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DISPERSIONESCOLOIDALES
¿Qué es una dispersión coloidal?
Una dispersión coloidal es un sistema disperso o polifásico de una o más fases dispersas de partículas con la fase dispersa distribuida a través de una fase contínua o dispersante.
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Forma de la partícula
Área superficial (AS) • Las dispersiones coloidales tienen una gran superficie
específica (SE) comparada con un volumen idéntico de partículas de gran tamaño
• Disminuyendo el tamaño de la partícula aumenta la razón o relación área-volumen superficial
AS = 6 cm2 V = 1 cm3 h = 1 cm
SE = AS V
h = 0.1 mm AS = 600 cm2 V = 1 cm3
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Clasificación: Tamaño Dispersión molecular Dispersión coloidal Dispersión gruesa
< 1.0 nm 1.0 nm – 0.5 µm > 0.5 µm
• Invisible por microscopía electrónica (ME)
• Pasan a través de una membrana semi-permeable o ultrafiltro
• Difusión rápida
• No resuelta por microscopía convencional; detectada al ME y al ultramicroscopio
• Pasan a través del papel de filtro pero no a través de una membrana semi-permeable
• Difunden muy lentamente
• Visible al microscopio
• No pasan a través de papel de filtro o una membrana semi-permebable
• No difunden
• Moléculas de oxígeno • Iones normales • glucosa
• Soles de plata coloidal • Polímeros naturales o
sintéticos
• Granos de arena • Emulsiones y
suspensiones farmac. • Hematíes
Dispersiones gruesas vs coloidales
¿Cómo podemos detectar las diferencias?
• Papel de filtro
• Sedimentación / formación de cremas
• Microscopía
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¿Cómo podemos detectar las diferencias? • Microscopía • Membrana semi-permeable
» Diálisis
Dispersión molecular vs coloidal
Comienzo Equilibrio Dispersión molecular
Clasificación en función de las fases
Fase dispersa Sólido Líquido Gas
Sólido Suspensión sólida (plásticos teñidos,
oro coloidal en vidrio)
Suspensión coloidal (sol,
gel) Aerosol sólido (humo, polvo)
Líquido Emulsión sólida (perlas, ópalo)
Emulsión (leche)
Aerosol líquido (niebla, sprays,
líquidos)
Gas Espuma sólida (pan, espuma
plástica)
Espuma (espuma de
cerveza) N/A (miscibilidad
perfecta)
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Clasificación termodinámica
• Coloides liofílos (termodinámicamente estable)
• Coloides liofóbos (termodinámicamente inestable)
Coloides liófilos
• ¿Qué es un coloide liófilo? Siente Atracción por el disolvente Solvatación extensa Se forma espontáneamente Si el medio dispersante es agua,
obtenemos un coloide hidrofílico Estable termodinámicamente Reversible y fácilmente reconstituido
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Sistemas coloidales liofílos • Las dispersiones que espontáneamente se
forman de fases macroscópicas, y que son termodinámicamente estables con respecto tanto al ensachamiento de las partículas cuando se agregan como a la desintegración a moléculas individuales
Propiedad: distribución en tamaño de equilibrio (no cambia con el tiempo)
Formación de coloides liofílos
Dispersión Fase Solución
• Aumento en área superficial (desfavorable) • Aumento en número de partículas (favorable)
Condición de dispersión espontánea: Tr k30154 2 ÷≤σπ
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Ejemplo de sistema coloidal liofílo
P Fármaco libre
cmc Micela
Monómero
m/2m/2 n
CH 2CH2OHO CHCH2OCH3
CH2CH 2 HO
• Plurónico
Coloides liófobos • ¿Qué es un coloide liófobo?
