Emulsions by Gaysorn Chansiri

วัตถุประสงค์การเรียนรู้  สามารถอธิบายความหมายและการเกิดอิมัลชัน  สามารถอธิบายความไม่คงตัว (สาเหตุและการป้องกัน) ของอิมัลชัน  สามารถตั้งตำรับและอธิบายวิธีการเตรียมอิมัลชันได้  สามารถอธิบายวิธีการประเมินอิมัลชันได้

content 1. Definition 2. Types of Emulsions 3. Application of Emulsions 4. Theories of emulsification 5. Stability of emulsions factors to consider technique of preparation 6. Formulation of emulsions 7. Evaluation

Definition  thermodynamically unstable system, composed of two immisible liquid in which one liquid dispersed as droplets in other liquid  internal phase / dispersed phase / discontinuous phase  external phase / dispersion medium / continuous phase  emulsifier / emulsifying agent  น้ำ / น้ำมัน

Emulsion types oil water 1. Oil in water ( o/w ) 2. Water in oil ( w/o) Simple Emulsion 3. Multiple emulsion ( o/w/o, w/o/w ) 4. Transparent emulsion ( micro emulsion) oil water

Application of emulsions  drug and cosmetics  oral , topical , iv , im , se  drug carrier  improve bioavailability

Theory of emulsification  Droplet diameter surface area surface free energy instability of emulsion  Emulsifier surface tension surface free energy  Emulsifier adsorbed film at droplet interface mechanical barrier to coalescense

Adsorption film  Monomolecular Adsorption - เกิด monomolecular film - surfactant emulsifier - combination of emulsifier complex film Oil H2O oil  Multimolecular Adsorption - เกิด multimolecular film - hydrated lyophilic colloid (acacia , traq , gelatin) H2O

Adsorption film  Solid particle adsorption - เกิด particulate film - Finely divided solid particles - Bentonite , veegum oil H2O

Starbility of emulsions 1. Flocculation 2. Creaming 3. Coalescence 4. Phase inversion 5. Breaking / Cracking 6. Miscellaneous physical and chemical change

Flocculation  การรวมกลุ่มของ droplet ที่ยังมี interfacial film  reversible  ป้องกันโดย :- electrical d/b layer - solvent sheath - steric effect

Creaming  ปรากฏการณ์ที่ emulsion แยกเป็นสองชั้น  reversible  2 types - upward creaming ( - ) o/w - downward creaming ( + ) w/o V = d2 ( i - e ) g / 18 y

Creaming  % creaming  การลด creaming rate (v) - ลด d ( homogenizer , colloid mill ,ultrasonic ) - เพิ่ม y (viscosity inducing agent , ลด d, เพิ่มอัตภาคภายใน, อุณหภูมิ ) - ลด โดยเติม bromoform , bromonapthalein i - e

Coalescense / Breaking / Cracking  การรวมตัวของ droplet เป็นหยดใหญ่ขึ้นจนแยกเป็นสองชั้น  irreversible incomplete film  cause of coalescense - concentration of emulsifier - int. phase > 74 – 75 % ( optimal 50:50 ) - electrolyte ลด zeta potential - incompatibility (Ca2+, Mg2+ ใน alkali soap) - microbial degradation of emulsifier - temperature Oil

Phase inversion  เปลี่ยนจาก o/w w/o หรือกลับกัน  causes - เติม electrolyte เช่น Ca2+ ลงใน emulsion ของ Sod. oleate - เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ณ PIT - เปลี่ยนแปลงการละลายของ emulsifier - เปลี่ยนแปลง phase volume ratio จน > 75 %

 มีผลจากปัจจัยได้แก่ Miscellaneous Phisical and Chemical Change  มีผลจากปัจจัยได้แก่ - อุณหภูมิ - Oxidation - Microbial - Emulsifier ไม่เหมาะสม - เทคนิคในการเตรียมไม่ถูกต้อง - ภาชนะบรรจุไม่เหมาะสม - ปฏิกิริยาทางเคมี

General Formula Oral emulsion (o/w) water phase oil phase - water soluble ingredient - sweetener - flavor - preservative - color - น้ำ oil phase - active ingredient - vegetable /mineral oil - emulsifier - antioxidant ( if need ) - flavor ( if need )

