ESTABILIDAD DE LAS DISPERSIONES COLOIDALES

TEORA DLVO

Las partculas coloidales estn sometidas a fuerzas de atraccin y repulsin, y existe

un balance entre dichas fuerzas.

El movimiento Browniano produce colisin entre las partculas y si las fuerzas de

atraccin predominan, las partculas se aglomeran despus de la colisin. En caso

contrario, si las fuerzas de repulsin predominan las partculas permanecen separadas

despus de la colisin. Las fuerzas de atraccin son las de Van der Waals, en tanto que las

fuerzas de repulsin provienen de la interaccin entre las dobles capas elctricas que

rodean a las partculas.

En la figura 1 se representan las energas potenciales de atraccin VA y de repulsin

VR en funcin de la distancia entre las partculas cargadas. De acuerdo con la teora DLVO

(Deryaguin-Landau-Verwey-Oberbeek), la curva que representa la energa total de

interaccin entre partculas coloidales VT (curva continua) es la suma de las curvas de

atraccin VA y repulsin VR.

VT = VA + VR

Esta curva corresponde a un ecuacin de tipo exponencial porque la fuerza de

repulsin es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y la fuerza de atraccin

es tambin funcin de la inversa de la distancia, pero elevada sta a un exponente siempre

mayor que dos.

En la figura 1 se observa que cuando las partculas se aproximan desde la distancia e

hasta la distancia b deben superar un mximo de repulsin Vm antes de alcanzar el

mnimo de atraccin Vp donde la coagulacin es irreversible. La altura de ese mximo Vm

define la estabilidad del sistema que corresponde a un potencial Z aproximado de 50 mV,

de esta forma el sistema se puede considerar estable. La coagulacin en el mnimo

secundario VS es dbil y reversible porque la energa trmica de partculas muy pequeas

es del mismo orden de magnitud que la energa de este mnimo, y el movimiento

Browniano es suficiente para desagregar las partculas. La tabla I resume el efecto de las

curvas VA y VR de la figura 1 en la energa total VT y su incidencia en la estabilidad.

Figura 1

TEORA DLVO: Efecto neto de las energas de atraccin y repulsin en la estabilidad de las

partculas coloidales

Tabla I.

COLOIDES DE ASOCIACIN

El diagrama ternario obtenido por mezcla de agua, aceite y tensioactivo, muestra que

para cierta proporcin de estos tres elementos se obtienen soluciones micelares. Son

soluciones lmpidas y termodinmicamente estables.

En estos sistemas ternarios es elevada la cantidad de agua, baja la de aceite,

adecuada la concentracin de tensioactivo que permite solubilizar el aceite en el agua.

Esta solubilizacin se explica por la formacin de micelas de tensioactivo en el agua.

Cuando se preparan soluciones de concentracin creciente de un tensioactivo de

predominio hidroflico (HLB elevado), a partir de cierta concentracin, llamada CMC

(concentracin micelar crtica), las molculas se agrupan en forma de micelas; se producen

cambios en las propiedades fsicas de la solucin, que indican que se ha alcanzado dicha

concentracin.

Los tensioactivos tienden a concentrarse en la interfase alterando por lo tanto la

energa libre de la superficie, de tal manera que la tensin superficial se reduce

considerablemente.

Las micelas pueden estar integradas por un nmero n de molculas, el tamao es

variable y depende de la naturaleza del tensioactivo, de la concentracin, de la temperatura

y de iones presentes. Estas soluciones micelares son dinmicas, las molculas son objeto

de continuas reestructuraciones.

La solubilizacin de productos hidrfobos se debe a una insercin de sus molculas

en las micelas de tensioactivo, lo cual puede ocurrir a diferentes niveles:

Insercin a nivel profundo: ocurre con productos no polares, hidrocarburos (Fig. 2.

A).

Insercin menos profundo: se produce con sustancias polares o muy polares,

alcoholes y cidos grasos (Fig.2. B y C).

Insercin en superficie: por ejemplo, ftalato de metilo (Fig. 2. D).

Insercinen cadenas de xido de etileno: por ejemplo, tensioactivos

polioxietilenados (Fig. 2. E).

Figura 2. Insercin de MIcelas

La solubilizacin micelar es empleada en Farmacia. As, se lleva a cabo

solubilizaciones acuosas de yodo, antispticos fenlicos, hormonas esteroides, vitaminas

liposolubles, antibiticos, sulfamidas, barbitricos y aceites esenciales.

Los tensioactivos se agregan a partir de una determinada concentracin (CMC),

dando lugar a partculas de tamao coloidal, con dimetro equivalente en los lmites de 30-

100 o sea de dimensiones coloidales por eso se los denomina coloides de asociacin.