No siente atracción por el disolvente No hay capa de disolvente Inestable e irreversible Generalmente partículas inorgánicas No se forma espontáneamente
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Sistemas coloidales liofóbicos • Las dispersiones que son
termodinámicamente inestables y que sólo existen durante cierto periodo de tiempo (“estabilidad cinética”)
Formación de coloides liofóbicos
Fase Disolución supersaturada
Condensación
Dispersión
Propiedad: energía superficial excesiva (agregado)
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Ejemplos de coloides liofóbicos
• Emulsiones (líquido en líquido, e.g., leche) • Suspensiones coloidales (sólido en líquido,
e.g., sol, gel) • Espumas y películas (gas en líquido) • Aerosoles líquidos y sólidos
Niebla, sprays (líquido en gas) Humos, polvo ( sólido muy disperso en gas)
Método de dispersión Se reduce el tamaño de las partículas
gruesas reducidas mediante:
Molino / pulverización
Generadores ultrasónicos
Arco eléctrico en un líquido
Microfluidizador
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Disolución, tamaño de la partícula y calidad del cristal
Hay 3 razones que explican el aumento de la velocidad de disolución cuanto menor es el tamaño de las partículas:
1) Las partículas pequeñas tienen un gran área superficial por unidad de volumen 2) La ecuación de Kelvin donde γ es la energía superficial del soluto, V su volumen molecular y S0 la solubilidad de una partículas sólida infinitamente grande (p.ej. una partícula con radio infinito o una superficie plana) 3) El proceso de pulverización rompe las partículas y aumenta los defectos cristalinos
La producción de las partículas pequeñas se hace por pulverizacíon, molienda, microcristalización. Todos estos métodos producen partículas con gran número de superficies y defectos
€
RT ln SS0
=2γVr
Microfluidizador
Esto es lo que se utiliza en la Industria
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Método de condensación Agregación de partículas pequeñas • Supersaturación
Tamaño de la partícula
• Reacción química As2O3 + 3H2S As2S3 + 3H2O (HS-)
Coloides por asociación • ¿Qué es un coloide por asociación?
Anfifílicos CMC
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Propiedades de la CMC
Concentración crtica Detergencia
Densidad
Conductividad
Tensión superficial
Presión osmótica
Conductividad equivalente
Tensión inferfacial
Unid
ades
de
med
ida
de c
ada
prop
ieda
d
Lauril-sulfato sódico (% en peso)
Ejemplo de CMC
1 = x1 + x2 CMC CMC1 CMC2
¿Cuál es la CMC de una mezcla de n-dodecil octaoxietileno glicol monoéter (C12E8) y de n-dodecil β-D-maltósido (DM) si se sabe que la CMC de C12E8 es 8.1 x 10-5 mol/L y su fracción molar es 0.75, y la CMC del DM es 15 x 10-5 mol/L.
x2 = (1 – x1) = (1 – 0.75) = 0.25
1/CMC = (0.75 / 8.1 x 10-5) + (0.25 / 15 x 10-5) = 10926
∴ CMC = 9.3 x 10-5 mol/L
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Recuerdo: sustancias anfifílicas Tipo Compuesto Anfifilo Contraión
Aniónico Lauril sulfato sódico CH3(CH2)11OSO3- Na+
Catiónico Bromuro de Cetil- trimetilamonio CH3(CH2)15N+(CH3)3 Br-
Neutro Polioxietilén lauril éter CH3(CH2)10CH2O(CH2OCH2)23H -
Anfifílico Sulfato de Dimetildodecilamonio-propano
CH3(CH2)11N+(CH3)2(CH2)3OSO2-
-
0
10
20
0 5 10 Concentración del anfifilo
Tens
ión
supe
rfic
ial
Propiedades comparativas Liófilas Asociación Liófobas
Partículas Moléculas orgánicas
Micelas; moléculas individuales son subcoloidales
Moléculas inorgánicasoro, plata
Solvatación Solvatadas Porción solvatada corresondiente
Poca, si algo
Formación Espontánea Espontánea, concentración debe
exceder la CMC
No espontánea
Efecto de electrolitos
Estable en presencia de electrolitos
Reducción en CMC Inestable en presencia de electrolitos
Viscosidad Aumenta cuando es mayor [fase
dispersa]
Aumenta cuando es mayor
[anfifílico]]
Viscosidad no afectada
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PROPIEDADES OPTICAS DE COLOIDES • Microscopia electrónica: se obtienen imágenes
de las partículas para observar el tamaño, forma y estructura de las partículas coloidales
• Dispersión de la luz (Light scattering): depende del efecto Faraday-Tyndall y se utiliza para determinar el peso molecular de coloides. La dispersión se describe en función de la turbidez, τ ,descenso fraccional en intensidad debido a la dispersión de la luz incidente que atraviesa a través de 1 cm de disolución
Propiedades ópticas de coloides • Dispersión de la luz (light scattering)
Efecto Faraday-Tyndall
Turbidez (τ) = ln
•
•
BcM
Hc2
1+=
!
