Введение

Процесс, в котором крошечные частицы или капли окружены покрытием.

Микрокапсулирование – это процесс, при котором крошечные частицы или капли окружаются покрытием для получения небольших капсул с полезными свойствами. В общем случае, он используется для включения пищевых ингредиентов, ферментов, клеток или других материалов в микрометрическом масштабе. Микрокапсулирование также может применяться для заключения твердых веществ, жидкостей или газов внутри микрометрической оболочки, состоящей из твердой или мягкой растворимой пленки, с целью снижения частоты дозирования и предотвращения деградации фармацевтических препаратов. В своей простейшей форме микрокапсула представляет собой небольшую сферу, состоящую из почти однородной стенки, заключающей в себе определенный материал. Заключенный материал в микрокапсуле называется ядром, внутренней фазой или наполнителем, в то время как стенку иногда называют оболочкой, покрытием или мембраной. Некоторые материалы, такие как липиды и полимеры, например альгинат, могут использоваться в смеси для удержания целевого материала внутри. Большинство микрокапсул имеют поры диаметром от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Материалы, обычно используемые для покрытия:
Эти́лцеллюлоза
Поливиниловый спирт
Желатин
Алгинат натрия

Определение было расширено и включает в себя большинство пищевых продуктов, где инкапсулирование ароматизаторов является наиболее распространенным применением. Техника микрокапсулирования зависит от физических и химических свойств материала, подлежащего инкапсулированию. Однако многие микрокапсулы мало похожи на эти простые сферы. Ядро может представлять собой кристалл, неровную адсорбирующую частицу, эмульсию, эмульсию Пикеринга, суспензию твердых веществ или суспензию более мелких микрокапсул. Микрокапсула может даже иметь несколько оболочек.

Причины инкапсулирования

Причин для микрокапсулирования множество. В основном это делается для повышения стабильности и срока годности инкапсулируемого продукта, облегчения его обработки и обеспечения контролируемого высвобождения содержимого. В некоторых случаях необходимо изолировать активное вещество от окружающей среды, например, для защиты витаминов от воздействия кислорода, замедления испарения летучих компонентов, улучшения технологических свойств липких материалов или предотвращения химического воздействия на реактивные вещества. В других случаях цель состоит не в полной изоляции, а в контроле скорости высвобождения содержимого, как, например, при контролируемом высвобождении лекарственных препаратов или пестицидов. Задача может быть простой – маскировка вкуса или запаха активного вещества, или сложной – повышение селективности процессов адсорбции или экстракции. В области экологических наук микрокапсулирование пестицидов позволяет минимизировать риски вымывания и испарения. Даже микрокапсулированные самовосстанавливающиеся агенты находят практическое применение при создании самовосстанавливающихся полимерных покрытий.

Ионотропная желядь

Ионотропная гелизация происходит, когда звенья мочевой кислоты в цепях полимера альгината сшиваются с многовалентными катионами. К ним могут относиться кальций, цинк, железо и алюминий.

Коацервация-фаза разделения

Фазовое разделение коацервации состоит из трех этапов, выполняемых при непрерывном перемешивании. Формирование трех несмешивающихся химических фаз: жидкая дисперсионная среда, фаза основного вещества и фаза материала оболочки. Нанесение оболочки: основное вещество диспергируется в полимерном растворе для оболочки. Материал оболочки покрывает основное вещество. Нанесение жидкой полимерной оболочки вокруг основного вещества путем адсорбции полимера на границе между основным веществом и дисперсионной средой. Упрочнение оболочки: материал оболочки несмешивается с дисперсионной средой и становится твердым. Это достигается с помощью термической обработки, сшивания или методов растворения.

