диффузия в вкэ

Статья «Diffusion in highly concentrated emulsions» изжурналаCurrent Opinion in Colloid & Interface
Science 17 (2012) 255–260.

Диффузия в высококонцентрированных эмульсиях (ВКЭ)
1 . Введение
Эмульсии с высоким внутренним соотношением фаз (HIPREs) – это эмульсии, характеризующиеся
высоким содержанием дисперсной фазы во всём объёме, больше чем 0.74,такой объём является
критическим в плотноупакованных монодисперсных сферах [1]. В связи с высоким внутренним
соотношением фаз, капли дисперсной фазы полидисперсны и/или деформированы принятыми
полиэдрическими формами (как показано на микрофотографии на рис. 1), разделёнными друг от
друга тонкой плёнкой непрерывной фазы, делающей их похожими на микромасштабном уровне
на пены [1, 2]. Они так же известны как высококонцентрированные эмульсии, гели-эмульсии,
биликвидными пенами и так далее. Непрерывная фаза ВКЭ может иметь наноструктуру, таким
образом можно их отделять от других структур, имеющих другие значения длины. На самом деле,
ВКЭ с содержанием микроэмульсии мицелярного раствора [3, 4] имеет гексагональную
жидкокристаллическую фазу [5-7] или кубическую, что и было описано.
По составу веществ эмульсии могут быть масло/вода (м/в) или вода/масло (в/м). Различные
полярные области в ВКЭ могут растворять гидрофильные и/или липофильные молекулы. В
большом разнообразии процедур, которое было представлено для их приготовления, главным
образом применяется механическая энергия для эмульсификации. Были описаны такие
перемешивающие устройства, как вихревая мешалка, лопастная [12] или смесители [13, 14].
Однако, ВКЭ, имеющие в составе неионныеэтоксилированные ПАВ могут быть также
приготовлены менее затратными методами, как метод температурной инверсии фаз (PIT), в
котором ВКЭ в/м могут быть получены из м/в микроэмульсий нагреванием выше HLBтемпературы
[15-17]. Метод инверсии фаз был недавно использован для Пикеринговых эмульсий с высоким
внутренним содержанием фаз, инверсия была инициирована понижением рН или ростом
концентрации соли.
Характерная черта ВКЭ в их реологическом поведении, которое может меняться от эластичного до
вязкого, в зависимости от плотности упаковки капель. Много свойств было привязано к реологии
ВКЭ в последние годы [5-7, 9-11, 19, 20]. Тем не менее, мало внимания уделялось диффузии,
которая имеет первостепенное значение во многих свойствах и приложениях ВКЭ. Знание и
управление диффузией в ВКЭ может дать ключ к информации о нацеленной доставке активных
веществ[21-23**], для инженерного расчёта композитных мягких и твёрдых материалов [15, 17,
24], для экологически чистого синтеза молекул [25], для процесса деэмульсации *27+ или даже для
понимания структурных аспектов [28]. Хотя применение активно изучалось во многих видах
коллоидных систем, как многосоставные эмульсии, наночастицы, наноэмульсии, микроэмульсии,
гидрогели и так далее, удивительно, что диффузия в ВКЭ не изучалась с таким же успехом,
несмотря на их выгодные свойства, как разделение по разным длинам с гидрофильными и
гидрофобными центрами и высокое внутреннее соотношение фаз. Ранние систематизированные
учения о диффузии молекул в ВКЭ были сфокусированы на применении в заключении в модели
систем активных фармакологических или косметических веществ, когда такие системы обычно не
применялись для их отраслей, но всё же такие эксперименты показывали возможное научное
применение. Заслуживает внимание то, что в последние годы усилия, которые приняли

длярасширения знаний об уже исследованных системах, показывают, что диффузия ВКЭ с
включёнными в неё компонентами имеет свою нишу в областях применения [23**]. Аспекты,
касающиеся химического состава эмульсии, были тожеисследованы в первую очередь, такие, как
влияние дисперсной фазы [29], тип ПАВ и концентрация [30, 31], ионная сила водяной дисперсной
фазы [29] и т.д. Эти исследования показываютключевую роль пограничного слоятак же, как
ключевую роль коэффициент распределения диффундирующих молекул между непрерывной или
дисперсной фазой в диффузии молекул в ВКЭ. В исследования, проводившихся в 90-ые
использовались главным образом в/м ВКЭ [21, 29, 30], позволяющие выявить механизм,
благодаря которому это имеет место быть (см. рис. 2), состоящий из двух одновременных шагов:
переход диффундирующей молекулы через пограничный слой дисперсной фазы и диффузия в
непрерывной фазе. Проход через пограничный слой был идентифицирован как лимитирующая
стадия. Чем выше концентрация продиффундировавших молекул в непрерывной фазе, тем
быстрее диффузия. В дополнение, транспорт модели действующего вещества (миндальная
кислота) в непрерывной фазе был объяснён в рамках теории мицеллярного транспорта, диффузии
неионнизированных видов действующего вещества в непрерывной фазе и транспорта
действующего вещества, связанного с мономерным ПАВ. Также, множество математических
моделей было представлено так быстро чтобы описать и предсказать будущие ВКЭ.

Рис. 1. Микрофотография с оптического микроскопа ВКЭ в/м, показывающей
полиэдрические и полидисперсные капли.

2 . Последние проведённые исследования для понимания диффузии в ВКЭ
Рис. 2. Схематическая иллюстрация положения активных молекул в течении процесса диффузии в ВКЭ.

