ESTABILIDAD DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES

ESTABILIDAD DE LAS DISPERSIONES COLOIDALESTEORÍA DLVOLas partículas coloidales están sometidas a fuerzas de atracción y repulsión, y existeun balance entre dichas fuerzas.El movimiento Browniano produce colisión entre las partículas y si las fuerzas deatracción predominan, las partículas se aglomeran después de la colisión. En casocontrario, si las fuerzas de repulsión predominan las partículas permanecen separadasdespués de la colisión. Las fuerzas de atracción son las de Van der Waals, en tanto que lasfuerzas de repulsión provienen de la interacción entre las dobles capas eléctricas querodean a las partículas.En la figura 1 se representan las energías potenciales de atracción VA y de repulsiónVR en función de la distancia entre las partículas cargadas. De acuerdo con la teoría DLVO(Deryaguin-Landau-Verwey-Oberbeek), la curva que representa la energía total deinteracción entre partículas coloidales VT (curva continua) es la suma de las curvas deatracción VA y repulsión VR.VT = VA + VREsta curva corresponde a un ecuación de tipo exponencial porque la fuerza derepulsión es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y la fuerza de atracciónes también función de la inversa de la distancia, pero elevada ésta a un exponente siempremayor que dos.En la figura 1 se observa que cuando las partículas se aproximan desde la distancia ehasta la distancia b deben superar un máximo de repulsión Vm antes de alcanzar elmínimo de atracción Vp donde la coagulación es irreversible. La altura de ese máximo Vmdefine la estabilidad del sistema que corresponde a un potencial Z aproximado de 50 mV,de esta forma el sistema se puede considerar estable. La coagulación en el mínimo

secundario VS es débil y reversible porque la energía térmica de partículas muy pequeñases del mismo orden de magnitud que la energía de este mínimo, y el movimientoBrowniano es suficiente para desagregar las partículas. La tabla I resume el efecto de lascurvas VA y VR de la figura 1 en la energía total VT y su incidencia en la estabilidad.Figura 1TEORÍA DLVO: Efecto neto de las energías de atracción y repulsión en laestabilidadde las partículas coloidales

Tabla I..COLOIDES DE ASOCIACIÓNEl diagrama ternario obtenido por mezcla de agua, aceite y tensioactivo, muestra quepara cierta proporción de estos tres elementos se obtienen soluciones micelares. Sonsoluciones límpidas y termodinámicamente estables.En estos sistemas ternarios es elevada la cantidad de agua, baja la de aceite,adecuada la concentración de tensioactivo que permite solubilizar el aceite en el agua.Esta solubilización se explica por la formación de micelas de tensioactivo en el agua.Cuando se preparan soluciones de concentración creciente de un tensioactivo depredominio hidrofílico (HLB elevado), a partir de cierta concentración, llamada CMC(concentración micelar crítica), las moléculas se agrupan en forma de micelas; se producencambios en las propiedades físicas de la solución, que indican que se ha alcanzado dichaconcentración.

Los tensioactivos tienden a concentrarse en la interfase alterando por lo tanto laenergía libre de la superficie, de tal manera que la tensión superficial se reduceconsiderablemente.Las micelas pueden estar integradas por un número n de moléculas, el tamaño esvariable y depende de la naturaleza del tensioactivo, de la concentración, de la temperaturay de iones presentes. Estas soluciones micelares son dinámicas, las moléculas son objetode continuas reestructuraciones.La solubilización de productos hidrófobos se debe a una inserción de sus moléculasen las micelas de tensioactivo, lo cual puede ocurrir a diferentes niveles:• • Inserción a nivel profundo: ocurre con productos no polares, hidrocarburos (Fig.2. A.).• • Inserción menos profundo: se produce con sustancias polares o muy polares,alcoholes y ácidos grasos (Fig.2. B y C).• • Inserción en superficie: por ejemplo, ftalato de metilo (Fig. 2. D).• • Inserción en cadenas de óxido de etileno: por ejemplo, tensioactivospolioxietilenados (Fig. 2. E).Figura 2. Inserción de MIcelas

