改性高岭石稳定W/O/W双重Pickering乳液的制备

汤琪 甄博文 王明浩 郭虎 朱文凤 谢襄漓

（1. 桂林理工大学材料科学与工程学院，广西 桂林 541004;        2. 桂林理工大学化学与生物工程学院，广西 桂林 541004）

摘      要：双重乳液是一种能满足对亲水亲油特性不同的两种药物同时进行输送的载体系统，但传统乳液中表面活性剂的使用给环境造成的重危害问题使乳液的应用受到限制。以卵磷脂改性的高岭石为乳化剂制备W/O/W双重Pickering乳液，主要研究了改性剂用量、改性高岭石特征、乳液体系的油水比等对双重Pickering乳液稳定性的影响。以接触角为130°的改性高岭石稳定的内相（W1/O），以接触角为88°的改性高岭石稳定外相（O/W2），获得了可以对两种不同亲水性特征药物同时进行包封的W1/O/W2双重Pickering乳液。

关  键  词：双重Pickering乳液;高岭石;改性;卵磷脂

中图分类号：TQ039          文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2019）11-2449-04

Preparation of W/O/W Double Pickering Emulsion

With Modified Kaolinite as Emulsifier

TANG Qi¹， ZHEN Bo-wen¹， WANG Ming-hao¹， GUO Hu¹， ZHU Wen-feng¹， XIE Xiang-li^2*

（1.College of Materials Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guangxi Guilin 541004， China;

2.College of Chemistry and Bioengineering， Guilin University of Technology， Guangxi Guilin 541004， China）

Abstract： Double emulsion is a carrier system that can deliver hydrophilic and hydrophobic drugs simultaneously. But the use of surfactants in conventional emulsion has caused serious environmental hazards， which limits the application of traditional emulsions. In this study，kaolinite modified by lecithin was used as emulsifiers to prepare W/O/W double Pickering emulsions. The influence of lecithin content， modified kaolinite， oil-water ratio of emulsion on the stability of double Pickering emulsions was studied in this work. The prepared W1/O/W2 double Pickering emulsion， whose internal phase （W1/O） was stabilized with lipophilic kaolinite（ the contact angle of 130°） and whose external phase （O/W2） was stabilized with hydaophilic kaolinite （the contact angle of 88°） ， could simultaneously encapsulate two drugs with different hydrophilic and lipophilicity characteristics

Key words： Double Pickering emulsion; Kaolinite; Modification ; Lecithin

1  引  言

乳液是由一種液体以液滴（分散相）的形式分散于另一种液体（连续相）当中形成的均匀体系。乳液被用作药物输送的载体而广泛应用于食品、药品等行业^[1]。但是普通乳液在药物输送领域的应用是有限的，将药物溶解在由水相组成的内相中并被由油相组成的外相包裹而形成的油包水（W/O）乳液体系只能用作亲水性药物的载体;而将药物溶解在由油相组成的内相中并被由水相组成的外相所包围所形成的水包油（O/W）乳液体系只能用作亲油性药物的载体。传统乳液无法满足同时将两种不同亲水亲油性特征的药物在同一个体系中输送的要求。因此双重乳液的开发及利用显得极为迫切，W / O / W型双重乳液可以作为同时包封亲水性药物和疏水性药物的载体。但是目前双重乳液都是由表面活性剂来稳定^[2-6]，表面活性剂的使用带来的环境危害问题使传统乳液的应用受到限制^[7-9]，以固体颗粒稳定的 Pickering 乳液开创了环境友好型乳液研究和应用的新思路^[8]。

高岭石可以作为固体颗粒用来稳定Pickering 乳液。高岭石是由硅氧四面体（SiO₄）和铝氧八面体（Al₂（HO）₄）按 1∶1 规律堆叠而成的黏土矿物，单元层内的硅氧四面体和铝氧八面体片之间由共价键连接， 单元层之间由氢键连接。无论片层怎么堆叠和剥离， 高岭石颗粒的外表面的一面为Al₂（HO）₄八面体表面， 被羟基覆盖; 而另一面为SiO₄四面体表面，被硅氧烷基团覆盖。因此高岭石颗粒本身具有天然表面差异性（Janus特性）。然而高岭石颗粒本身的Janus特性比较弱且在通常情况下被掩盖起来，只有通过对高岭石外表面的选择性修饰，放大两个不同基面结构和化学特征差异，高岭石结构的 Janus 特征才会明显显现出来，使其具有类似表面活性剂双亲性的结构特征。

卵磷脂是一种被称为血管清道夫的营养物质为改性剂，其结构中的胆碱基团在一定条件下可以与高岭石八面体表面的羟基作用而完成对高岭石的修饰。本文用卵磷脂改性高岭石，通过对改性条件的控制获得不同改性程度的高岭石并作为制备双重乳液的稳定剂。探讨了改性高岭石特征、改性高岭石的用量、水油比对乳液稳定性的影响。