Несмотря на активные исследования о получении молекул ВКЭ за последнюю декаду, факт, что
некоторые активные вещества диффундируют (миндальная кислота, кумарин и т.д.) [21, 22, 29, 30,
32], в то время как другие - нет (неорганические соли, лимонная кислота и т.д.) [32], предполагает,
что есть действующие аспекты, благодаря которым можно полностью изучить диффузию в ВКЭ. В
недавно опубликованном документе очевидна ключевая роль коэффициента растворения
вещества в получении ВКЭ. Была изучена диффузия биосовместимой ВКЭ в/м для двух моделей
лекарств, которая показывает два разных коэффициента растворения [23**]. Получение ВКЭ из
гидрохлоридаклиндамицина, который легко растворим в воде, было очень медленным даже не
смотря на состав эмульсии, предполагается, что растворимость вещества в дисперсной фазе
контролируется его механизмом меньше, чем граничащие свойства. Тем не менее теофоллин,
который слаборастворим в воде показал более быстрое получение, которое, в добавок, зависит от
системы и состава эмульсии. Так как теофоллин показал зависимость растворения от рН, рН

дисперсной фазы ВКЭ был модифицирован в соответствии с вынужденным изменением
растворимости вещества в дисперсной фазе. Это было показано как рост растворимости
теофоллина под воздействием 4,5-кратного уменьшения диффузионного коэффициента двух
разных величин. Как показано на рис. 3, теофоллин получается в виде ВКЭ, где рН не был
модифицирован и превращение было самым быстрым. Добавление кислоты в дисперсную фазу
(кислая ВКЭ) приводит только к умеренной скорости превращения, потому что растворимость
теофоллина была идентична в этом разбросе значений рН. Однако, при начальном рН скорость
получения теофоллина заметно понижалась. Это предписали резкому повышению растворимости
теофоллина при начальном рН.
Другой пример – свойства на границе раздела фаз не контролируют скорость получения активных
веществ в ВКЭ, представленных в исследовании Флэтчера и соавторов [33**]. Массовый перенос
в в/м ВКЭ был найден путём смешивания двух ВКЭ, содержащих разные реагенты и замечен по
значению калориметрических реакций с помощью рецептора ВКЭ. Незаряженная перекись
водорода и заряженные реагенты (HCl и NaClO) были использованы как растворяющиеся
соединения, заключённые в водную дисперсную фазу. Шаг, определяющий скорость был
предписан только для диффузии через масляную плёнку и удивительно, что время захвата было
одинаково для обоих, заряженных и незараженных соединений *33**+. Тем не менее, стоит
заметить, что авторы нашли, что при добавлении в граничную плёнку отрицательно заряженного
ПАВ, скорость перемещения неионных соединений уменьшилась. Это было объяснено
электростатическим отталкиванием. Этим было показано, что возрастание коэффициентов
диффузии разного вида или случай слипания и флуктуации вызывают рост в массовом движении.
Важная особенность, заслуживающая внимание в диффузии ВКЭ – роль наноструктур в
непрерывной фазе. Этот аспект был изучен Льинасом и др. [34*, 35].
Рис. 3. Графики получения телофоллина для модели в/м ВКЭ или вода/кремофорW07/жидкая парафиновая система при
25 С как функции от времени, при изменении рН дисперсной фазы. Состав в/м/т 90:6:4. Символы означают
экспериментальные данные. Линии твёрдого вещества отвечают лучшему соответствию экспериментальных точек с
кривыми диффузии Фика. Адаптировано для работы [23**].

Фаза непрерывного масляного слоя ВКЭ может позволить растворение более высоких количеств
вещества, чем ожидалось от его растворимости, следовательно, воздействуя на коэффициент
распределения вещества и, как следствие, на его коэффициент диффузии. Это было рассмотрено
как пример для ВКЭ, в которой непрерывная фаза является в/м микроэмульсией (обратная
мицелярной фазе) или кубической жидкокристаллической фазой [21, 29].
Первые результаты, полученные с помощью импульса градиента поля ядерного магнитного
резонанса (PFG NMR), показали, что ВКЭ можно – возможные модели для фундаментальных
исследований молекулярного движения в пористых системах [36]. Самопроизвольная диффузия
воды в ВКЭ в/м была исследована с предположением о получении информации, касающейся
обоих динамических свойств дисперсной фазы (таких, как проницаемость воды через
непрерывный бислой масла) и структурных свойств ВКЭ (таких, как значение размера капли).
Метод колеблющегося градиента эхо-спина (MGSE)был использован для изучения диффузии
воды, масла и соляных растворов в ВКЭ в/м [37]. В технике, которая действительно подходит для
экспериментов над образцомinvitro, весьма интересна диффузия нескольких компонентов,
которые имеют разные химические сдвиги. Результаты говорят, что в MGSE экспериментах
эффекты молекулярного обмена между каплями могут быть эффективно восстановлены из

ограниченной диффузии внутри капель, в отличии от PFG экспериментов, в которых обмен может
мешать получении информации о размере капли.