La solubilización micelar es empleada en Farmacia. Así, se lleva a cabosolubilizaciones acuosas de yodo, antisépticos fenólicos, hormonas esteroides, vitaminasliposolubles, antibióticos, sulfamidas, barbitúricos y aceites esenciales.Los tensioactivos se agregan a partir de una determinada concentración (CMC),dando lugar a partículas de tamaño coloidal, con diámetro equivalente en los límites de 30-100 Å o sea de dimensiones coloidales por eso se los denomina coloides de asociación.En la disolución las micelas están en equilibrio con moléculas de tensioactivo aisladasque se llaman monómeros. El número de agregación n es el número de moléculas detensioactivo (monómero) presentes en una micela.Los tensioactivos iónicos se disocian en solución acuosa y forman micelas iónicas,cuyas cabezas hidrofílicas (orientadas al agua) poseen una carga neta negativa o positiva.La figura 3 muestra el esquema de un tensioactivo aniónico: algunos contraiones sesitúan en la vecindad de las cabezas polares, formando la capa de Stern. Se puede observarque los contraiones no neutralizan totalmente la carga de la micela, que en este caso esnegativa (- 6 + 3 = - 3 ). Alrededor de las micelas iónicas existe la doble capa eléctricadifusa, igual que en las partículas coloidales cargadas.Figura 3.

a. Micela aniónica donde S es la capa de Stern b. Micela no iónica donde lapolaridad aumenta desde el centro (zona clara) a la periferia (zona oscura).La facilidad de formar micelas depende del tensioactivo y decrece en el siguienteorden:no iónico > anfótero > iónico.Las micelas no son agrupados estáticos, se disocian, se reagrupan, se disociannuevamente con gran rapidez. Los tensioactivos no iónicos forman micelas más grandes.Las micelas no iónicas están formadas por una parte central donde se sitúan lascadenas de hidrocarburos no polares, y una capa formada por cadenas de polioxietilenolargas y flexibles Figura 3. El manto polar interacciona con el agua y, en consecuencia, lasmicelas están muy hidratadas. La deshidratación por elevación de la temperatura produce laprecipitación del tensioactivo enturbiando la disolución. El amplio manto de hidrataciónproporciona un lugar de solubilización para muchos compuestos.En líquidos no polares, los tensioactivos pueden formar micelas invertidas, donde lascabezas polares se dirigen hacia el centro y la parte no polar hacia el medio dispersante.Como ejemplo podemos citar: el dioctilsulfosuccinato de sodio y los monoésteres delsorbitano, cuando se dispersan en aceites u otros líquidos no polares.Las micelas formadas en soluciones diluidas de tensioactivo son aproximadamenteesféricas. Al aumentar la concentración de tensioactivo las micelas aumentan de tamaño.Siendo demasiado grandes para conservar la forma esférica, adoptan estructura elipsoidal,cilíndricas y finalmente laminares. Figura 4.

Figura 4.Micelas: a. esférica b. cilíndrica c. laminarEstas fases afectan a la viscosidad y a la reología de la formulación, así como a lasolubilidad del principio activo.Los tensioactivos son moléculas que tienen una parte polar (cabeza hidrofílica) yotra no polar (cola hidrófoba) y tienen por ello afinidad tanto por el agua como por el aceite.Son activos sobre la tensión superficial y tienden a acumularse en la superficie o en lainterfase aceite, agua. Este fenómeno se conoce como adsorción de interfases líquidas, deeste modo la energía interfásica y la energía libre de la interfase disminuyen.La figura 5 muestra la acción de un tensioactivo sobre la tensión superficial (γ). Alaumentar la concentración de tensioactivo en agua, la tensión superficial disminuye (líneaAB) debido a que las moléculas se adsorben en la superficie del agua.Al agregar más tensioactivo se alcanza el punto B donde las moléculas estántotalmente empaquetadas en la superficie, de forma totalmente vertical, con la partehidrofílica orientada hacia el agua y la parte lipofílica hacia el aire. Si se continua agregandotensioactivo, no caben más moléculas en la superficie, y se agregan en estructurasdenominadas micelas; la tensión superficial no disminuye más y permaneceaproximadamente constante ( línea horizontal BC).La concentración a la que comienza laformación de micelas (punto B) se llama Concentración Micelar Crítica (CMC).

Para que una molécula sea tensioactivo su afinidad por la interfase debe ser mayorque su afinidad por el interior del líquido, es decir, el número de moléculas debe ser mayoren la superficie que en la disolución como se observa en la figura 5.Figura 5.Relación entre la tensión superficial y el logaritmode la concentración .a. Tensioactivo b. Moléculassin capacidad tensioactiva c. Comparación del áreaque ocupa una molécula en la superficie en posiciónvertical (A1) y horizontal (A2).La cantidad de tensioactivo que se adsorbe en la interfase es fundamental para laestabilidad de los sistemas dispersos y se calcula mediante la ecuación de Gibbs:Ecuación de Gibbs

