Microencapsulamiento

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La microencapsulación es un proceso en el que pequeñas partículas o gotitas se rodean con un recubrimiento para dar pequeñas cápsulas con propiedades útiles. En general, se utiliza para incorporar ingredientes alimentarios , enzimas , células u otros materiales a escala micrométrica . La microencapsulación también se puede utilizar para encerrar sólidos , líquidos o gases dentro de una pared micrométrica hecha de película soluble dura o blanda , con el fin de reducir la frecuencia de dosificación y prevenir la degradación de los productos farmacéuticos . ^[1]

En su forma más simple, una microcápsula es una pequeña esfera que comprende una pared casi uniforme que encierra algún material. El material encerrado en la microcápsula se denomina núcleo, fase interna o relleno, mientras que la pared a veces se denomina caparazón, revestimiento o membrana. Algunos materiales como lípidos y polímeros , como el alginato , pueden usarse como mezcla para atrapar el material de interés en el interior. La mayoría de las microcápsulas tienen poros con diámetros entre unos pocos nanómetros y unos pocos micrómetros. Los materiales de revestimiento generalmente utilizados para el revestimiento son:

• Etilcelulosa
• Alcohol de polivinilo
• Gelatina
• Alginato de sodio

La definición se ha ampliado e incluye la mayoría de los alimentos, donde la encapsulación de sabores es la más común. La técnica de microencapsulación depende de las propiedades físicas y químicas del material a encapsular.

Sin embargo, muchas microcápsulas se parecen poco a estas simples esferas. El núcleo puede ser un cristal , una partícula adsorbente dentada , una emulsión , una emulsión de Pickering , una suspensión de sólidos o una suspensión de microcápsulas más pequeñas. La microcápsula incluso puede tener múltiples paredes.

Definición IUPAC

Microcápsula : micropartícula hueca compuesta por una capa sólida que rodea un
espacio de formación de núcleos disponible para sustancias atrapadas de forma permanente o temporal.

Nota : Las sustancias pueden ser compuestos aromatizantes, productos farmacéuticos, pesticidas, tintes o materiales similares.

Razones para la encapsulación

Las razones de la microencapsulación son numerosas. Se utiliza principalmente para aumentar la estabilidad y la vida útil del producto que se encapsula, facilitar la manipulación del producto y proporcionar la liberación controlada del contenido. En algunos casos, el núcleo debe aislarse de su entorno, como aislar las vitaminas de los efectos de deterioro del oxígeno , retardar la evaporación de un núcleo volátil , mejorar las propiedades de manipulación de un material pegajoso o aislar un núcleo reactivo del ataque químico. En otros casos, el objetivo no es aislar el núcleo por completo, sino controlar la velocidad a la que libera el contenido, como en la liberación controlada de medicamentos o plaguicidas.. El problema puede ser tan simple como enmascarar el sabor u olor del núcleo, o tan complejo como aumentar la selectividad de un proceso de adsorción o extracción . En la ciencia ambiental , un pesticida puede estar microencapsulado para minimizar los riesgos de lixiviación o volatilización. ^[2]

Técnicas de fabricación de microcápsulas

Métodos físicos

Recubrimiento de sartén

Este proceso, ampliamente utilizado en la industria farmacéutica , es el procedimiento industrial más antiguo para formar pequeñas partículas o tabletas recubiertas. Las partículas se caen en una cacerola u otro dispositivo.

Extrusión centrífuga

Los líquidos se encapsulan mediante un cabezal giratorio que contiene boquillas concéntricas. En este proceso, un chorro de líquido del núcleo está rodeado por una capa de solución de pared o masa fundida.

