PL201342B1

PL201342B1 - Sposób wytwarzania mikrokapsułek hydrożelowych z rdzeniem zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym powstających w wyniku tworzenia kompleksów polielektrolitowych

Info

Publication number: PL201342B1
Application number: PL374927A
Authority: PL
Inventors: Artur Bartkowiak; Alicja Tarnowiecka; Sebastian Żywicki
Original assignee: Zachodniopomorski Univ T W Szc
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2009-04-30
Also published as: PL374927A1

Abstract

1. Sposób wytwarzania mikrokapsułek hydrożelowych z rdzeniem zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym powstających w wyniku tworzenia kompleksów polielektrolitowych, znamienny tym, że ich membranę tworzy się poprzez dyspergowanie substancji ciekłej o charakterze hydrofobowym (czynnik I) zawierającej niskocząsteczkową substancję o charakterze jonowym (czynnik III) w roztworze wodnym polimeru o charakterze jonowym (czynnika II), przy czym niskocząsteczkowa substancja (czynnik III) nie jest rozpuszczalna w wodnym roztworze jonowego polimeru (czynnik II), a następnie po uzyskaniu emulsji olejowo-wodnej wprowadza się do niej roztwór wodny substancji obniżającej pH (czynnik IV) uwalniając z rdzenia czynnik żelujący, który w tych warunkach rozpuszcza się w wodnych roztworach.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania mikrokapsułek hydrożelowych z rdzeniem zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym powstających w wyniku tworzenia kompleksów polielektrolitowych, przeznaczonych do immobilizacji materiałów o charakterze hydrofobowym.

Znanych jest wiele sposobów otrzymywania mikrokapsułek zawierających substancje hydrofobowe umieszczone w rdzeniu w postaci rozproszonej lub wypełniające całe jego wnętrze.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 5 759 599 znany jest sposób, w którym mikrokapsułkowanie kropelek oleju z substancjami zapachowymi zachodzi w wyniku koacerwacji zemulgowanego oleju w wodzie zawierającej odpowiedni polimer. Otrzymane w procesie koacerwacji mikrokapsułki mogą być następnie suszone rozpyłowo lub poddawane klasycznemu suszeniu w umiarkowanych temperaturach. Otrzymuje się w ten sposób stabilne termicznie mikrokapsułki.

W opisie patentowym USA nr 6 592 916 przedstawiony jest sposób tworzenia mikrokapsułek, zawierających rdzeń o charakterze hydrofobowym, w wyniku procesu koacerwacji biopolimerów, takich jak polisacharydy i białka z zastosowaniem małocząsteczkowych substancji. Takie zewnętrzne powłoki, w celu zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej, mogą być sieciowanie enzymatycznie przy zastosowaniu transglutaminazy. W obu powyższych opisach patentowych, substancjami powodującymi koacerwacje są rozpuszczalne w wodzie sole metali jednowartościowych dodawanych do zewnętrznego roztworu biopolimeru, aby rozpocząć proces koacerwacji.

Według opisu patentowego USA nr 6 391 288 sposób otrzymywania mikrokapsułek charakteryzuje się tym, że mikrokapsułkowane kropelki oleju mają wielkość w zakresie 0,01 do 3 μm i są pokrywane w wyniku procesu koacerwacji temperaturowej zachodzącej podczas gwałtownego obniżania temperatury hydrożelową otoczką, najczęściej agarową lub karagenianową.

W innym opisie patentowym (USA nr 6 818 296) znany jest sposób otrzymywania mikrokapsułek hydrożelowych poprzez emulgowanie kropelek roztworów wodnych biopolimerów w cieczach hydrofobowych, a następnie ich żelowanie lub sieciowanie poprzez wprowadzenie określonej substancji chemicznej lub poprzez zmianę warunków procesu np. zmianę pH lub temperatury. W publikacji „A physico-chemical approach to production of alginate beads by emulsification-internal ionotropic gelation” (D. Pocelet, V. Babak, C. Dulieu, A. Picot; Collloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 155 (1999), 171-176) opisano sposób tworzenia hydrożelowych mikrokapsułek z wykorzystaniem procedury z zastosowaniem zjawiska zmiennej rozpuszczalności soli wapnia w zależności od zmian pH. Stosując taką procedurę można otrzymywać hydrożelowe kulki o średnicy w granicach 300-1000 μ^ι.