€
H =32π 3n2 dn dc( )
2
3λ4N0
1
2
3
4
0 5 10 15 20 C x 10 3 (g.cm -3 )
Hc/
t τ x 1
0 4 (mol
.g -1 )
y = mx + b
1 M
Is I
Dimensiones de la partícula pequeñas comparadas con la λ
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Ejemplo de turbidez
Se determinó la turbidez de una disolución acuosa de sulfonato sódico de dodecil-benceno (SDBS) por light scattering a varias concentraciones por encima de su CMC:
c x 103 (g.cm-3) 2.68 7.58 13.30 22.15 τ x 102 (cm-1) 1.09 1.80 2.08 2.31
El valor de H es 4.00 x 10-6 mol.cm2.g-2 y el peso molecular del monómero de SDBS es 349 g.mol-1
a) ¿Cuántos monómeros hay en una micela? b) ¿Cuál es el valor de la constante de asociación, B?
Solución τ x 102 (cm-1) 1.09 1.80 2.08 2.31c x 103 (g.cm3) 2.68 7.58 13.30 22.15Hc / τ x 10-4 0.98 1.68 2.56 3.84
0
1
2
3
4
0 5 10 15 20 25c x 103 (g.cm-3)
Hc
/ !
x 1
0-4
2B = pendiente = (3.84 - 0.98) / (22.15 - 2.68) = 1.47 x 10-8
B = 0.735 x 10-8 mol.cm3.g-2
0.98 = 1/M + 1.47 x 2.68 1/M = 5.824 x 10-5
∴ M = 17 170 g.mol-1
Monómeros = 17 170 / 349 = 49
y = mx + b
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ESTABILIDAD COLOIDAL
Movimiento browniano Formación de cremas
Sedimentación Convección
Estabilidad coloidal
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Movimiento browniano • Movimiento errático de las partículas, que
puede ser observado con partículas de hasta unos 5 µm
• La velocidad de las partículas aumenta con el descenso del tamaño de las partículas
• La adición de sustancias, como la glicerina, que aumentan la viscosidad disminuyen y llegan a parar el movimiento Browniano
Difusión
rNRTDπη6
=
Primera ley de Fick
Ecuación de Stokes-Einstein
dxdcDS
dtdq
−=
€
D =RT6πηN
4πN3Mv
3
Si las partículas son aproximadamente esféricas, la ec. Siguiente sirve para determinar el radio y el peso molecular de las partículas
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Ejemplo de difusión
El coeficiente de difusión a 20 °C de una proteína esférica es 7.0 x 10-7 cm2/sec y el volumen específico parcial es 0.75 cm3/g. Si la viscosidad del disolvente es 0.01 g/cm sec, ¿cuál es el peso molecular de la proteína?(R = 8.31 x 107 erg/ºC mol and N = 6.02 x 1023 mol-1)
€
D =RT6πηN
4πN3Mv
3
€
4πN3Mv
=6DπηNRT
3
3211621
=ηπ DRT
NvM M ≅ 100 000 g/mol
Presión osmótica
cRT=πEcuación de vanʼt Hoff
+= gg
BcM
RTc
1π
0 0
cg
π/c
g
ideal
Sistema coloidal-Buen disolvente
Sistema coloidal-Mal disolvente
Sirve para calcular el M de un coloide en disolución
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Ejemplo Se determinó la presión osmótica de una fracción de poliestireno a 25 °C a varias concentraciones. cg (g.litro-1) 6.0 12 18 24π / cg x 10-5 (1 atm.g-1) 12.5 16.3 20.0
23.8 ¿Cuál es el peso molecular de las partículas? R = 0.0821 l.atm.C-1.mol-1
RTB = (23.8 – 12.5) / (24 – 6)(0.0821 x 298)B = 0.63 x 105 ∴ B = 2.57 x 103 l.mol.g-2
1/M = 3.57 x 10-6
∴ M = 279 749 g.mol-1
Sedimentación
• Ley de Stokes (dis. diluidas) ρ0 es la densidad de las partículas y ρ la densidad del disolvente;
r es el radio de las partículas; g la aceleración de la gravedad y η0 la viscosidad del medio
• Aplicación: medida del M de un polímero
( )0
02
92
η
ρρ grv −=
v es el volumen especifico parcial del polímero,. s y D se calculan
)1( 0ρvDRTsM−
=
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Ejemplo de Sedimentación Se dispersan partículas de Albúmina de 10 µm diámetro y densidad de 1.4 g.cm-3 en una disolución acuosa de polímero con una densidad de 1.01 g.cm-3 y una viscosidad de 1000 cps. ¿Cuál es la velocidad de sedimentación de las partículas? 1000 cps = 10 poise = 10 g.cm-1.sec-1 v = [2r2(ρ – ρ0)g] / 9η� = [2 x (5 x 10-4)2 (1.4 – 1.01) x 981] / 9 x 10 = [2 x (2.5 x 10-7) (0.39 x 981)] / 90 = 2.13 x 10-6 cm.s-1