Boquilla vibratoria

La encapsulación de núcleo-capa o microgranulación (encapsulación de matriz) se puede realizar utilizando un flujo laminar a través de una boquilla y una vibración adicional de la boquilla o del líquido. La vibración debe hacerse en resonancia con la inestabilidad de Rayleigh y produce gotas muy uniformes. El líquido puede consistir en cualquier líquido con viscosidades limitadas (se ha demostrado que funcionan 0-10.000 mPa · s), por ejemplo, soluciones, emulsiones, suspensiones, fundidos, etc. La solidificación se puede realizar de acuerdo con el sistema de gelificación utilizado con una gelificación interna ( p. ej. procesamiento sol-gel, fundido) o externo (sistema aglutinante adicional, p. ej. en una suspensión). El proceso funciona muy bien para generar gotas de entre 20 y 10.000  μm (0,79 a 393,70 milésimas de pulgada)); Se conocen aplicaciones para gotitas más pequeñas y más grandes. Las unidades se implementan en industrias e investigación principalmente con capacidades de 1 a 20 000 kg por hora (2 a 44 000 lb / h) a temperaturas de trabajo de 20 a 1500 ° C (68 a 2732 ° F), o temperatura ambiente hasta la de silicio fundido. Los cabezales están disponibles desde uno hasta varios cientos de miles de boquillas.

Secado por aspersión

El secado por pulverización sirve como una técnica de microencapsulación cuando un material activo se disuelve o suspende en una solución de polímero o fundido y queda atrapado en la partícula seca. Las principales ventajas son la capacidad de manipular materiales lábiles debido al corto tiempo de contacto en el secador y la operación es económica. En los secadores por pulverización modernos, la viscosidad de las soluciones a pulverizar puede alcanzar los 300 mPa · s. Aplicando esta técnica, junto con el uso de dióxido de carbono supercrítico , se pueden encapsular materiales sensibles como proteínas.

Métodos fisicoquímicos

Gelificación ionotrópica

La gelificación ionotrópica ocurre cuando unidades de ácido úrico en las cadenas del polímero alginato , se reticulan con cationes multivalentes. Estos pueden incluir calcio, zinc, hierro y aluminio.

Separación de la fase de coacervación

La separación de la fase de coacervación consta de tres pasos que se llevan a cabo bajo agitación continua.

1. Formación de tres fases químicas inmiscibles: fase de vehículo de fabricación líquida, fase de material del núcleo y fase de material de recubrimiento.
2. Deposición del revestimiento: el material del núcleo se dispersa en la solución de polímero de revestimiento. Recubrimiento de material polimérico recubierto alrededor del núcleo. Deposición de recubrimiento de polímero líquido alrededor del núcleo por polímero adsorbido en la interfaz formada entre el material del núcleo y la fase del vehículo.
3. Rigidización del revestimiento: el material de revestimiento es inmiscible en la fase vehículo y se hace rígido. Esto se realiza mediante técnicas térmicas, de reticulación o de disolución.

Metodos quimicos

Policondensación interfacial

En la policondensación interfacial, los dos reactivos en una policondensación se encuentran en una interfaz y reaccionan rápidamente. La base de este método es la reacción clásica de Schotten-Baumann entre un cloruro de ácido y un compuesto que contiene un átomo de hidrógeno activo, como una amina o alcohol , poliésteres , poliurea , poliuretano . En las condiciones adecuadas, se forman rápidamente paredes delgadas y flexibles en la interfaz. Se emulsiona una solución del pesticida y un cloruro de diácido en agua y una solución acuosa que contiene una amina y un isocianato polifuncional.está agregado. La base está presente para neutralizar el ácido formado durante la reacción. Las paredes de polímero condensado se forman instantáneamente en la interfaz de las gotitas de emulsión.

