Mikroemulsionen

Mikroemulsionen

Emulsionen sind Mischungen aus Fett und Wasser, die durch Emulgatoren, für eine gewisse Zeit stabilisiert werden. Hier geht es um Mikroemulsionen, die eine Sonderform darstellen.

Definition und Eigenschaften

 1943 beschrieben HOAR & SCHULMAN  erstmals die Bildung stabiler, optisch klarer, flüssiger Systeme nach Zugabe eines Alkohols zu einer definierten Mischung aus Wasser, Öl und einer Seife – Der Begriff Mikroemulsionen war allerdings noch nicht geprägt.

1959 prägten SCHULMAN et al. dann die Bezeichnung Mikroemulsion für derartige Systeme. Mikroemulsionen bestehen aus zwei, in den verwendeten Konzentrationen nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, meistens Wasser und Öl, mindestens einem Tensid und häufig einem Cotensid. Zu ihren charakteristischen Eigenschaften zählen eine homogene, räumliche Struktur (Isotropie), Transparenz oder schwache Opaleszenz, thermodynamische Stabilität und eine niedrige Viskosität.

Von den klassischen Emulsionen (Makroemulsionen) unterscheiden sie sich durch ihre sehr geringe Tröpfchengröße zwischen 10 und 200 nm. Mikroemulsionen sind praktisch ewig stabil und es handelt sich um eine Lösung.

Wie bei den Makroemulsionen können in  Abhängigkeit vom Verhältnis der Wasser- zur  Ölphase auch O/W- oder W/O-Mikroemulsionen entstehen.

Bildung von Mikroemulsionen

Eine minimale Grenzflächenspannung ist die Voraussetzung für das Entstehen thermodynamisch stabiler Systeme. Das kann nur erzielt werden, wenn die positive Grenzflächenenergie zwischen zwei Phasen durch die negative freie Energie während des Mischens der Bestandteile kompensiert wird. Ein zugesetzter Emulgator bewirkt durch Anlagerung an der Grenzfläche Öl-Wasser eine Erniedrigung der Grenzflächenspannung. Nur wenige Tenside sind jedoch allein in der Lage, diese bis auf das zur Mikroemulsionsbildung nötige Minimum abzusenken. Das ist häufig erst durch Zusatz eines Cotensids möglich. Dazu ein zweites, nichtionisches Tensid, das sich vom ersten im HLB-Wert unterscheidet, eingesetzt. Das Cotensid penetriert zwischen die Tensidmoleküle, die die Tröpfchen der inneren Phase in monomolekularer Schicht umgeben. Dadurch verändert sich die geometrische Packung der Schicht und somit auch ihre Krümmung. Die Grenzfläche vergrößert sich und der Dispersionsgrad der Tröpfchen steigt. Zusätzlich muss jedoch berücksichtigt werden, dass auch Moleküle der Ölphase in die Tensidschicht penetrieren können und somit die Ausbildung der Grenzfläche beeinflussen.

Die Frage, ob die Bildung von Mikroemulsionen von der Art der Herstellung abhängt, wird noch intensiv diskutiert. Während vieles für einem rein thermodynamisch getriebenen Prozess spricht, glauben ROSANO et al., dass die Bildung von Mikroemulsionen von der Reihenfolge der Komponentenzugabe beeinflusst wird.

Die Auswahl des Emulgators entscheidet maßgeblich darüber, ob sich Mikroemulsionen vom Typ O/W oder W/O bilden. Liegt der HLB-Wert  im Bereich zwischen vier und sieben, bilden sich W/O-Mikroemulsionen, bei größeren Werten zwischen neun und zwanzig entstehen O/W-Systeme. Da die Eigenschaften der Emulgatoren von der Temperatur abhängig sind, beeinflusst deren Veränderung auch das mizellare Verhalten des Tensids. Bei Temperaturerhöhung können die Wechselwirkungen eines hydrophilen Tensids soweit abnehmen, dass eine Phasenumkehr von O/W- zum W/O-System eintritt. Der Emulgator wird zusehends hydrophober und bildet eine W/O-Mikroemulsion aus. Dieser Umschlagspunkt wird als phaseninversionstemperatur bezeichnet. Charakteristisch für Mikroemulsionen ist eine Umkehrbarkeit derartigen Temperaturverhaltens.

Wir fokussieren uns auf PEG-freie Mikroemulsionssysteme und nutzen hierfür langkettige Polyglycerin-Emulgatoren. Diese weisen eine bessere Hautverträglichkeit auf und spiegeln die Anforderungen an moderne Kosmetika in idealerweise wieder.

Quellen:

• Dissertation Sylvia Annett Krause (Kapitel 3 Mikroemulsionen – Theorie und pharmazeutische Anwendung)
• Attwood, D.: Microemulsions. In: Kreuter, J. (Hrsg.): Colloidal drug delivery systems. Marcel Dekker, New York, Basel, Hong Kong 1994
• Dörfler, H.-D.: Grenzflächen- und Kolloidchemie. VCH Verlagsgesellschaft mbH Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Tokyo 1994
• Rosano, H.L., Cavallo, J.L., Chang D.L., Whittam, J.H.: Microemulsions: A commentary on their preparation. J. Soc. Cosmet. Chem. 39 (1988) 201-209
• Solans, C., Garcia-Celma, M.J.: Surfactants for microemulsions. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2 (1997) 464-471