através de seu funcionamento como membrana líquida⁽³⁰⁾, em tecnologia de alimentos⁽²³⁾, no preparo de vesículas lipídicas⁽³¹⁾, no preparo de sistemas de microcápsulas^(32,33), como sistemas O/A/O em preparações para polimento de superfícies grosseiras^(34,35), para preparar fragrâncias em aerosol de liberação contínua(36), e em cosméticos^(13,17,40). 

Recentemente, Estée Lauder apresentou ao mercado um produto denominado Triple Cream Skin Rehydrator identificado por esta companhia como uma emulsão A/O/A, cuja propaganda o indicava como sendo capaz de manter a ‘pele macia, hidratada e flexível por mais de vinte horas'. No campo da cosmetologia o uso de sistemas de emulsão múltipla para liberação continuada de fragrâncias, para hidratação prolongada da pele, para proteção de sistemas biológicos delicados, e para proteger materiais incompatíveis da interação com quaisquer outros, são apenas algumas poucas aplicações que me ocorrem no momento. O que se faz necessário são estudos mais aprofundados dos agentes emulsificantes para produção de partículas múltiplas dotadas de maior estabilidade. 

As fórmulas 2, 3 e 4 apresentam algumas formulações cosméticas encontradas na literatura, de interesse para aqueles que consideram o emprego de sistemas de emulsão múltipla. 

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Este artigo foi publicado na revista Cosnetics & Toiletries (Edição em Português), 2(3): 24-31, 1990.