En la disolucin las micelas estn en equilibrio con molculas de tensioactivo aisladas

que se llaman monmeros. El nmero de agregacin n es el nmero de molculas de

tensioactivo (monmero) presentes en una micela.

Los tensioactivos inicos se disocian en solucin acuosa y forman micelas inicas,

cuyas cabezas hidroflicas (orientadas al agua) poseen una carga neta negativa o positiva.

La figura 3 muestra el esquema de un tensioactivo aninico: algunos contraiones se

sitan en la vecindad de las cabezas polares, formando la capa de Stern. Se puede observar

que los contraiones no neutralizan totalmente la carga de la micela, que en este caso es

negativa (- 6 + 3 = - 3). Alrededor de las micelas inicas existe la doble capa elctrica difusa,

igual que en las partculas coloidales cargadas.

Figura 3.

a. Micela aninica donde S es la capa de Stern b. Micela no inica donde la

polaridad aumenta desde el centro (zona clara) a la periferia (zona oscura).

La facilidad de formar micelas depende del tensioactivo y decrece en el siguiente

orden: no inico > anftero > inico.

Las micelas no son agrupados estticos, se disocian, se reagrupan, se disocian

nuevamente con gran rapidez. Los tensioactivos no inicos forman micelas ms grandes.

Las micelas no inicas estn formadas por una parte central donde se sitan las

cadenas de hidrocarburos no polares, y una capa formada por cadenas de polioxietileno

largas y flexibles Figura 3. El manto polar interacciona con el agua y, en consecuencia, las

micelas estn muy hidratadas. La deshidratacin por elevacin de la temperatura produce la

precipitacin del tensioactivo enturbiando la disolucin. El amplio manto de hidratacin

proporciona un lugar de solubilizacin para muchos compuestos.

En lquidos no polares, los tensioactivos pueden formar micelas invertidas, donde las

cabezas 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 monosteres del

sorbitano, cuando se dispersan en aceites u otros lquidos no polares.

Las micelas formadas en soluciones diluidas de tensioactivo son aproximadamente

esfricas. Al aumentar la concentracin de tensioactivo las micelas aumentan de tamao.

Siendo demasiado grandes para conservar la forma esfrica, adoptan estructura elipsoidal,

cilndricas y finalmente laminares. Figura 4.

Figura 4.

Micelas: a. esfrica b. cilndrica c. Laminar

Estas fases afectan a la viscosidad y a la reologa de la formulacin, as como a la

solubilidad del principio activo.

Los tensioactivos son molculas que tienen una parte polar (cabeza hidroflica) y otra

no polar (cola hidrfoba) y tienen por ello afinidad tanto por el agua como por el aceite. Son

activos sobre la tensin superficial y tienden a acumularse en la superficie o en la interfase

aceite, agua. Este fenmeno se conoce como adsorcin de interfases lquidas, de este modo

la energa interfsica y la energa libre de la interfase disminuyen.

La figura 5 muestra la accin de un tensioactivo sobre la tensin superficial (). Al

aumentar la concentracin de tensioactivo en agua, la tensin superficial disminuye (lnea

AB) debido a que las molculas se adsorben en la superficie del agua.

Al agregar ms tensioactivo se alcanza el punto B donde las molculas estn

totalmente empaquetadas en la superficie, de forma totalmente vertical, con la parte

hidroflica orientada hacia el agua y la parte lipoflica hacia el aire. Si se continua agregando

tensioactivo, no caben ms molculas en la superficie, y se agregan en estructuras

denominadas micelas; la tensin superficial no disminuye ms y permanece

aproximadamente constante ( lnea horizontal BC).La concentracin a la que comienza la

formacin de micelas (punto B) se llama Concentracin Micelar Crtica (CMC).

Para que una molcula sea tensioactivo su

afinidad por la interfase debe ser mayor que su

afinidad por el interior del lquido, es decir, el

nmero de molculas debe ser mayor en la

superficie que en la disolucin como se observa

en la figura 5.

Figura 5. Relacin entre la tensin superficial y el logaritmo de la concentracin .a. Tensioactivo b. Molculas sin capacidad tensioactiva c. Comparacin del rea que ocupa una molcula en la superficie en posicin vertical (A1) y horizontal (A2).

La cantidad de tensioactivo que se adsorbe en la interfase es fundamental para la

estabilidad de los sistemas dispersos y se calcula mediante la ecuacin de Gibbs:

= concentracin de tensioactivo adsorbido en la interfase (moles /cm) en exceso respecto

a la que existe en el lquido.

R = constante de los gases.

T = temperatura absoluta.