W znanych sposobach wytwarzania mikrokapsułek hydrożelowych z rdzeniem zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym powstałe układy hydrożelowe wykazują ograniczoną stabilność chemiczną i mechaniczną podczas przechowywania w środowisku wodnym w zmiennej temperaturze. Dlatego też poddaje się je dodatkowej modyfikacji poprzez sieciowanie chemiczne lub enzymatyczne. Ponadto do ich formowania trzeba używać dużych ilości substancji powodujących koacerwację, co niewątpliwie utrudnia sam proces oczyszczania otrzymanych mikrokapsułek oraz powoduje ogromne trudności w doborze odpowiedniego procesu technologicznego.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania mikrokapsułek, pozbawionego wad znanych rozwiązań technicznych.

Sposób wytwarzania mikrokapsułek hydrożelowych z rdzeniem zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym powstających w wyniku tworzenia kompleksów polielektrolitowych, według wynalazku polega na tym, że ich membranę tworzy się poprzez dyspergowanie substancji ciekłej o charakterze hydrofobowym (czynnik I) zawierającej niskocząsteczkową substancję o charakterze jonowym (czynnik III) w roztworze wodnym polimeru o charakterze jonowym (czynnika II), przy czym niskocząsteczkowa substancja (czynnik III) nie jest rozpuszczalna w wodnym roztworze jonowego polimeru (czynnik II). Następnie, po uzyskaniu emulsji olejowo-wodnej wprowadza się do niej roztwór wodny substancji obniżającej pH (czynnik IV) uwalniając z rdzenia czynnik żelujący, który w tych warunkach rozpuszcza się w wodnych roztworach. Jako substancje ciekłe o charakterze hydrofobowym (czynnik I) stosuje się substancje o charakterze hydrofobowym w stanie ciekłym, nie mieszające się z wodą, korzystnie związki organiczne o charakterze alifatycznym lub aromatycznym, takie jak oleje naturalne i mineralne, woski naturalne i syntetyczne, rozpuszczalniki organiczne. Jako jonowy polimer (czynnik II) stosuje się polielektrolit o charakterze anionowym lub kationowym tworzący mechanicznie stabilny kompleks polielektrolitowy z niskocząsteczkową substancją o charakterze jonowym (czynnik III) uwalPL 201 342 B1 niającą się z rdzenia mikrokapsułki. Jako jonowy polimer (czynnik II) należący do grupy polielektrolitów anionowych stosuje się polisacharydy o charakterze anionowym, korzystnie alginiany, agar, karageniany, ksantan, gelan, gumę arabską, gumę guar, pektynę, anionowe pochodne skrobii i celulozy - karbosymetylowane i sulfonowane. Jako jonowy polimer (czynnik II) należący do grupy polielektrolitów kationowych stosuje się polisacharydy o charakterze kationowym, korzystnie chitozan oraz kationowe pochodne skrobi i celulozy zawierające pierwszorzędowe grupy aminowe i czwartorzędowe grupy amoniowe.

Niskocząsteczkowa substancja o charakterze jonowym (czynnik III), występująca w rdzeniu zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym (czynnik I), w pierwszym etapie procesu podczas dyspergowania nie rozpuszcza się w wodnym roztworze jonowego polimeru (czynnik II). Jako niskocząsteczkową substancję o charakterze jonowym (czynnik III) stosuje się sole metali oraz oligomery o charakterze jonowym. Ciężar cząsteczkowy soli metali jest korzystnie nie większy niż 2000 g/mol. Jako sole metali stosuje się korzystnie sole Ca, takie jak węglan, siarczan, winian, polifosforan oraz sole kwasów tłuszczowych. Jako oligomery o charakterze jonowym stosuje się korzystnie oligochitozan o ciężarze cząsteczkowym w zakresie od 2000 do 10000 g/mol charakteryzujący się ograniczoną rozpuszczalnością w roztworach o pH powyżej 7,5. Jako substancję obniżającą pH (czynnik IV) stosuje się kwasy mineralne albo kwasy organiczne mieszające się z wodą. Jako kwasy mineralne stosuje się korzystnie kwas solny, siarkowy, azotowy, a jako kwasy organiczne mieszające się z wodą stosuje się korzystnie kwas mrówkowy, octowy lub cytrynowy. Do czynnika I i/lub II, i/lub III dodaje się korzystnie substancje funkcjonalne oraz modyfikatory. Jako substancje funkcjonalne stosuje się korzystnie związki powierzchniowo czynne, antyutleniacze, barwniki, związki smakowo-zapachowe, zaś jako modyfikatory stosuje się korzystnie plastyfikatory oraz modyfikatory lepkości.