Reticulación interfacial

La reticulación interfacial se deriva de la policondensación interfacial y se desarrolló para evitar el uso de diaminas tóxicas, para aplicaciones farmacéuticas o cosméticas. En este método, el pequeño monómero bifuncional que contiene átomos de hidrógeno activo se reemplaza por un polímero de origen biológico, como una proteína. Cuando la reacción se realiza en la interfase de una emulsión, el cloruro de ácido reacciona con los diversos grupos funcionales de la proteína, dando lugar a la formación de una membrana. El método es muy versátil y las propiedades de las microcápsulas (tamaño, porosidad, degradabilidad, resistencia mecánica) se pueden personalizar. Flujo de microcápsulas artificiales en canales microfluídicos:

Polimerización in situ

En algunos procesos de microencapsulación, la polimerización directa de un solo monómero se lleva a cabo en la superficie de la partícula. En un proceso, por ejemplo, las fibras de celulosa se encapsulan en polietileno mientras se sumergen en tolueno seco . Las velocidades de deposición habituales son de aproximadamente 0,5 μm / min. El espesor del recubrimiento varía de 0,2 a 75 μm (0,0079 a 2,928 milésimas de pulgada). El recubrimiento es uniforme, incluso sobre proyecciones nítidas. Las microcápsulas de proteínas son biocompatibles y biodegradables , y la presencia del esqueleto proteico hace que la membrana sea más resistente y elástica que las obtenidas por policondensación interfacial.

Polimerización matricial

En varios procesos, se incrusta un material de núcleo en una matriz polimérica durante la formación de las partículas. Un método sencillo de este tipo es el secado por pulverización, en el que la partícula se forma por evaporación del disolvente del material de la matriz. Sin embargo, la solidificación de la matriz también puede deberse a un cambio químico.

Métodos y patrones de liberación

Incluso cuando el objetivo de una aplicación de microencapsulación es el aislamiento del núcleo de su entorno, la pared debe romperse en el momento del uso. Muchas paredes se rompen fácilmente por la presión o el esfuerzo cortante, como en el caso de romper partículas de tinte durante la escritura para formar una copia. El contenido de la cápsula puede liberarse fundiendo la pared o disolviéndola en condiciones particulares, como en el caso de un recubrimiento de fármaco entérico . ^[3] En otros sistemas, la pared se rompe por la acción del disolvente, el ataque enzimático , la reacción química, la hidrólisis o la desintegración lenta.

La microencapsulación se puede utilizar para retardar la liberación de un fármaco en el cuerpo. Esto puede permitir que una dosis de liberación controlada sustituya a varias dosis de fármaco no encapsulado y también puede reducir los efectos secundarios tóxicos de algunos fármacos al prevenir concentraciones iniciales altas en la sangre. Por lo general, existe un cierto patrón de liberación deseado. En algunos casos, es de orden cero, es decir, la tasa de liberación es constante. En este caso, las microcápsulas administran una cantidad fija de fármaco por minuto u hora durante el período de su eficacia. Esto puede ocurrir siempre que se mantenga un depósito sólido o un fármaco en disolución en la microcápsula.

Un patrón de liberación más típico es el de primer orden en el que la velocidad disminuye exponencialmente con el tiempo hasta que se agota la fuente de fármaco. En esta situación, hay una cantidad fija de fármaco en solución dentro de la microcápsula. La diferencia de concentración entre el interior y el exterior de la cápsula disminuye continuamente a medida que el fármaco se difunde.

Sin embargo, existen algunos otros mecanismos que pueden tener lugar en la liberación del material encapsulado. Estos incluyen, biodegradación, presión osmótica, difusión, etc. Cada uno dependerá de la composición de la cápsula elaborada y del entorno en el que se encuentre. Por tanto, la liberación del material puede verse afectada por diversos mecanismos que actúan simultáneamente. ^[4]

Aplicaciones

Las aplicaciones de la microencapsulación son numerosas. Los que se mencionan a continuación son algunos de los más comunes.