= tensin superficial.

lnc = logaritmo de la concentracin de tensioactivo.

La ecuacin de Gibbs sirve para deducir si un compuesto es tensioactivo. Si el valor

de es positivo las molculas tienden a acumularse en la superficie y el compuesto es

tensioactivo. Para que sea positivo, el signo de la pendiente de la ecuacin de Gibbs (d

/dlnc) debe ser negativo, como se ve en la figura 5. Si el signo de la pendiente es 0 o

positivo, sera negativo, o sea que las molculas no son tensioactivas; por lo tanto su

afinidad es mayor por el lquido que por la superficie (permanecen en la disolucin).

Caractersticas de un tensioactivo

Es soluble al menos en una de las fases del sistema.

La concentracin en la interfase es mayor que la disuelta en el lquido.

Forma una capa monomolecular en la interfase.

Forma micelas a una determinada concentracin (CMC).

Posee alguna de las siguientes propiedades: detergencia, poder espumgeno,

humectante, emulgente, solubilizante o dispersante.

Temperatura de Krafft y agregacin de principios activos

Adems de los tensioactivos hay ciertos principios activos que son anfiflicos, poseen

en su molcula una porcin hidrfila y otra hidrfoba; tienen propiedades tensioctivas, se

agregan formando micelas.

La micelacin de estos principios activos es de importancia en la formulacin de

formas farmacuticas lquidas, porque va seguida de un aumento importante en la

solubilidad del frmaco.

La micelacin se puede observar representando grficamente la tensin superficial en

funcin de la concentracin de principio activo observando si hay un cambio brusco en la

pendiente similar a la figura 5.

En muchos casos la micelacin depende de la temperatura. Al igual que en los

tensioactivos la formacin de micelas comienza en la CMC (concentracin micelar crtica).

Algunos principios activos son poco solubles en agua a temperatura ambiente y recin

alcanzan la CMC a cierta temperatura que es la temperatura de Krafft, a partir de sta

comienzan a micelarse.

Si representamos grficamente la solubilidad en funcin de la temperatura podemos

determinar la temperatura de Krafft. En la figura 6 se puede observar que la solubilidad del

clorhidrato de lincomicina-2 palmitato se incrementa lentamente al aumentar la

temperatura. Notamos un brusco cambio en la pendiente a 43C, ste es el punto de Krafft

o Temperatura de Krafft, y el incremento de la solubilidad es debido a que sobrepasando

esta temperatura el frmaco se agrega en micelas. La solubilidad de los monmeros es

siempre mucho menor que la de las micelas.

Figura 6. Aumento de la solubilidad de la lincomicina 2-palmitato en la temperatura de Krafft.

El pH tambin influye en la formacin de micelas de principio activo. En el caso de

una prostaglandina a pH 5 5.2 la solubilidad experimental es mucho mayor que la terica

debido a la formacin de micelas a partir de este pH.

A pH inferior a 5 las especies no ionizadas predominan y la prostaglandina es muy

poco soluble en agua. A pH superior a 5 la proporcin de especies ionizadas (los cuales

son muy solubles en agua) aumenta y la solubilidad se incrementa hasta llegar a la CMC.

Otro factor que influye en la micelacin de principios activos es la adicin de

electrlitos; estos disminuyen la solubilidad y producen enturbiamiento: Esto se debe a que

la adicin de iones a la disolucin neutraliza parcialmente la carga elctrica de las micelas

aninicas o catinicas de los principios activos.

Punto de enturbiamiento y separacin de fases

Cuando se calienta una solucin de un tensiactivo no inico, se enturbia a

determinada temperatura, llamada punto de enturbiamiento o cloud point. Por

encima de esta temperatura la solucin se separa en 2 fases; por debajo el tensioactivo se

solubiliza en micelas.

El punto de enturbiamiento se define como la temperatura por encima de la

cual el tensioactivo precipita. Esto se debe a la deshidratacin de las cabezas polares

del mismo, que disminuye su hidroflia y su HLB. Al ser el tensioactivo cada vez menos

hidrfilo, aumenta la tendencia a la agregacin. Las micelas aumentan de tamao y se

deshidratan hasta un punto donde son demasiado lipfilas y precipitan.

El punto de enturbiamiento de los tensiactivos es muy importante en la formulacin de

suspensiones y emulsiones, y en la solubilizacin de principios activos: debe ser alto para

evitar la precipitacin del tensioactivo a la temperatura a la cual se prepara la dispersin. La

presencia de principios activos, aditivos y electrolitos puede disminuir el punto de

enturbiamiento. Por ejemplo: el sorbitol al 25 % reduce el punto de enturbiamiento del

tween 80 de 83 C a 64 C.-