Sposób wytwarzania mikrokapsułek hydrożelowych z rdzeniem zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym powstających w wyniku tworzenia kompleksów polielektrolitowych, w porównaniu do innych znanych metod umożliwia zastosowanie różnych polimerów o charakterze jonowym, zarówno kationowych jak i anionowych, dzięki czemu otrzymuje się mikrokapsułki o zmiennych właściwościach zewnętrznej membrany. W sposobie według wynalazku zastosowanie dyspergowania emulsyjnego pozwala na prowadzenie procesu w różnych skalach od małych objętości rzędu mililitrów do ilości technicznych 100 i więcej litrów przy wykorzystaniu konwencjonalnej aparatury do tworzenia układów emulsyjnych. Właściwości formowanych w ten sposób mikrokapsułek mogą być kontrolowane poprzez zmianę stężenia i rodzaju polimeru jonowego znajdującego się w roztworze dyspergującym, poprzez zmianę rodzaju systemu dyspergującego i jego efektywności, poprzez zmianę rodzaju substancji hydrofobowej, ilości i rodzaju małocząsteczkowej substancji żelującej, poprzez regulację czasu żelowania oraz poprzez zmianę rodzaju i ilości zastosowanego związku powierzchniowo czynnego.

Sposób według wynalazku umożliwia także formowanie mikrokapsułek w szerokim zakresie wielkości od 1 do 1000 μm, jak również kontrolowanie właściwości zewnętrznej membrany, takich jak wytrzymałość mechaniczna i porowatość. Sposób umożliwia również otrzymywanie zewnętrznej hydrożelowej membrany o zmiennym charakterze jonowym, kontrolę grubości i porowatości zewnętrznej membrany oraz zapewnia możliwość efektywnej ochrony immobilizowanej substancji przed wybranymi czynnikami zewnętrznymi.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w następujących przykładach wykonania.

P r z y k ł a d I

W 20 cm³ oleju naturalnego (oleju rzepakowego) dysperguje się stosując mieszadło mechaniczne lub ultradźwiękowe 1 g węglanu wapnia CaCO3. Przy intensywnym mieszaniu wykorzystując mieszadło mechaniczne lub magnetyczne przygotowuje się 0,2% roztwór alginianu sodu poprzez powolne dodawanie porcjami 0,4 g alginianu sodu do intensywnie mieszanej 200 cm³ wody destylowanej przez okres 1-2 godzin. Wartość pH otrzymanego w ten sposób roztworu powinna wynosić 7-8,5. Zastosowany alginian charakteryzuje się średnim ciężarem cząsteczkowym w zakresie 400-800 tys. g/mol i zbliżonym 0,5/0,5 udziałem grup guluranowych i manurowych w łańcuchu głównym.

W pierwszym etapie procesu otrzymywania mikrokapsułek, 20 cm³ mieszaniny hydrofobowej (olej/CaCO3) powoli dodaje się do intensywnie mieszanego (mieszadło mechaniczne wyposażone w mieszadło łopatkowe - 1500 obr/min) uprzednio przygotowanego 200 cm³ roztworu alginianu sodu. Tak przygotowaną emulsję dysperguje się i stabilizuje przez ok. 10 minut. Następnie, w drugim etapie procesu, dodaje się do niej 20 cm³ 1M CH3COOH. Taki układ pozostawia się przy ciągłym intensywnym mieszaniu na kolejne 10 minut. Utworzone mikrokapsułki hydrożelowe oczyszcza się poprzez usunięcie cieczy, po czym przeprowadza się dodatkowe czterokrotne przemywanie 100-200 cm³ wodą

PL 201 342 B1 destylowaną. Tak otrzymane mikrokapsułki o średnicy w zakresie 100-500 μm, charakteryzujące się wysoką stabilnością i wytrzymałością mechaniczną, mogą być dodatkowo poddane suszeniu rozpyłowemu lub konwencjonalnemu w suszarce w umiarkowanych warunkach.

P r z y k ł a d II

Sposób analogiczny jak w przykładzie I, z tą odmianą, iż w roztworze wodnym alginianu sodu dysperguje się mieszaninę hydrofobową (olej/CaCO3) z 2% dodatkiem emulgatora monolaurynianu polioksy etylenosorbitanu (Tweenu 20). Otrzymuje się tym sposobem mniejsze mikrokapsułki o średnicy w zakresie 100-200 μm charakteryzujące się mniejszym rozrzutem wielkości.

P r z y k ł a d III

Sposób analogiczny jak w przykładzie I, z tą odmianą, iż zamiast alginianu sodu stosuje się gumę gellan, o zbliżonej lepkości kinematycznej stosowanych roztworów do alginianu wykorzystanego w przykładzie I. Otrzymuje się tym sposobem mikrokapsułki o średnicy w zakresie 100-200 μm charakteryzujące się dobrymi właściwościami mechanicznymi.