3. Диффузионный процесс – мера стабильности ВКЭ
Химические стабильность ВКЭ так же хороша, как и коллоидная, она может сильно влиять
посредством диффузии её компонентов. Один из примеров – Освальдово созревание, состоящее
в массовом трансфере дисперсной фазы из малых капель в более крупные. Этот массовый
переход не управляется градиентом концентрации, но увеличенное давления Лапласа маленьких
каплей приравнивается к бОльшим каплям. Была изучена кинетика Освальдова созревания в в/м
концентрированной эмульсии (содержание дисперсной фазы около 65%), и была сделана попытка
подвердить равенство Лифшитца – Слезова – Вагнера (LSW), чтобы рассчитать диффузионный
коэффициент воды в масляной фазе [38]. Несмотря то, что на поправочный коэффициент был
использован для учёта фазы высокой внутренней концентрации, диффузионный коэффициент был
получен в значении на 15 порядков меньше, чем у коэффициента молекулярной диффузии. Это
было предписано дополнительной нестабильности по причине слияния капель эмульсии, которое
делает уравнение LSWнепригодным для использования при расчёте коэффициента диффузии в
сфере концентрированных эмульсий. Включение электролитов в дисперсную фазу замедляют
скорость Освальдова созревания. Была исследована диффузия воды и других веществ, как
родамин С и этанол в концентрированных эмульсиях, стабильных благодаря электролитам и
среднему по силе рецептору[39],и коэффициенты диффузии этих молекул были рассчитаны из
уравнения нестационарной диффузии и оказались меньше, чем те, что отвечают молекулярной
диффузии. Авторы предполгаюат, что нанодисперсные капли принимают участие как переносчики
через масляную фазу. Современных учения о дисперсных каплях в в/м эмульсиях могут быть
подтверждены электронной микроскопией.
Один из более наглядных примеров применения ВКЭ в пищевой промышленности это майонез.
Этот соус является концентрированной м/в эмульсией или ВКЭ, содержащей обычно от 70 до 80%
масла, главным образом эмульгированного из ячного порошка. Диффузия компонентов в этом
продукте имеет для них первостепенное по причинам стабильности и органолептики. Такие
компоненты, как соль, различные её виды и антиоксиданты имеют большое влияние на
коллоиды так же, как и химическая стабильность эмульсии. Что касается последних, то степень
самоокисления компонентов масла носит избирательное действие для майонезов,
приготовленных с использованием рыбьего жира и так же тех, которые обогащены
полиненасыщенными омега-3 и омега-6 жирными кислотами. Скорость самоокисления масел
катализирована присутствием инонов железа. Они связываются с протеином фосфетина яичного
порошка и диффундируют из пограничного слоя в водную фазу при малых рН, тем самым
катализируя окисление [39, 40].
Удивительно то, что, было доложено об использовании катионных ПАВ как точно положительно
разряженных протеинов, которые могут отталкивать экранированные катионы масла или
использование металлических комплексонов (этилендиаминтетрауксусная кислота
(EDTA)гликольпротеиналактоферрина[38, 39] или казеинат натрия [41**]), которые
предотвращают диффузию ионов железа из масло-водной фазы, повышая химическую
стабильность майонеза [26]. Что касается органолептических свойств, множество вкусов между
водной и масляной фазой, из-за диффузии из масляных капель они пападают в слюну, которая
позволяет связать их с разными вкусовыми рецепторами в соответствии с их природой. Таким

образом, вкус полярных ароматических веществ (сахар, соль, уксус…), находящийся в водной фазе
м/в эмульсий раньше распознаётся во рту, чем те, у которых полярность меньше (горчичные
изоционаты и др.). Так же, слишком быстрыйвыпуск неусточивых ароматических соединений в
течение всего срока хранения майонеза понижает его качество.
Диффузионный процесс так же описан как имеющий отношение к стабильности высоко
концентрированных эмульсиях вида смола в воде. Ацеведо и др. [42] докладывает о стабильности
эмульсий смола в воде, приготовленных в присутствии возрастающих концентраций карбоната
натрия в водной фазе. Карбонат натрия реагирует с родственными карбоксильными кислотами,
присутствующими в смоле, вызывающей рост ПАВ, отвечающих за стабилизацию эмульсий смола
в воде. Это было найдено вследствие роста концентрации карбоната натрия и уменьшении
значений размера капель. Тем не менее, когда нужная концентрация карбоната натрия была
достигнута, эмульсии становились нестабильными. Это было объяснено фактом, что в
зависимости от различных структур и молекулярного веса карбоксильных кислот в смоле, фракция
карбоксилированныхионных структур остаётся в виде осадка на границе раздела фаз, в то время
как оставшиеся соедиенения диффундируют в водную фазу. Тем не менее, при росте
концентрации Na2CO3карбоксильные ионы в водной фазе становятся все более и более
гидрофобными, возобновляя дуффузию из объёма на границу раздела фаз. Дальнейшее
повышение концентрации приводит к форме раствора нерастворимых карбоксильных солей
натрия и натяжение на границе фаз увеличивается.

