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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.-
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