P r z y k ł a d IV

Sposób analogiczny jak w przykładzie I, z tą odmianą, iż w roztworze wodnym alginianu sodu dysperguje się mieszaninę hydrofobową (olej/CaCO3) z 5% dodatkiem mydła wapniowego (oleinianu wapniowego). Otrzymuje się tym sposobem bardzo małe mikrokapsułki o średnicy w zakresie poniżej 100 μm charakteryzujące się mniejszym rozrzutem wielkości.

P r z y k ł a d V

Sposób analogiczny jak w przykładzie II, z tą odmianą, iż do dyspergowania mieszaniny hydrofobowej w roztworze wodnym alginianu, stosuje się zamiast mieszadła mechanicznego homogenizator o szybkości obrotów noża 10 tys. obr/min. W odmianie tej otrzymuje się bardzo małe mikrokapsułki o średnicy w zakresie 20-50 μm.

P r z y k ł a d VI

Sposób analogiczny jak w przykładzie I, z tą odmianą, iż w roztworze wodnym alginianu sodu dysperguje się olej z 5% dodatkiem cytrynianu wapnia. Otrzymuje się tym sposobem mikrokapsułki o średnicy i właściwościach zbliżonych do opisanych jak w przykładzie I.

P r z y k ł a d VII

Sposób analogiczny jak w przykładzie I, z tą odmianą, iż po utworzeniu mikrokapsułek i ich dwukrotnym przemyciu wodą destylowaną umieszcza się je w 200 cm³ 0,2% wodnym roztworze oligochitozanu o średnio liczbowo ciężarze cząsteczkowym ok. 4000 g/mol na okres 5 minut przy delikatnym mieszaniu na mieszadle magnetycznym. Następnie tak zmodyfikowane powierzchniowo mikrokapsułki przemywa się 4-krotnie wodą destylowaną. Otrzymane tym sposobem mikrokapsułki charakteryzują się wyższą stabilnością mechaniczną, szczególnie podczas przechowywania w roztworach wodnych o wyższej sile jonowej, zawierających sole metali jednowartościowych.

P r z y k ł a d VIII

W 20 cm³ oleju naturalnego (olej rzepakowy) dysperguje się stosując mieszadło mechaniczne lub ultradźwiękowe 1 g polifosforanu wapnia oraz 0,4 g monolaurynianu polioksyetylenosorbitanu (Tweenu 20). Przy intensywnym mieszaniu wykorzystując mieszadło magnetyczne przygotowuje się 0,4 % roztwór chitozanu poprzez powolne dodawanie porcjami 0,4 g chitozanu do 100 cm³ 0,2 molowego CH3COOH. Wartość pH otrzymanego w ten sposób roztworu powinna wynosić 4-5. Zastosowany chitozan charakteryzuje się średnim ciężarem cząsteczkowym w zakresie 400-800 tys. g/mol i stopniem deacetylacji w granicach 85-90%. W pierwszym etapie procesu otrzymywania mikrokapsułek, 20 cm³ mieszaniny hydrofobowej (olej/polifosforan wapnia/Tween 20) powoli dodaje się do intensywnie mieszanej (mieszadło mechaniczne wyposażone w mieszadło łopatkowe - 1500 obr/min) 100 cm³wody destylowanej. Taką emulsję dysperguje się i stabilizuje przez ok. 10 minut, po czym do układu dodaje się 100 cm³ 0,4 % roztworu chitozanu w 0,2 molowym CH3COOH. Układ pozostawia się przy ciągłym intensywnym mieszaniu na 5 minut. Następnie dodaje się do niego 20 cm³ 1M CH3COOH i pozostawia układ przy intensywnym mieszaniu na okres 10 minut. Utworzone mikrokapsułki hydrożelowe oczyszcza się poprzez usunięcie cieczy, a następnie przeprowadza się dodatkowe czterokrotne przemywanie 100-200 cm³ wody destylowanej. Tak otrzymane mikrokapsułki o średnicy w zakresie 200-500 μm, charakteryzujące się dobrą stabilnością i wytrzymałością mechaniczną, mogą być dodatkowo poddane suszeniu rozpyłowemu lub konwencjonalnemu w suszarce w umiarkowanych temperaturach.