4. Диффузия при нагреве ВКЭ
Использование ВКЭ как шаблона для приготовления материалов получило всё возрастающее
внимание в последние годы. Можно предположить, что диффузия и/или разделение
реакционных молекул в пределах внутренней и внешней фазы эмульсий повлияет на свойства
полученных материалов. Высокопористые материалы могут быть получены из эмульсий в/м и м/в
с высоким содержанием внутренней фазы, а так же реакцией полимеризации заключённых в
непрерывную фазу мономеров или в дисперсной фазе [17]. При использовании ВКЭ для
химических реакций, разделение реагентов может повлиять на выход продукта [25]. Знания о
контроле диффузии и разделении молекул в ВКЭ, полученные за последнюю декаду, никогда не
применялись в этой области. Перспективное приложение этому, как, например, система доставки
лекарств в материале, полученной из ВКЭ было лишь недавно использовано *47, 48].
Макропористые твёрдые полистирольные пены были получены путём полимеризации в
непрерывном слое высоко концентрированной в/м эмульсии, приготовленной методом
температурной инверсии фаз. Были получены твёрдые пены с очень высокой пористостью. Было
охарактеризовано, и объёмная структура была очень неровной, что очень похоже на
супергидрофобные свойства. Такие твёрдые пены могут быть использованы как системы доставки
активных веществ, что является принципиальным интересом для фармакологии. Модель
липофильного вещества, кетопрофена была включена в твёрдые пены, и изучалось
высвобождение активного вещества, была достигнута маленькая временная задержка
высвобождения [47**]. Шер и соавторы [48] докладывают о приготовлении системы доставки
лекарств из плавающей ВКЭ, усваиваемой желудком. Загрузка вещества была после подготовки
материалов, путём добавления пористого сополимерного материала в неустойчивый
растворитель, содержащийактичное вещество (ибупрофен) и последующим выпариванием

растворителя при комнатной температуре. Высвобождение образца материала, содержащего
ибупрофен происходило с запаздыванием и зависело от рН.
5. Моделирование диффузии в концентрированных эмульсиях
Моделирование доставки лекарств, или главным образом диффузии данного раствора, от
эмульсии (концентрированной) до рецепторной фазы - достаточно сложный вопрос, т.к. много
физико-химических аспектов играют ключевую роль. Во-первых, раствор должен диффундировать
через поверхностный слой капли в непрерывный слой. Этот этап может быть охарактеризован
молекулярной диффузией, если молекулы действующего вещества инкапсулированы в мицеллы
на поверхность раздела. В зависимости от этого начального шага раствор может диффундировать
через непрерывную фазу в виде нерастворившихся молекул или мицелл-гостей, где они и
заключены. Тем не менее, растворённые молекулы, пересекающие границу раздела поотдельности могут быть включены в мицеллярные агрегаты, если они находятся в непрерывной
фазе. Этот более главный сценарий может быть в дальнейшем осложнён спецификой природы
различных соединений в системе, следовательно, что говорит о достаточно спорном и до сих пор
подвергающимся сомнению согласии о механизме, управляющим диффузионном процессе.
Некоторые авторы показали, что это управляется передвижением растворённых веществ на
границе раздела [49, 50], в то время, как другие предполагали, что молекулярная диффузия через
растворитель – это контролируемый шаг [51].
Бабак и соавторы разработали простую физико-химическую модель, чтобы исследовать
диффузию действующего вещества в ВКЭ при отсутствии мицелл в непрерывной фазе [31**]. В их
теоретической модели эмульсии были разделены рецепторным раствором через селективную
мембрану, которая позволяет происходить только диффузии действующего вещества.
Предположив, что растворимость действующего вещества в непрерывной фазе ничтожна по
сравнению с концентрацией мицелл, и что диффузия через тонкие плёнки, разделённые
дисперсными каплями, которые могут быть описаны как активированный процесс; эти авторы
предположили скорость реализации в гидрированных и фторированных эмульсиях, онахорошо
согласовалась с их экспериментами.
Когда концентрация мицелл в непрерывной фазе более не ничтожна, динамика транспортировки
активного вещества в результате значительно изменяется под действием избытка ПАВ. Под этим
более дополненным механизмом, Данган и соавторы представили теорию, изучающую трансфер
раствора из масляной капли в водный мицелярный раствор [52]. Эти авторы определили
управляющие управления двух возможных механизмов ограничения скорости, которые
контролируют стабилизацию раствора: (i) механизммолекулярной диффузии, сопровождающийся
более быстрым и необратимым мицелообразованием, как было также представлено другими
[51], или (ii) механизм контроля границы раздела. Согласно их теоретическим выкладкам, раствор
диффундирует через водную фазу, что показано уравнениями:
∂cw/ ∂t = Dw∇2cw− v∇cw− r
∂cmic/∂t = Dmic∇2cmic− v∇cmic+ r

(1)
(2)

где cwи cmic – концентрации раствора, нерастворимого в воде и его растворённая форма внутри
мицелл соответственно;
Dwи Dmic– коэфициенты диффузии раствора в воде и мицелл в воде, соответственно;
v – скорость водной фазы;
r–скорость реакции раствора, перемещающегося между мицелами и окружающей их водной
фазой.

Авторы дают два разных объяснения скорости реакции, зависящих от механизма,
контролирующего поглощение растворённого вещества. В первом механизме, мицелла
рассматривается как псевдофаза и разделения раствора между молекулярным растворением в
фазе, содержащей воду и растворением в ядрах мицелл, согласно коэффициентураделения,
определённого как K1≡
/ . Это говорит:
r = φmic

(cw− (1/K1)cmic)

(3)

где φmic– объём мицеллярной фракции в непрерывной водяной фазе и
- константа скорости
перемещения раствора внутри мицелл. Во втором механизме, многоступенчатом,
мицеллы могут содержать разное число молекул раствора, приближенному к максимальному p:
r= φmic

[cw (1− (cmic /pcmic) – (1/K2)(cmic/ pcmic)],

(4)