Поликонденсация интерфейса

При межфазной поликонденсации два реагента для поликонденсации встречаются на границе раздела фаз и быстро реагируют. В основе этого метода лежит классическая реакция Шоттена — Баумана между хлорангидридом кислоты и соединением, содержащим активный атом водорода, таким как амин или спирт, полиэстеры, полимочевины, полиуретаны. При подходящих условиях на границе раздела фаз быстро формируются тонкие гибкие стенки. Раствор пестицида и дихлорангидрид кислоты эмульгируют в воде, а затем добавляют водный раствор, содержащий амин и полифункциональный изоцианат. Основание присутствует для нейтрализации кислоты, образующейся в ходе реакции. Стенки из конденсированного полимера мгновенно формируются на границе эмульсионных капель.

Интерфейсная перекрестная связь

Интерфейсная сшивка является развитием интерфейсной поликонденсации и была разработана для исключения использования токсичных диаминов в фармацевтических или косметических целях. В этом методе небольшой бифункциональный мономер, содержащий активные атомы водорода, заменяется биополимером, например, белком. При проведении реакции на границе эмульсии, хлорангидрид реагирует с различными функциональными группами белка, что приводит к формированию мембраны. Метод отличается высокой универсальностью, и свойства микрокапсул (размер, пористость, деградируемость, механическая прочность) могут быть адаптированы под конкретные нужды. Движение искусственных микрокапсул в микрофлюидных каналах:

Полимеризация in situ

В некоторых процессах микрокапсулирования прямая полимеризация одного мономера осуществляется непосредственно на поверхности частицы. В одном из процессов, например, целлюлозные волокна инкапсулируются в полиэтилен при погружении в сухой толуол. Типичные скорости нанесения покрытия составляют около 0,5 мкм/мин. Толщина покрытия может варьироваться. Покрытие равномерное, даже на острых выступах. Протеиновые микрокапсулы биосовместимы и биоразлагаемы, а наличие белковой матрицы обеспечивает большую прочность и эластичность мембраны по сравнению с мембранами, полученными методом межфазной поликонденсации.

Полимеризация матрицы

В ряде процессов, основной материал внедряется в полимерную матрицу в процессе формирования частиц. Простой метод такого типа – распылительная сушка, при которой частица формируется за счет испарения растворителя из материала матрицы. Однако, затвердевание матрицы может быть также вызвано химической реакцией.

Методы и схемы высвобождения

Даже если целью применения микрокапсулирования является изоляция активного вещества от окружающей среды, стенка микрокапсулы должна разрушаться в момент использования. Многие стенки легко разрушаются под действием давления или сдвиговых усилий, как, например, при разрыве частиц красителя во время письма для создания копии. Содержимое микрокапсулы может высвобождаться путем плавления стенки или её растворения в определенных условиях, как в случае энтеросолюбильной оболочки лекарственного препарата. В других системах стенка разрушается под действием растворителя, ферментов, химической реакции, гидролиза или медленного распада. Микрокапсулирование может использоваться для замедления высвобождения лекарственного средства в организме. Это может позволить одной дозе с контролируемым высвобождением заменить несколько доз неинкапсулированного препарата, а также снизить токсические побочные эффекты некоторых лекарств, предотвращая высокие начальные концентрации в крови. Обычно существует определенный желаемый профиль высвобождения. В некоторых случаях он соответствует нулевому порядку, то есть скорость высвобождения постоянна. В этом случае микрокапсулы обеспечивают доставку фиксированного количества лекарственного средства в минуту или час в течение периода их действия. Это возможно, если в микрокапсуле поддерживается твердый резервуар или растворимое лекарственное вещество. Более типичным является профиль высвобождения первого порядка, при котором скорость экспоненциально уменьшается со временем до исчерпания источника лекарственного средства. В этой ситуации фиксированное количество лекарственного средства находится в растворе внутри микрокапсулы. Разница в концентрации между внутренней и внешней сторонами капсулы постоянно уменьшается по мере диффузии лекарственного вещества. Тем не менее, существуют и другие механизмы, которые могут участвовать в высвобождении инкапсулированного материала, такие как биодеградация, осмотическое давление, диффузия и другие. Каждый из них зависит от состава микрокапсулы и окружающей среды. Следовательно, на высвобождение материала могут влиять различные механизмы, действующие одновременно.