Sposób wytwarzania mikrokapsułek, według wynalazku, można stosować do immobilizacji wszystkich substancji rozpuszczalnych lub mieszających się ze związkami o charakterze hydrofoboPL 201 342 B1 wym m.in. rozpuszczalnych w tłuszczach witamin, takich jak A, D, E i K, jak również do immobilizacji substancji w postaci cieczy, roztworów i ciał stałych o odpowiednim stopniu rozdrobnienia. Dodatkowo dla takich mikrokapsułek można stosować układy otrzymywane w formie emulsji typu olej/woda/olej, gdzie w hydrofobowym rdzeniu mikrokapsułki znajduje się na przykład zdyspergowany hydrofilowy lek w postaci zemulgowanej cieczy lub rozdrobnionego ciała stałego. Takie mikrokapsułki mogą znaleźć zastosowanie między innymi w rolnictwie, przemyśle spożywczym, kosmetycznym, farmaceutycznym oraz w medycynie.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania mikrokapsuł ek hydroż elowych z rdzeniem zawierają cym materiał o charakterze hydrofobowym powstających w wyniku tworzenia kompleksów polielektrolitowych, znamienny tym, że ich membranę tworzy się poprzez dyspergowanie substancji ciekłej o charakterze hydrofobowym (czynnik I) zawierającej niskocząsteczkową substancję o charakterze jonowym (czynnik III) w roztworze wodnym polimeru o charakterze jonowym (czynnika II), przy czym niskocząsteczkowa substancja (czynnik III) nie jest rozpuszczalna w wodnym roztworze jonowego polimeru (czynnik II), a następnie po uzyskaniu emulsji olejowo-wodnej wprowadza się do niej roztwór wodny substancji obniżającej pH (czynnik IV) uwalniając z rdzenia czynnik żelujący, który w tych warunkach rozpuszcza się w wodnych roztworach.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e jako substancje ciekłe o charakterze hydrofobowym (czynnik I) stosuje się substancje o charakterze hydrofobowym w stanie ciekłym, nie mieszające się z wodą, korzystnie związki organiczne o charakterze alifatycznym lub aromatycznym, takie jak oleje naturalne i mineralne, woski naturalne i syntetyczne, rozpuszczalniki organiczne.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako jonowy polimer (czynnik II) stosuje się polielektrolit o charakterze anionowym lub kationowym tworzący mechanicznie stabilny kompleks polielektrolitowy z niskocząsteczkową substancją o charakterze jonowym (czynnik III) uwalniającą się z rdzenia mikrokapsuł ki.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, ż e jako jonowy polimer (czynnik II) należący do grupy polielektrolitów anionowych stosuje się polisacharydy o charakterze anionowym, korzystnie alginiany, agar, karageniany, ksantan, gelan, gumę arabską, gumę guar, pektynę, anionowe pochodne skrobii i celulozy - karbosymetylowane i sulfonowane.
5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, ż e jako jonowy polimer (czynnik II) należący do grupy polielektrolitów kationowych stosuje się polisacharydy o charakterze kationowym, korzystnie chitozan oraz kationowe pochodne skrobi i celulozy zawierające pierwszorzędowe grupy aminowe i czwartorzędowe grupy amoniowe.
6. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e stosuje się niskocz ą steczkową substancję o charakterze jonowym (czynnik III), występującą w rdzeniu zawierającym materiał o charakterze hydrofobowym (czynnik I), który w pierwszym etapie procesu podczas dyspergowania nie rozpuszcza się w wodnym roztworze jonowego polimeru (czynnik II).
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako niskocząsteczkową substancję o charakterze jonowym (czynnik III) stosuje się sole metali oraz oligomery o charakterze jonowym.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako sole metali stosuje się substancję o ciężarze cząsteczkowym korzystnie nie większym niż 2000 g/mol.
9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako sole metali stosuje się korzystnie sole Ca, takie jak węglan, siarczan, winian, polifosforan oraz sole kwasów tłuszczowych.
10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że jako oligomery o charakterze jonowym stosuje się korzystnie oligochitozan o ciężarze cząsteczkowym w zakresie od 2000 do 10000 g/mol charakteryzujący się ograniczoną rozpuszczalnością w roztworach o pH powyżej 7,5.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako substancję obniżającą pH (czynnik IV) stosuje się kwasy mineralne albo kwasy organiczne mieszające się z wodą.
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że jako kwasy mineralne stosuje się korzystnie kwas solny, siarkowy, azotowy, a jako kwasy organiczne mieszające się z wodą stosuje się korzystnie kwas mrówkowy, octowy lub cytrynowy.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do czynnika I i/lub II, i/lub III dodaje się korzystnie substancje funkcjonalne oraz modyfikatory.

PL 201 342 B1
14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że jako substancje funkcjonalne stosuje się korzystnie związki powierzchniowo czynne, antyutleniacze, barwniki, związki smakowo-zapachowe.
15. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że jako modyfikatory stosuje się korzystnie plastyfikatory oraz modyfikatory lepkości.