где
- снова константа скорости перемещения раствора внутри мицеллы; cmic– концентрация
мицелл в растворе; иK2≡
/[ (p
] – коэффициент разделения движения раствора с
начала и до конца. Если p– максимальное число молекул раствора, которое может содержать
мицелла; pcmic– показывает максимальную концентрацию раствора, растворённого в мицеллах.
Перемещение на границе капель описывается уравнением, принимающим, что в растворе нет
накопления.
(1 -

) + Dw∇ncw= 0

(5)

где
- скорость перемещения раствора через границу капли в раствор,
- концентрация
раствора внутри капли, и градиент, вычисленный в нормальном направлении, подчёркивающий
малый размер капли. Данган и соавторы так же описали возможное перемещение раствора через
поверхность прямо в мицеллярные агрегаты:
(1 -

) + Dmic∇ncmic= 0

(6)

В этом случае,
является скоростью перемещения раствора через границу капельки в
мицеллу. Чтобы предсказать эффект концентрации мицелл на примере транспорта из м/в
эмульсии (донорная ячейка) в принимающий водяной раствор, Юн и Баргесс сформулировали две
математические модели, основанные на гидрофобности активного вещества [53]. Если говорить
более конкретно, модель гидрофильных активных веществ предполагает, что диффузия от донора
до получающей ячейки, ограничена только перемещением через мембрану, которая их
разделяет, и поэтому зависит от её специфических характеристик. Это относится главным образом
к малому разделяющему коэффициенту масло/вода гидрофильных активных веществ, который
полностью отвечает ничтожному сопротивлению границы раздела для перемещения из капель
масла в водную непрерывную фазу. С другой стороны, модель диффузии гидрофобных веществ
предполагает, что граница между каплями масла и водной фазой ведёт себя как селективная
мембрана, которая позволяет перемещение активного вещества в непрерывную фазу, но не
позволяет активному веществу вернуться в капельки. Это положение подтверждено очень малой
концентрацией в водной фазе и высокой растворимостью активного вещества в мицеллах. Если
растворение активного вещества в амфилильных агрегатах гораздо быстрее, чем в его диффузия
через границу м/в, градиент концентрации между дисперсной и непрерывной фазой зависит
только от количества активного вещества в масляных каплях. Конечная форма получающегося
количества активного вещества зависит в этом случае от одиночных скоростей диффузии между
двух фаз в эмульсии и между эмульсией и получающей ячейки.
Механизм растворения масла в мицеллах, так же как и активного вещества, зависит от природы
ПАВ. Мицеллы, которые состоят из ионных ПАВ могут образовывать достаточно сильные

электростатические отталкивания между каплями масло-вода границы раздела для
ингибирования их близкого приближения [54]. По этой причине, маслянные или активного
вещества молекулы сначала растворяются в непрерывной фазе и затем захватываются
окружающими их мицеллами [51, 55]. Забирая раствор их непрерывной фазы в их гидрофобные
ядра и затем диффундируя с границы раздела, мицеллы вносят свой вклад в поддержание
высокой скорости диффузии масла из капель в непрерывную фазу. В частном случае
концентрированных эмульсий, где слой окружающий масляные капли гораздо меньше, чем их
радиус, Тодоров предсказал, что размер капель масляных молекул линейно уменьшается со
временем, названным временем растворения единицы окружающей среды, которое является
величиной постоянной [55]. В этом случае, размер капли Rварьируется со временем tсогласно
уравнению:
R (t) = R0 -

(7)

где R0– начальное значение радиуса капли, α –коэффициент массового переноса через границу
вода-масло;
–концентрация ПАВ, при котором мицеллы начинают растворять масло,
– молярный объём, диффузивность и растворимость масла соответственно.
–
количество агрегатов мицелл, k – константа скорости растворимости. Следует заметить, что в
случае абсолютно не растворимого масла, не будет масляной диффузии из непрерывной фазы
ионных ПАВ. В этом случае, неионные ПАВ необходимы, чтобы позволить быть массовому
перемещению. Фактически же, мицеллярные агрегаты неионных ПАВ адсорбируют на масловодной границе, включая молекулы масла, десорбция из поверхностного слоя с данным
количеством включённого в них масла и, наконец, диффузия в объём с непрерывного слоя. В этом
случае, теоретическое приближение главным образом следует установленным связям с
уменьшением размера капли для градиента концентрации между объёмом непрерывной фазы и
границей раздела:
(8)
где и – объёмная и границы раздела концентрации соответственно, раствора (изолировано
от масла, если оно растворимо, или другой раствор, находящий в каплях, таких, как действующее
вещество), и зависят от граничных условий диффузии раствора из капли в непрерывную фазу,
которая может быть процессом, зависимым от границы или от объёма [54]. Если объёмная
диффузия контролирует массовый транспорт, тогда
, где
– коэффициент диффузии
и молярный объём, соответственно. С другой стороны, если граница контролирует диффузию, то
, где R1 рассчитывается для сопротивления диффузии на границе раздела. Интересная
теоретическая работа по поводу растворения раствора в мицеллярных фазах была представлена
Ганди и соавторами [56]. При условии что мицеллы не могут адсорбироваться на границе раздела
из-за их взаимных ионных отталкивающих взаимодействий, эти авторы исследовали эффект
сопротивления границы раздела и массовый перенос между мицеллами и непрерывной фазой. В
их модели, два числа Дамкохлераприводят физику в соответствии с близостью процесса
растворения. Один (Da) – это отношение между скоростью адсорбции в растворе в мицеллах и
скоростью диффузии раствора через непрерывную фазу, другой (Dam) –отношение между
скоростью, при которой мицеллы захватывают раствор в их ядра и скорость диффузии
загруженных раствором мицелл. Два граничных условия описывают роль, которую играют
мицеллярные агрегаты:
Dam>> 1 + Da/Dam(9)
Dam<< 1 + Da/Dam(10)
Когда условие (9) выполнено, мицеллы значительно увеличивают перенос раствора. С другой
стороны, если условие (10) верно, мицеллы не вносят большого вклада в растворение раствора в
непрерывной фазе, большей частью потому что диффузия раствора в них может быть гораздо

