Микрокапсулирование — это процесс, в котором крошечные частицы или капли окружаются покрытием, чтобы получить небольшие капсулы с полезными свойствами. [1] [2] В общем, он используется для включения пищевых ингредиентов , [3] ферментов , клеток или других материалов в микрометрическом масштабе. Микрокапсулирование также может использоваться для заключения твердых веществ , жидкостей или газов внутри микрометрической стенки, сделанной из твердой или мягкой растворимой пленки, чтобы уменьшить частоту дозирования и предотвратить деградацию фармацевтических препаратов . [4]
В своей простейшей форме микрокапсула представляет собой небольшую сферу, состоящую из почти однородной стенки, охватывающей некоторый материал. Заключенный в микрокапсуле материал называется ядром, внутренней фазой или наполнителем, тогда как стенку иногда называют оболочкой, покрытием или мембраной. Некоторые материалы, такие как липиды и полимеры , такие как альгинат , могут использоваться в качестве смеси для улавливания интересующего материала внутри. Большинство микрокапсул имеют поры с диаметрами от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Материалы, обычно используемые для покрытия:
Определение было расширено и включает большинство продуктов питания, где инкапсуляция ароматизаторов является наиболее распространенной. [5] Методика микрокапсуляции зависит от физических и химических свойств инкапсулируемого материала. [6]
Однако многие микрокапсулы мало похожи на эти простые сферы. Ядро может быть кристаллом , зубчатой частицей адсорбента , эмульсией , эмульсией Пикеринга , суспензией твердых веществ или суспензией более мелких микрокапсул. Микрокапсула может даже иметь несколько стенок.
Микрокапсула : полая микрочастица, состоящая из твердой оболочки, окружающей
ядрообразующее пространство, доступное для постоянно или временно захваченных веществ.Примечание : Веществами могут быть ароматизаторы, фармацевтические препараты, пестициды, красители или аналогичные материалы.
Ионотропное гелеобразование происходит, когда единицы мочевой кислоты в цепях полимерного альгината сшиваются с многовалентными катионами. К ним могут относиться кальций, цинк, железо и алюминий.
Коацервация – разделение фаз состоит из трех этапов, проводимых при непрерывном перемешивании.
В межфазной поликонденсации два реагента в поликонденсации встречаются на границе раздела и быстро реагируют. Основой этого метода является классическая реакция Шоттена-Баумана между хлорангидридом кислоты и соединением, содержащим активный атом водорода, таким как амин или спирт , полиэфиры , полимочевина , полиуретан . При правильных условиях на границе раздела быстро образуются тонкие гибкие стенки. Раствор пестицида и хлорангидрида дикислоты эмульгируют в воде, и добавляют водный раствор, содержащий амин и полифункциональный изоцианат . Основание присутствует для нейтрализации кислоты, образующейся во время реакции. Конденсированные полимерные стенки мгновенно образуются на границе раздела капель эмульсии.
Межфазная сшивка происходит от межфазной поликонденсации и была разработана, чтобы избежать использования токсичных диаминов для фармацевтических или косметических применений. В этом методе небольшой бифункциональный мономер, содержащий активные атомы водорода, заменяется полимером биологического происхождения, таким как белок. Когда реакция проводится на границе эмульсии, хлорангидрид реагирует с различными функциональными группами белка, что приводит к образованию мембраны. Метод очень универсален, и свойства микрокапсул (размер, пористость, разлагаемость, механическая прочность) могут быть настроены. Поток искусственных микрокапсул в микрофлюидных каналах:
В нескольких процессах микрокапсуляции прямая полимеризация одного мономера осуществляется на поверхности частицы. В одном процессе, например, целлюлозные волокна инкапсулируются в полиэтилен при погружении в сухой толуол . Обычные скорости осаждения составляют около 0,5 мкм/мин. Толщина покрытия составляет 0,2–75 мкм (0,0079–2,9528 мил). Покрытие однородное, даже на острых выступах. Белковые микрокапсулы биосовместимы и биоразлагаемы , а наличие белкового остова делает мембрану более устойчивой и эластичной, чем те, которые получены путем межфазной поликонденсации.
В ряде процессов материал ядра внедряется в полимерную матрицу во время формирования частиц. Простым методом такого типа является распылительная сушка, при которой частица формируется путем испарения растворителя из материала матрицы. Однако затвердевание матрицы также может быть вызвано химическим изменением.
Даже когда целью применения микрокапсулирования является изоляция ядра от его окружения, стенка должна быть разорвана во время использования. Многие стенки легко разрываются под давлением или сдвиговым напряжением , как в случае разрушения частиц красителя во время письма для формирования копии. Содержимое капсулы может быть высвобождено путем расплавления стенки или растворения ее при определенных условиях, как в случае энтеросолюбильного лекарственного покрытия . [7] В других системах стенка разрушается под действием растворителя, ферментативной атаки, химической реакции, гидролиза или медленного распада.
Микрокапсуляция может использоваться для замедления высвобождения препарата в организм. Это может позволить одной дозе контролируемого высвобождения заменить несколько доз неинкапсулированного препарата, а также может уменьшить токсические побочные эффекты некоторых препаратов, предотвращая высокие начальные концентрации в крови. Обычно существует определенный желаемый шаблон высвобождения. В некоторых случаях он является нулевым порядком, т. е. скорость высвобождения постоянна. В этом случае микрокапсулы доставляют фиксированное количество препарата в минуту или час в течение периода их эффективности. Это может происходить до тех пор, пока в микрокапсуле сохраняется твердый резервуар или растворяющееся лекарство.
Более типичным паттерном высвобождения является первый порядок, при котором скорость экспоненциально уменьшается со временем, пока источник препарата не будет исчерпан. В этой ситуации фиксированное количество препарата находится в растворе внутри микрокапсулы. Разница концентраций между внутренней и внешней частью капсулы непрерывно уменьшается по мере диффузии препарата.
Тем не менее, существуют и другие механизмы, которые могут иметь место при освобождении инкапсулированного материала. К ним относятся биодеградация, осмотическое давление, диффузия и т. д. Каждый из них будет зависеть от состава изготовленной капсулы и среды, в которой она находится. Поэтому на освобождение материала могут влиять различные механизмы, которые действуют одновременно. [8]
Применения микрокапсулирования многочисленны. В основном оно используется для повышения стабильности и срока службы инкапсулируемого продукта, облегчения манипуляций с продуктом и обеспечения контролируемого высвобождения содержимого.