Tiempo ≈ 55 días por 10 cm
Sedimentación: formación de cremas
• La velocidad de formación de cremas depende de la diferencia de densidades, el radio de las particulas y la viscosidad del medio
• Reducción de la formación de cremas Formando menores partículas (r) Aumentando la viscosidad de la fase continua (η) Disminuyendo la diferencia de densidad entre las dos fases Las partículas colisionarán todavía pero disminuye la frecuencia
del impacto. Las fuerzas de interacción tanto repulsivas como atractivas y la naturaleza de la superficie de las partículas determinarán si las partículas entran en permanente contacto (sólidas) o coalescen (líquido)
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Fuerzas de interacción entre partículas
coloidales
• Fuerzas de repulsión electrostática • Fuerzas de van der Waals o fuerzas electromagnéticas de atracción • Fuerzas estéricas, dependientes de la geometría y conformación de moléculas en la interfase de la partiúcla • Fuerzas solvatación debido a los cambios en las cantidades de disolvente adsorbido sobre las proximidades de las partículas vecinas
Fuerzas de repulsión electróstica y de atracción de van der Waals
• Se estudia en base a la teoría de Deryagin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO), que sirve satisfactoriamente para explicar cuantitativamente la estabilidad de las suspensiones hidrofóbicas
• Las fuerzas de van der Waals son siempre atractivas. En base a la aditividad de las energías de van der Waals entre moléculas vecinas, Hamaker determinó las ecuaciones, asumiendo que las energías de atracción varia con la inversa de la 6xta potencia de la distancia entre ellas. A mayores separaciones, la dependencia inversa cambia hasta la séptima potencia. El modelo emplea dos esferas de radio a a una distancia H, siendo R igual a 2a+H
H
a
R
Hamaker calculó la energía de atracción Va, como
La constante A depende de las propiedades de las partículas y del medio en el que están dispersas. Cuando H/a es pequeño, entonces las partículas son grandes relativas a la distancia de separación, y la ecuación se reduce a VA=-Aa/12H €
VA = −A6
2a2
R2 − 4a2+2a2
R2+R2 − 4a2
R2
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Fuerzas electrostáticas La carga eléctrica se debe a la ionización de los grupos superficiales o a la adsorción de iones Las fuerzas electrostáticas proceden de la interacción de las dobles capas eléctricas que rodean a las partículas en suspensión
Plano de la capa
ζ
• La interacción conduce a repulsión si las partículas tienen cargas superficiales y potenciales en la superficie del mismo signo y magnitud
• Cuando la carga superficial se debe a la adsorción de los iones que determinan el potencial: el potencial en la superficie Ψ0 se determina por la actividad de estos iones y permanece constante durante la interacción con otras partículas, si no varia la extensión de la adsorción (eso no ocurre en los sistemas reales)
Doble capa eléctrica • El número de iones positivos disminuye cuando nos alejamos de la superficie y el potencial se hace cero cuando las concentraciones son iguales
• Potencial superficial, potencial de Stern
• Cuando las partículas se mueven, la superficie efectiva se define como superficie o capa de cizalla, que está un poco alejada de la capa de Stern, y dependerá de la rugosidad de la superficie, número de macromoléculas adsorbidas, etc