• Adhesivos
• Recubrimientos anticorrosivos
• Papel autocopiativo
• E-paper o e-ink
• Aceites esenciales , aromas y otros bioactivos volátiles para alimentos o aditivos para piensos
• Plaguicidas ^[5]
• Productos farmacéuticos , moléculas pequeñas y recientemente también péptidos y proteínas pequeñas para administración oral o sublingual.
• Materiales de cambio de fase
• Perfume en polvo
• Rasca y huele
• Material autorreparable , como plásticos novedosos, que pueden reparar automáticamente los daños:
• Textiles
• Liberación de temperatura (liberación controlada) en horneado
• Colorantes termocrómicos
• Tecnología de liberación prolongada para productos farmacéuticos
• Indicadores visuales
• Recubrimientos autocurativos
• Protección del ADN contra la degradación para el rastreo de productos ^[6] y el almacenamiento de datos ^[7]
• Protección de compuestos bioactivos que se degradan fácilmente en condiciones ambientales normales. ^[8]

Referencias

1. Singh, MN; Hemant, KS; Ram, M; Shivakumar, HG (2010). "Microencapsulación: una técnica prometedora para la administración controlada de fármacos" . Investigación en Ciencias Farmacéuticas . 5 (2): 65–77. PMC  3093624 . PMID  21589795 .
2. Mervosh, TL; EW Stoller; FW Simmons; TR Ellsworth; GK Sims (1995). "Efectos de la encapsulación del almidón sobre el movimiento de la clomazona y atrazina en el suelo y la volatilización de la clomazona". Ciencia de la marihuana . 43 (3): 445–453. doi : 10.1017 / S0043174500081455 .
3. "Diccionario médico: recubrimiento entérico" . Freedictionary.com . Consultado el 9 de febrero de 2009 .
4. Barba, AA; d'Amore, M .; Chirico, S .; Lamberti, G .; Titomalino, G. (2009). "Un código general para predecir la cinética de liberación de fármacos a partir de matrices de diferentes formas". Revista europea de ciencias farmacéuticas . 36 (2–3): 359–368. doi : 10.1016 / j.ejps.2008.10.006 . PMID 19022380 . 
5. Hedaoo, Rahul K .; et al. (2014). "Fabricación de microcápsulas de poliurea nuevas Core-Shell utilizando trímero de diisocianato de isoforona (IPDI) para el sistema de liberación". Revista internacional de materiales poliméricos y biomateriales poliméricos . 63 (7): 352–360. doi : 10.1080 / 00914037.2013.845191 .
6. Puddu, M .; Paunescu, D .; Stark, WJ; Grass, Enfermera registrada (2014). "Encapsulados de ADN / sílice hidrofóbicos, termoestables, recuperables magnéticamente y su aplicación como etiquetas de aceite invisibles". ACS Nano . 8 (3): 2677–2685. doi : 10.1021 / nn4063853 . PMID 24568212 . 
7. Hierba, RN; Heckel, R .; Puddu, M .; Paunescu, D .; Stark, WJ (2015). "Preservación química robusta de información digital sobre ADN en sílice con códigos de corrección de errores". Angewandte Chemie International Edition . 54 (8): 2552-2555. doi : 10.1002 / anie.201411378 . PMID 25650567 . 
8. Aizpurua-Olaizola, Oier; Navarro, Patricia; Vallejo, Asier; Olivares, Maitane; Etxebarria, Nestor; Usobiaga, Aresatz (1 de enero de 2016). "Microencapsulación y estabilidad en almacenamiento de polifenoles de residuos de uva Vitis vinifera". Química de los alimentos . 190 : 614–621. doi : 10.1016 / j.foodchem.2015.05.117 . PMID 26213018 . 

Bibliografía

• Prakash, S. et al. "La microbiota intestinal y la salud humana con énfasis en el uso de células bacterianas microencapsuladas", Revista de Biomedicina y Biotecnología (2011) ,
• Brandau, T (2002). "Preparación de microcápsulas monodispersas de liberación controlada". En t. J. Pharm . 242 (1–2): 179–184. doi : 10.1016 / S0378-5173 (02) 00151-5 . PMID  12176243 .

enlaces externos

• Instituto de Investigaciones del Suroeste