General Formula Topical emulsion (o/w , w/o)  Water phase - active ingredient - humectant - preservatives - viscosity inducing agent - buffer - flavor - น้ำ  Oil phase - active - vegetable or mineral oil - emulsifier - antioxidant / flavor - stiffening agent

Formulation of Emulsions  ปัจจัยที่ต้องคำนึงถึง 1. Type of emulsions - oral emulsion : o/w , edible emulsifier - topical emulsion : o/w , w/o - iv emulsion : o/w , w/o 2. Oil phase - วัตถุประสงค์จะใช้เป็น oral / topical - toxicity - liquid / semisolid ที่ต้องการ - การละลายของ active ingredient

Formulation of Emulsions 3. Phase volume ratio - ควรใช้ int.phase 40 – 60 % 4. Emulsifier - thermodynamic stabilizer - mechanical barrier - electrical barrier

การเลือกใช้ emulsifier 1. Route of Administration - oral : o/w emulsifier (nat.gum เช่น acacia ) : ไม่ควรใช้ soap emulsifier : ระวังการใช้ surfactant - iv : o/w emulsifier ( lecithin , pluronic F-68) - im : o/w และ w/o emulsifier : ไม่ควรใช้ surfactant - topical : ไม่ควรใช้ nat.gum

การเลือกใช้ emulsifier 2. Types of emulsions ( o/w , w/o ) 3. Toxicity ( ไม่ใช้ soap ใน oral emulsion ) 4. Incompatibility ( tween + paraben ) 5. Stability of emulsifier : non ionic surfactant คงตัวในช่วง pH กว้าง ( 3-10 ) 6. Consistency 7. Price 8. Mix emulsifier : acacia + trag , tween+span 9. Content : 2-5 % or 1-25 %

Classification of emulsifier  แบ่งตามชนิดของ film - monomolecular film : surfactant - multimolecular film : acacia , gelatin - solid particle film : bentonite , veegum  แบ่งตามชนิดของ emulsion - o/w - w/o

Classification of emulsifier  แบ่งตามกลไกการทำให้ emulsion คงตัว - true emulsifier : ลด r , เกิด film - auxiliary emulsifier : ไม่สามารถลดแรงตึงผิวแต่เพิ่ม y  แบ่งตามแหล่งที่มา - synthetic : surfactant - natural gum : hydrophilic colloid - clay : film divided solid

Surfactant  กลไกการเป็น emulsifier ของ surfactant - thermodynamic activity - mechanical barrier - electrical barrier  anionic , cationic , amphoterric , nonionic  HLB of Px and surfactant

Surfactant  required HLB ของ oil phase ทั้งหมดในตำรับอิมัลชัน ซึ่งหาได้จากการคำนวณ การทดลอง Required HLB emulsion 4 – 6 w/o 8 – 18 o/w

Surfactant

Surfactant  ถ้าต้องการใช้ T80 + S80 เป็น emulsifier - aligation method HLBtween HLB span Required HLB - Required HLB Required HLB - T80 (15) S80(4.3) 12.1 2.9 / 10.7 7.8

Surfactant - สูตรที่ใช้คำนวณ เพราะฉะนั้นต้องใช้ T80 = ( 7.8/10.7 )*( 7/100 ) = 5.1 g S80 = ( 2.9/10.7 )*( 7/100 ) = 1.9 g - สูตรที่ใช้คำนวณ Required HLB = X ( HLBs ) + ( 1-X ) ( HLBt ) โดยที่ X = flaction of span T80 = (7.8/10.7) * 7 = 5.1 g S80 = (2.9/10.7 ) * 7 = 1.9 g

Antioxidant  water soluble antioxidant  oil soluble antioxidant : ascorbic acid , metabisofilic , thioglycol  oil soluble antioxidant : ascorbyl palmitate, BHT, BHA, pripyl gallate, L-tocopherol  0.001 – 0.1 %  ร่วมกับ chelating agent : EDTA, citric acid, phosphoric acid, tartaric acid

Preservative C = Cw [(1-Kw )+Kmq] C = total conc. of preservative Cw = conc. of preservative water = phase volume ratio of oil = Voil/ V q = phase volume ratio of surfactant = Vs/ V Kw = Co/C w , Kw = Cm/C w m H2O

Humectant  ป้องกันการระเหยของน้ำจากตำรับ  o/w  sorbital , PG , Glycerin , mannitol , glucose  2-20 %