Γ = concentración de tensioactivo adsorbido en la interfase (moles /cm²) en exceso respectoa la que existe en el líquido.R = constante de los gases.T = temperatura absoluta.γ = tensión superficial.lnc = logaritmo de la concentración de tensioactivo.La ecuación de Gibbs sirve para deducir si un compuesto es tensioactivo. Si el valorde Γ es positivo las moléculas tienden a acumularse en la superficie y el compuesto estensioactivo. Para que Γ sea positivo, el signo de la pendiente de la ecuación de Gibbs (dγ/dlnc) debe ser negativo, como se ve en la figura 5. Si el signo de la pendiente es 0 opositivo, Γ sería negativo, o sea que las moléculas no son tensioactivas; por lo tanto suafinidad es mayor por el líquido que por la superficie (permanecen en la disolución).Características de un tensioactivo• • Es soluble al menos en una de las fases del sistema.• • La concentración en la interfase es mayor que la disuelta en el líquido.• • Forma una capa monomolecular en la interfase.• • Forma micelas a una determinada concentración (CMC).• • Posee alguna de las siguientes propiedades: detergencia, poder espumógeno,humectante, emulgente, solubilizante o dispersante.

Temperatura de Krafft y agregación de principios activosAdemás de los tensioactivos hay ciertos principios activos que son anfifílicos, poseenen su molécula una porción hidrófila y otra hidrófoba; tienen propiedades tensioctivas, seagregan formando micelas.La micelación de estos principios activos es de importancia en la formulación deformas farmacéuticas líquidas, porque va seguida de un aumento importante en lasolubilidad del fármaco.La micelación se puede observar representando gráficamente la tensión superficial enfunción de la concentración de principio activo observando si hay un cambio brusco en lapendiente similar a la figura 5.En muchos casos la micelación depende de la temperatura. Al igual que en lostensioactivos la formación de micelas comienza en la CMC (concentración micelar crítica).Algunos principios activos son poco solubles en agua a temperatura ambiente y reciénalcanzan la CMC a cierta temperatura que es la temperatura de Krafft, a partir de éstacomienzan a micelarse.Si representamos gráficamente la solubilidad en función de la temperatura podemosdeterminar la temperatura de Krafft. En la figura 6 se puede observar que la solubilidad delclorhidrato de lincomicina-2 palmitato se incrementa lentamente al aumentar latemperatura. Notamos un brusco cambio en la pendiente a 43ºC, éste es el punto de Kraffto Temperatura de Krafft, y el incremento de la solubilidad es debido a que sobrepasandoesta temperatura el fármaco se agrega en micelas. La solubilidad de los monómeros essiempre mucho menor que la de las micelas.

Figura 6. Aumento de la solubilidad de la lincomicina2-palmitato en la temperatura de Krafft.El pH también influye en la formación de micelas de principio activo. En el caso deuna prostaglandina a pH 5 – 5.2 la solubilidad experimental es mucho mayor que la teóricadebido a la formación de micelas a partir de este pH.A pH inferior a 5 las especies no ionizadas predominan y la prostaglandina es muypoco soluble en agua. A pH superior a 5 la proporción de especies ionizadas (los cualesson muy solubles en agua) aumenta y la solubilidad se incrementa hasta llegar a la CMC.Otro factor que influye en la micelación de principios activos es la adición deelectrólitos; estos disminuyen la solubilidad y producen enturbiamiento: Esto se debe a quela adición de iones a la disolución neutraliza parcialmente la carga eléctrica de las micelasaniónicas o catiónicas de los principios activos.Punto de enturbiamiento y separación de fasesCuando se calienta una solución de un tensiactivo no iónico, se enturbia adeterminada temperatura, llamada punto de enturbiamiento o “cloud point”. Porencima de esta temperatura la solución se separa en 2 fases; por debajo el tensioactivo sesolubiliza en micelas.

El punto de enturbiamiento se define como la temperatura por encima de lacual el tensioactivo precipita. Esto se debe a la deshidratación de las cabezas polaresdel mismo, que disminuye su hidrofília y su HLB. Al ser el tensioactivo cada vez menoshidrófilo, aumenta la tendencia a la agregación. Las micelas aumentan de tamaño y sedeshidratan hasta un punto donde son demasiado lipófilas y precipitan.El punto de enturbiamiento de los tensiactivos es muy importante en la formulación desuspensiones y emulsiones, y en la solubilización de principios activos: debe ser alto paraevitar la precipitación del tensioactivo a la temperatura a la cual se prepara la dispersión. Lapresencia de principios activos, aditivos y electrolitos puede disminuir el punto deenturbiamiento. Por ejemplo: el sorbitol al 25 % reduce el punto de enturbiamiento deltween 80 de 83º C a 64 º C.-