• Las fuerzas repulsivas electrostáticas disminuyen como una función exponencial de la distancia y tiene un rango del orden del espesor de la doble capa igual a 1/κ, que es la longitud de Debye vista en el capítulo de electrolitos
distancia
Ψ0
Ψδ
+
+
+
+ +
+ +
+
+
+
+
-
-
-
- -
ζ
1/κ
- -
-
- -
+
δ Pot
enci
al
- +
+
-
Iones que determinan el potencial
Contraiones hidratados
Coiones negativos
Capa Stern
Capa cizalla
€
1/κ =εε0RTF 2I
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Interacciones repulsivas
No hay ecuaciones sencillas para estas interacciones. Sólo en el caso que los potenciales en la superficie sean pequeños (y constantes) y los valores de kappa sean pequeños (es decir, cuando la doble capa se extienda más allá del radio de la partícula), y los potenciales Ψ0 constantes
Para pequeños valores de Ψδ y de la ecuación anterior se simplifica a €
VR = 2πεε0aψδ2 e−κH
1+H2a
€
e−κH
€
VR = 2πεε0aψδ2e−κH
DLVO: Distancia óptima
Distancia
Energía
• Atracción
• Repulsión
• Atracción
Distancia óptima
• Atracción de van der Waals • Repulsión electrostática
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Estabilidad
Repulsión
Curva compuesta
Atracción
Distancia interpartícula
Barrera potencial
Mínimo primario (atracción)
Mínimo secundario (atracción)
Teoría DLVO
Ener
gía
1. La combinación de la energía potencial repulsora VR con la energía potencial atractiva VA da el potencial total de interacción
2. A pequeñas y gran distancias la energía potencial de van der Waals es mayor que la de repulsión, que es proporcional a exp(-kH)
3. Si el máximo es muy pequeño, dos partículas interaccionando pueden alcanzar el mínimo primario y en este estado, no se puede escapara de él (pueden ocurrir consecuentes cambios irreversibles en el sistema tales como sinterizado, recristalización o coalescencia
4. Cuando el máximo es suficientemente alto, las dos partículas no se ponen en contacto
Estabilidad
Repulsión
Curva compuesta
Atracción
Distancia interpartícula
Barrera potencial
Mínimo primario (atracción)
Mínimo secundario (atracción)
Importancia del mínimo secundario
Ener
gía
5. La profundidad del mínimo secundario es importante para definir las condiciones de dispersión hidrofóbica
6. Si el mínimo secundario es menor que la energía térmica (kT, siendo k la constante de Boltzmann), las partículas se repelerán entre sí
7. Cuando las partículas son lo suficientemente grandes, el mínimo secundario puede durante cierto tiempo atrapar las partículas, cuando no haya barrera de energía que superar (importancia en la floculación, que veremos en el siguiente capítulo, porque se puede dar floculación en este estado) A distancias intermedias, la energía de
repulsión puede ser la más importante
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Fenómenos electrocinéticos • Electrofóresis
• Los cambios en el valor de ζ servirán para predecir la estabilidad del sistema tas la adición de agentes floculantes, surfactantes y otros aditivos
( )41094××
∈×=
πηζ
Ev
Ev141≅ζ
ε es la constante dieléctrica de la fase continua y η su viscosidad
Medida del potencial Zeta
Electrodo
Suspensión muy diluida
Microelectroforesis
Capilar
Microscopio D(básico)
D(ácido) + -
La velocidad de migración de las partículas bajo un potencial aplicado puede determinarse microscópicamente con un sistema de medición del tiempo y una cuadrícula ocular
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Ejemplo electrocinético
La velocidad de migración de una disolución acuosa de hidróxido ferrico fue determinada a 20 °C, y se encontró que era de 16.5 x 10-4 cm/sec. La distancia entre electrodos en la célula fue 20 cm y la FEM de110 volts. ¿Cuál es el potencial ζ de la disolución?