медленнее и/или растворение раствора само по себе на границе раздела медленное. Эта модель
количественно соотносится со скоростью растворения декановых и бензольных капель в
мицеллярном растворе SDS [55].

6. Заключение
Диффузии в эмульсиях с высоким содержанием внутренней фазы уделяли мало внимания в
последнюю декаду. Тем не менее, этот процесс играет ключевую роль в контролируемом выпуске
активных веществ, подготовка материалов и синтез молекул, стабильности самой эмульсии и т.д.
Ещё осталось много областей, которые надо исследовать, таких, как использование полученных
знаний о механизмах выпуска в ВКЭ для инициированнного выпуска активных веществ,
конструирование систем доставки, отвечающих на стимулированное воздействие, поглощение
активных веществ для детоксикацизационных или дегазационных целей и т.д. В последние годы
интерес использования ВКЭ для подготовки материалов возрос, но мало внимания было уделено
диффузии, которая может подтвердить качество и выход полученных материалов. Заслуживает
внимание то, что диффузия в м/в ВКЭ была менее изучена, чего нельзя сказать о в/м ВКЭ. В
дополнение стоит сказать, что эффект наноструктуры непрерывного слоя ВКЭ на молекулярную
диффузию научно ещё не исследовался. Так быстро полученные результаты стимулируют
дальнейшие исследования в этой области.
Благодарности
Благодарность MINECO (грант CTQ2011-29336-CO3-O1), Женералитат Каталонии (грант 2009-SGR961) и CIBER-BBN за финансовую поддержку. APблагодарит Хуана де ла Сиерву за возможность
использования докторской работы, предоставленной Министерством Испании по науке и
инновациям (JCI-2010-06943). CIBER-BBN – ассоциация, основаннаяVINational
R&D&iPlan 2008–2011, IniciativaIngenio 2010, ConsoliderProgram,
CIBERActionsифинансируемаИнститутомСалудаКарлосаIIIcпомощью,
оказаннойЕвропейскимРегиональнымФондомРазвития.
Ссылки
[1] Lissant KJ. The geometry of high-internal phase ratio
emulsions. J Colloid Interface
Sci 1966;22:462–8.
[2] Solans C, Esquena J, Azemar N, Rodríguez C, Kunieda
H. In: Petsev DN, editor.
Emulsions: structure, stability and interactions.
Amsterdam: Elseiver; 2004.
p. 511–55.
[3] Solans C, Pons R, Zhu S, Davis HT, Evans DF,
Nakamura K, et al. Studies on macroand
microstructures of highly concentrated water-in-oil
emulsions (gel emulsions).
Langmuir 1993;9:1479–82.
[4] Pons R, Ravey JC, Sauvage S, Stébé MJ, Erra P, Solans
C. Structural studies on gel
emulsions. Colloids Surf A PhysicochemEng Asp
1993;76:171–7.
[5] Alam MM, Aramaki K. Effect of molecular weight of
triglycerides on the formation
and rheological behavior of cubic and hexagonal phase
based gel emulsions. J Colloid
Interface Sci 2009;336:329–34.
[6] Alam MM, Aramaki K. Glycerol effects on the
formation and rheology of hexagonal
phase and related gel emulsion. J Colloid Interface Sci
2009;336:820–6.
[7] Alam MM, Aramaki K. Hexagonal phase based gelemulsion (O/H1 gel-emulsion):

formation and rheology. Langmuir 2008;24:12253–9.
[8] Alam MM, Ushiyama K, Aramaki K. Phase behavior,
formation and rheology of
cubic phase and related gel emulsion in Tween 80/water/oil
systems. J Oleo Sci
2009;58:361–7.
[9] Alam MM, Sugiyama Y, Watanabe K, Aramaki K.
Phase behavior and rheology of
oil-swollen micellar cubic phase and gel emulsions in
nonionic surfactant systems.
J Colloid Interface Sci 2010;341:267–72.
[10] Alam MM, Shrestha LK, Aramaki K. Glycerol effects
on the formation and rheology
of cubic phase and related gel emulsion. J Colloid Interface
Sci 2009;329:366–71.
[11] Rodríguez-Abreu C, Shrestha LK, Varade D, Aramaki
K, Maestro A, LópezQuintela
A, et al. Formation and properties of reverse micellar cubic
liquid crystals and derived
emulsions. Langmuir 2007;23(22):11007–14.
[12] Alvarez OA, Choplin L, Sadtler V, MarchalPh, Stébé
MJ, Mougel J, et al. Influence of
semibatch emulsification process conditions on the physical
characteristics of
highly concentrated water-in-oil emulsions. IndEngChem
Res 2010;49:6042–6.
[13] Lim H, Kassim A, Huang N, Yarmo MA, Yeong S,
Khiew P, et al. One-pot preparation

