Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zur Strukturstabilität von W1/O/W2 – Doppelemulsionen für die Freisetzung eines darin verkapselten Wirk- oder Effektstoffes

Wasser-in-Öl-in-Wasser - Doppelemulsionen bestehen aus einer Öl-in-Wasser - Emulsion, in deren inneren Öl-Phase wiederum Wasser dispers vorliegt. Aufgrund dieses speziellen Aufbaus und des sich ergebenden Anwendungspotentials als Verkapselungssystem stehen sie im Fokus aktueller Forschung. Da die Stabilisierung dieser Systeme jedoch eine große Herausforderung darstellt, sind die industriellen Umsetzungen heutzutage rar. Gerade für KMU würde sich durch die Produktion doppelemulsionsbasierter, hochpreisiger Nischenprodukte ein neuer Markt eröffnen und sie könnten sich von international agierende Großunternehmen absetzen. Der Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt auf der Aufklärung der Stabilisierungsmechanismen in Doppelemulsionen. Dabei sollen allgemeine Zusammenhänge aufgestellt werden, die es dem Anwender ermöglichen, sowohl die stabilisierenden Zusatzstoffe, als auch den Herstellungsprozess, produktorientiert auszuwählen. Hierfür werden die Einflüsse der Molekülstruktur, des Molekulargewichts und die Hydrophilität des äußeren (hydrophilen) Emulgators auf die Emulsionsstabilität und auf die Wechselwirkungen mit dem lipophilen (inneren) Emulgator untersucht. Die Doppelemulsionen werden hinsichtlich ihrer Koaleszenzstabilität und ihrer Stabilität gegen den Verlust an innerem Wasser untersucht. Dieser Herangehensweise liegt zu Grunde, dass Doppelemulsionen nur dann sedimentationsstabil sein können, wenn hohe Füllgrade an innerem Wasser realisiert werden und die Tropfengröße der inneren Emulsion unveränderlich ist. Da die aktuelle Charakterisierung von Doppelemulsionen nicht die Art des Wasserverlustes aufklären kann (Koaleszenz oder Diffusion) werden Einzeltropfenexperimente durchgeführt, die eine detailliertere rezepturabhängige Aufklärung der Instabilitätsmechanismen ermöglichen.

Abschließend werden Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und der Emulsionsstabilität herausgearbeitet und auf Basis dessen Rezepturen für Freisetzungsexperimente ausgewählt.

Ergebniszusammenfassung:

Wasser-in-Öl-in-Wasser (W1/O/W2) Doppelemulsionen besitzen aufgrund ihrer Struktur ein großes Anwendungspotential in Kosmetik, Pharmazie und im Lebensmittelbereich. Allerdings sind diese Systeme, bedingt durch die verhältnismäßig großen W1/O-Tropfen in der W2-Phase, nicht stabil gegen Aufrahmen. Dies äußert sich in einem inhomogenen Erscheinungsbild der Emulsion.

Im Rahmen dieses Projekts konnte gezeigt werden, dass das Aufrahmen der Doppelemulsion durch das Angleichen der Dichten der äußeren W2-Phase und der W1/O-Tropfen reduziert werden kann. Zusätzlich kann der Effekt des osmotischen Anschwellens zur Stabilisierung genutzt werden.

Da die Öltropfen dann jedoch stark mit Wassertropfen gefüllt sind, kommt es zwischen der äußeren Wasserphase und den inneren Wassertropfen verstärkt zu Kontakt. Um diese Emulsionen trotzdem über einen längeren Zeitraum stabil zu halten, werden hohe Anforderungen an die Stabilität gestellt. Koaleszenz der inneren Wassertropfen mit der äußeren Wasserphase und das Phänomen der Diffusion von Wasser oder gelöstem Aktivstoff durch die Öltropfen wurden systematisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für stabile Doppelemulsionen mit gutem Verkapselungseffekt höhermolekulare hydrophile Polymere als hydrophile Emulgatoren benötigt werden, die keine zu hohe Grenzflächenaktivität zeigen.

Die im Projekt eingesetzten Messmethoden wie das Verhalten von Einzeltropfen an planaren Grenzflächen sowie die Auswirkungen verschiedener Formulierungszusatzstoffe auf die Struktur und Stabilität von Einfachemulsionen können zum Screening weiterer erfolgversprechender Formulierungen genutzt werden. Dies führt zu einer schnelleren und günstigeren Entscheidung, welche Emulgatoren in Doppelemulsionen eingesetzt werden können.