E = (110 volt) / (20 cm) = 5.5 volt/cm Movilidad = v/E = (16.5 x 10-4 cm/sec) / (5.5 volt/
cm) = 3 x 10-4 cm2.volt-1.sec-1 ∴ ζ = 141 x 3 x 10-4 = 0.042 volt
Ev141≅ζ
Potencial de Nernst y potencial zeta
a b c
a’ b’ c’
distancia Pot
enci
al, E
Capa fuertemente enlazada Capa difusa
(-)
(+) ξ1
ξ2
ξ3
El potencial zeta gobierna el grado de repulsión entre partículas dispersas adyacentes, cargadas similarmente
Si el potencial zeta baja de un valor dado, las fuerzas atractivas exceden las fuerzas repulsivas y las partículas se acercan, produciéndose coagulación
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Potencial Zeta
• Interprete este diagrama en cuanto a la distribución de cargas de tres casos con el mismo potencial Zeta
Efecto de los electrolitos sobre la superficie
• Los coloides farmacéuticos son sistemas complejos. Vamos a considerar el efecto de la adición de electrolitos (simples o polímeros)
• Hemos visto que la adición de electrolitos afecta al valor de κ
• A baja [electrolito] (baja κ), la extensión de la doble capa es grande y VR se expande a distancias grandes alrededor de las partículas
• La suma de VR y VA da una curva de energía total con un máximo primario alto
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Efecto de los electrolitos sobre la superficie
• El descenso de la doble capa al añadir electrolito produce un mayor descenso en VR y que la curva tenga ahora un menor
máximo primario, pero sobre todo un mínimo secundario
• Importante porque se forma floculación pero no coagulación
ya que lo evita el máximo primario
0
k0
K=105 cm-1
K=3 105 cm-1
K=106 cm-1
K=107 cm-1 o superior
K=3 106 cm-1
1019
VR
105 H (cm) 0.5 1.0 1.5
-0.5
0.5
1.0
1.5
Múltiplos de kT
30 kT
20 kT
10 kT
1 kT
10 kT
20 kT
Efecto sobre la estabilidad del potencial en la superficie
• VR aumentará cuando aumente Ψ0 • Hay un descenso en el máximo primario cuando el potencial
superficial disminuye • A valores intermedios aparece un mínimo secundario
0
Ψ0=32 mV
Ene
rgía
pot
enci
al d
e in
tera
cció
n (1
0-19
J)
105 H (cm) 2.5 1.0 1.5
-0.5
0.5
1.0
-1.0
Ψ0=25.6 mV
Ψ0=19.2 mV
Ψ0=12.8 mV
Ψ0=0 mV
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Repulsión entre superficies hidratadas
• Estabilización entálpica: partículas con macromoléculas adsorbidas sobre la superficie, conduce a repulsión, debido al cambio de entalpía positivo que interviene por la liberación de agua (energéticamente desfavorable)
• No necesariamente es de origen entálpico, puede darse mayor libertad conformacional que conduce a un -∆S, aumentando su contribución a ∆G, y de ahí conduciendo a repulsión
• Importante cuando H = 2δ, siendo δ la longitud de la cadena
Aplicaciones farmacéuticas de los coloides
• Hidrogeles • Micropartículas • Emulsiones y microemulsiones • Liposomas • Micelas • Nanopartículas • Nanocristales