of three-component oil-in-water high internal phase
emulsions stabilized
by palm-based laureth surfactants and their moisturizing
properties. Colloid J
2009;71(5):660–7.
[14] Tcholakova S, Lesov I, Golemanov K, Denkov ND,
Judat S, Engel R, et al. Efficient
emulsification of viscous oils at high drop volume fraction.
Langmuir 2011;27:
14783–96.
[15] Esquena J, Sankar GSR, Solans C. Highly
concentrated W/O emulsions prepared by
the pit method as templates for solid foams. Langmuir
2003;19:2983–8.
[16] Kunieda H, Fukui Y, Uchiyama H, Solans C.
Spontaneous formation of highly concentrated
water-in-oil emulsions (gel-emulsions). Langmuir
1996;12:2136–40.
[17] Maekawa H, Esquena J, Bishop S, Solans C, Chemlka
BF. Meso/macroporous inorganic
oxide monoliths from polymer foams. Adv Mater
2003;15(7–8):592–6.
[18] Sun G, Li Z, Ngai T. Inversion of particle-stabilized
emulsions to form
high-internal-phase emulsions. AngewChemInt Ed
2010;49:2163–6.
[19] Masalova I, Foudazi R, Malkin AY. The rheology of
highly concentrated emulsions
stabilized with different surfactants. Colloids Surf A
PhysicochemEng Aspects
2010;368:58–63.
[20] Bengoechea C, Romero A, Aguilar JM, Cordobés F,
Guerrero A. Temperature and
pH as factors influencing droplet size distribution and
linear viscoelasticity of
O/W emulsions stabilised by soy and gluten proteins. Food
Hydrocolloids
2010;24:783–91.
[21] Calderó G, García-Celma MJ, Solans C, Pons R.
Effect of pH on mandelic acid diffusion
in water in oil highly concentrated emulsions (gelemulsions). Langmuir
2000;16:1668–74.
[22] Rocca S, Muller S, Stébé MJ. Release of model
molecule from highly concentrated
fluorinated reverse emulsions. Influence of composition
variables and temperature.
J Control Release 1999;61:251–65.
•• [23] Calderó G, Llinàs M, García-Celma MJ, Solans C.
Studies on controlled release of
hydrophilic drugs from W/O high internal phase ratio
emulsions. J Pharm Sci
2010;99:701–11.This article describes for the first time the
key role of the solubility
of the diffusing molecule in the release from W/O highly
concentrated
emulsions.
[24] Busby W, Cameron NR, Jahoda CA. Tissue
engineering matrixes by emulsion
templating. PolymInt 2002;51:871–81.
[25] Espelt L, Clapés P, Esquena J, Manich A, Solans C.
Enzymatic carbon–carbon bond
formation in water-in-oil highly concentrated emulsions
(gel-emulsions). Langmuir
2003;19:1337–46.
[26] Nielsen NS, Petersen A, Meyer AS, Timm-Heinrich
M, Jacobsen Ch. Effects of
lactoferrin, phytic acid, and EDTA on oxidation in two
food emulsions enriched

with long-chain polyunsaturated fatty acids. J Agric Food
Chem 2004;52:7690–9.
[27] Guimarães AP, Maia DAS, Araújo RS, Cavalcante
CL, de Sant'Ana HB. Destabilization
and recuperability of oil used in the formulation of
concentrated emulsions
and cutting fluids. ChemBiochemEng Q 2010;24(1):43–9.
[28] Malmborg C, Topgaard D, Söderman O. NMR
diffusometry and the short gradient
pulse limit approximation. J MagnReson 2004;169:85–91.
[29] Calderó G, García-Celma MJ, Solans C, Plaza M,
Pons R. Influence of composition
variables on the molecular diffusion from highly
concentrated water-in-oil emulsions
(gel-emulsions). Langmuir 1997;13:385–90.
[30] Calderó G, García-Celma MJ, Solans C, Stébé MJ,
Ravey JC, Rocca S, et al. Diffusion
from hydrogenated and fluorinated gel-emulsion mixtures.
Langmuir 1998;14:
1580–5.
•• [31] Babak V, Stébé MJ, Fa N. Physico-chemical model
for molecular diffusion from
highly concentrated emulsions. Mendeleev Commun
2003;13(6):254–6.In this
article, a simple physicochemical model is proposed to
predict the diffusion of
drugs in HIPREs in the absence of micelles in the
continuous phase.
[32] Pons R, Caldero G, Garcia MJ, Azemar N, Carrera I,
Solans C. Transport properties of
W/O highly concentrated emulsions (gel-emulsions). Prog
Colloid Sci 1996;100:
132–6.
•• [33] Dunstan TS, Fletcher PDI. Compartmentalization
and separation of aqueous reagents
in the water droplets of water-in-oil high internal phase
emulsions. Langmuir
2011;27:3409–15.In this article it is evidenced that for the
W/O HIPREs
studied and under certain experimental conditions, the
diffusion across the oil
film has a rate-limiting role and that the effect of the
interfacial film can be
neglected.
• [34] Llinàs M, Calderó G, Aramaki K, Garcia-Celma MJ,
Solans C. Influence of the nanostructure
of the continuous phase on molecular release from O/W
highly concentrated
emulsions 25th IFSCC Congress, Barcelona 2008
(International Federation of
Societies of Cosmetic Chemists). Book of Abstracts,
volume 3; 2008. p. 79.In this article,
the role of the nanostructure of the continuous phase of
O/W HIPREs on the
molecular release is shown for the first time by comparing
a microemulsion based
and a cubic liquid crystalline phase based O/W HIPRE.
[35] Llinàs M. PhD Thesis. Universitat de Barcelona 2010.
Estudio de la difusión de
principiosactivos en emulsionesaltamenteconcentradas.
[36] Balinov B, Linse P, Söderman O. Diffusion of the
dispersed phase in a highly concentrated
emulsion: emulsion structure and film permeation. J
Colloid Interface
Sci 1996;182:539–48.
[37] Lasic S, Aslund I, Topgaard D. Spectral
characterization of diffusion with chemical
shift resolution: highly concentrated water-in-oil emulsion.
J MagnReson
2009;199(2):166–72.