Rheology and viscosity Technique for emulsion preparation 1. Dry gum method (continental method ) : ใช้ gum เป็น emulsifier : ต้องคำนวณ ratio ของการเกิด 1 emulsion Oil :น้ำ : gum = 4:2:1 ( fixed oil ) = 3:2:1 ( mineral oil ) : gum + oil ก่อน จึงเติมน้ำทั้งหมดทันที บดเร็วๆจนเกิด emulsion และมี cricking sound

2. Wet gum method ( English method ) : gum + น้ำ ก่อนจึงค่อยๆเติม oil : ขณะเตรียมอาจเกิดภาวะ emulsion ขาดน้ำ 3. Beaker method : นิยมกับปฏิกิริยาที่มี wax ใช้ surfactant : แยก oil phase and water phase heat บน water bath จนมีอุณหภูมิ 72-75 องศาเซลเซียส : เทวัตถุภายในลงในวัตภาคภายนอก ค่อยๆเทเป็นสายเล็กๆต่อเนื่อง และคนสม่ำเสมอในทิศทางเดียวกันจน congeal : เติมน้ำหอมที่ 45 – 50 องศาเซลเซียส : ไม่ทำให้เย็นเร็วเกินไป

Rheology and viscosity 4. Bottle method : vol.oil : ใช้ส่วนผสมในขวดและเขย่า 5. Ultrasonifier : bath / probe 6. Coloid mills 7. Homogenizer 8. Microfluidizer

Rheology and viscosity ตัวอย่างที่ 2 Mineral oil , hight 20 g Lanolin , anh 1 g Tween + span 5 g น้ำบริสุทธิ์ 100 g ตัวอย่างที่ 1 Mineral oil 15 g Tween + span 3 g น้ำบริสุทธิ์ 42 g

การตรวจชนิดของอิมัลชัน 1. Dilution test : emulsion สามารถผสมได้กับ ext. phase เท่านั้น : เหมาะกับ liquid emulsion 2. Dye test : water soluble dye ละลายและติดสีใน background ของ o/w 3. COCl2 / filter paper : กระดาษกรองจะเปลี่ยนสีจากน้ำเงิน ชมพู ถ้า o/w

การตรวจชนิดของอิมัลชัน 4. Fluorescence : oil เรืองแสงภายใต้ uv-light 5. Conductivity : น้ำจะนำกระแสไฟฟ้า : ใช้ไม่ได้ผลใน nonionic o/w emulsion

การทำนายชนิดของอิมัลชัน 1. Phase volume ratio : phase ที่มีปริมาณมาก ext.phase 2. Type of emulsifier : phase ที่ emulsifier ละลาย ext.phase 3. Technique of preparation : ถ้าเท oil ลงในน้ำ o/w : ระวังเรื่อง phase inversion

Evaluation of emulsions Stress condition 1. Aging and temperature 2. Freeze and thaw 3. Centeifugation 4. Agitation

3. Size and size distribution of int. phase การประเมินสมบัติทางกายภาพของ emulsion 1. Phase separation - rate and content of separation / creaming - % creaming 2. Viscosity - ถ้า emulsion ไม่คงตัว ความหนืดจะลดลงเมื่อทิ้งไว้ 3. Size and size distribution of int. phase - ถือเป็นวิธีที่ดีที่สุด

6. Electrical conductivity การประเมินสมบัติทางกายภาพของ emulsion 4. Dielectric constant - ใน o/w ถ้าเกิด creaming ค่า dielectric constant ด้านบนจะต่ำลง 5. Zeta potential - บอกอัตราเร็วของการเกิด flocculation 6. Electrical conductivity - o/w จะนำไฟฟ้าและresistant ถ้าไม่คงตัว resistant - w/o ไม่นำไฟฟ้า ถ้า coalescense นำไฟฟ้าได้

References 1. RPS 17th ed. p.317 – 329 2. The Theory and Practice of Industrial Pharmacy , 3rd edi. p.502 – 533 3. Physical Pharmacy , 4th edi. p.486 – 496 4. Pharmaceutical Technology , p.334 – 340 ,1970 5. Encyclopedia of Emulsion Technology , vol.1 ,1983 6. Pharmaceutical Dosage Forms:Disperse system ,vol.1, p.49 – 150 , 199 – 284 , 1988