[38] Koroleva MY, Yurtov EV. Water mass transfer in
W/O emulsions. J Colloid Interface
Sci 2006;297:778–84.
[39] Jacobsen C, Timm M, Meyer AS. Oxidation in fish oil
enriched mayonnaise:
ascorbic acid and low pH increase oxidative deterioration. J
Agric Food Chem
2001;49:3947–56.
[40] Jacobsen C, Adler-Nissen J, Meyer AS. Effect of
ascorbic acid on iron release from
the emulsifier interface and on the oxidative flavor
deterioration in fish oil
enriched mayonnaise. J Agric Food Chem 1999;47:4917–
26.
• [41] Horn AF, Nielsen NS, Jacobsen Ch. Iron-mediated
lipid oxidation in 70% fish
oil-in-water emulsions: effect of emulsifier type and pH.Int
J Food SciTechnol
2012;47:1097–108.This article shows strategies to
overcome lipid oxidation
caused by iron diffusion in food grade O/W HIPREs.
[42] Acevedo S, Gutierrez X, Rivas H. Bitumen-in-water
emulsions stabilized with natural
surfactants. J Colloid Interface Sci 2001;242:230–8.
[43] Bokhari M, Carnachan RJ, Cameron NR, Przyborski
SA. Novel cell culture device
enabling three-dimensional cell growth and improved cell
function. Biochem
Biophys Res Commun 2007;354:1095–100.
[44] Ling L, Wong Ching, Ikem Vivian O, Menner
Angelika, Bismarck Alexander.
Macroporous polymers with hierarchical pore structure
from emulsion templates
stabilised by both particles and surfactants. Macromol
Rapid Commun 2011;32:
1563–8.
[45] Vílchez S, Pérez-Carrillo LA, Miras J, Solans C,
Esquena J. Oil-in-alcohol highly concentrated
emulsions as templates for the preparation of macroporous
materials.
Langmuir 2012;28:7614–21.
[46] Sevšek U, Krajnc P. Methacrylic acid microcellular
highly porous monoliths: preparation
and functionalisation. React FunctPolym 2012;72:221–6.
• [47] Canal C, Aparicio RM, Vílchez A, Esquena J,
García-Celma MJ. Drug delivery properties
of macroporouspolystirene solid foams. J Pharm PharmSci
2012;15(1):
197–207.In this article, W/O HIPREs are used as templates
for the preparation of
highly porous solid foams which are used for drug delivery.
Delayed release
with short lag-time is achieved.
[48] Sher P, Ingavle G, Ponrathnam S, Benson JR, Li N-H,
Pawar AP. Novel/conceptual
floating pulsatile system using high internal phase emulsion
based porous material
intended for chronotherapy. AAPS PharmSciTech
2009;10(4):1370–80.
[49] Peña AA, Miller CA. Kinetics of compositional
ripening in emulsions stabilized
with nonionic surfactants. J Colloid Interface Sci
2001;244:154–63.
[50] Prak DJL, Abriola LM, Weberm WJ, Bocskay KA.
Solubilization rates of n-alkanes in
micellar solutions of nonionic surfactants. Environ
SciTechnol 2000;34:476–82.
[51] Kabalnov AS, Weers J. Kinetics of mass transfer in
micellar systems: surfactant adsorption,

solubilization kinetics, and ripening. Langmuir
1996;12:3442–8.
[52] Dungan RS, Tai BH, Gerhardt NI. Transport
mechanisms in the micellarsolubilization
of alkanes in oil-in-water emulsions. Colloids Surf A
PhysicochemEng Aspects
2003;216:149–66.
[53] Yoon KA, Burgess DJ. Mathematical modelling of
drug transport in emulsion systems.
J Pharm Pharmacol 1998;50:601–10.
[54] Peña AA,Miller CA. Solubilization rates of oils in
surfactant solutions and their relationship
to mass transport in emulsions. Adv Colloid Interface Sci
2006;123–126:241–57.
[55] Todorov PD, Kralchevsky PA, Denkov ND, Broze G,
Mehreteab A. Kinetics of solubilization
of n-decane and benzene by micellar solutions of sodium
dodecyl sulfate.
J Colloid Interface Sci 2002;245:371–82.
[56] Sailaja D, Suhasini KL, Kumar S, Gandhi KS. Theory
of rate of solubilization into
surfactantsolutions. Langmuir 2003;19:4014–26.

диффузия в вкэ

More Related Content

What's hot (14)

Viewers also liked (16)

диффузия в вкэ