2  实验部分

2.1  试剂与原材料

高岭石取自广东茂名;姜黄素（纯度> 95%）和儿茶素（> 98%）购自Sigma-Aldrich（Saint Louis，MO，USA），卵磷脂（> 90%）购于上海麦克林生化科技有限公司，中链甘油三酯（MCT100%）购自Now Foods有限公司。

2.2  实验方法

（1）卵磷脂改性高岭石制备：利用乳液界面为两亲性分界面，将高岭石分散于乳液界面上，以实现高岭石的定向控制分布，从而达到对高岭石表面的选择性修飾的目的。典型的制备方法：在室温下把0.05 g卵磷脂分散于50 mL乙醇于中，于1 000 r/min的转速下搅拌10 min达到充分溶解分散后作为反应的水相;将50 mL石蜡油作为反应的油相加入上述乙醇溶液中，于12 000 r/min下充分搅拌5 min后，加入2 g高岭石作为乳化剂，继续搅拌20 min后转移至75℃的恒温水浴锅中，于5 000 r/min搅拌条件下继续反应24 h后离心洗涤，干燥后即得到接触角为88°的改性高岭石，标记为θ=88°。在相同的条件下，调节卵磷脂的用量为0.3g，得到接触角为130°的改性高岭石，标记为θ=130°。

（2）卵磷脂修饰高岭石稳定的双重乳液制备：采用两步法，用改性高岭石作为乳化剂将儿茶素和姜黄素同时包封在由改性高岭石稳定的W/O/W双重Pickering乳液中。首先把一定体积的溶有姜黄素的中链甘油三酯作为乳化的油相（O），将1%的强亲油性改性高岭石θ=130°。均匀分散在油相中。把一定体积的溶有儿茶素的去离子水作为水相（W1）加入油相中，且V（O）：V（W1）=5：5，在12 000 r/min的搅拌速度条件下均化5分钟形成W1/O乳液。然后，取一定体积的W1/ O乳液，并向其中滴加均匀分散有0.5%～1%的高岭石或亲水性改性高岭石θ=88°的去离子水作为乳化的W2相，且V（W2）：V（W1/O）=6：4/5：5/7：3，以12 000 r/min的搅拌速度均化5 min形成了同时将儿茶素和姜黄素包封在由W1/O组成内相的W1/O/W2乳液。W2相作为乳液的连续相与油水界面上的改性高岭石形成对O相和W1相的保护屏障作用，进而达到对油溶性姜黄素和水溶性儿茶素共同包封的目的。

2.3  表征方法

乳液微观特征观察用莱卡Leica DM RX型显微镜，用AxioVisionSE64 Rel.4.9软件对图片编辑，采用美国科诺工业有限公司SL200KS接触角测量仪对改性高岭石的亲水亲油性特征进行分析，乳液的稳定性采用乳液稳定性指数^[5]（ESI）分析，用Nano- Measurer 1.2软件对乳液的粒径分布进行分析。

3  结果与讨论

3.1  卵磷脂对高岭石的修饰作用

图1是改性剂卵磷脂含量对高岭石改性效果的影响，用三相接触角测试结果表征改性高岭石的亲水亲油性特征。

高岭石疏水性程度取决于改性剂的添加量，未添加改性剂的原始高岭石的三相接触角为0°，表明高岭石四面体层的水化阳离子赋予四面体层表面亲水性，而高岭石八面体本身被亲水性的 Al2-OH 基团覆盖而具有亲水性，导致整个高岭石的表面具有极强的亲水性。然而，在使用2.5%～15%的卵磷脂进行修饰之后，高岭土的疏水性急剧增加，接触角从88°迅速增加到130°，当改性剂的含量为15%时有最大接触角130°，说明此时的得到的该性高岭石表现出最大疏水性。这个现象可能归因于，卵磷脂分子结构中的胆碱基团在一定条件下可以与高岭石八面体表面的羟基作用而完成对高岭石的修饰作用，且随着改性剂用量的增加，与高岭石八面体接触而参与反应的卵磷脂的量也随着增加，使得高岭石的疏水性也逐渐增大。说明选用卵磷脂为改性剂在一定条件下可以显著的的该变高岭石的亲水亲油性，从而进一步凸显了高岭石颗粒的 Janus 特性，使其具有类似表面活性剂双亲性的结构特征。

3.2  基于卵磷脂修饰的高岭石稳定的双重乳液的制备及特征

乳化剂之间存在极性差异，合适的添加量和水油比是完成制备稳定的双重Pickering乳液的必备条件。两步乳化方法用于制备双重Pickering乳液，表1为W/O/W乳液样品的组成成分。各样品成分之间均存在显著差异，并通过对其进行显微镜观察和乳液稳定性指数（ESI）的表征来确定制备双重Pickering乳液的最佳条件。

在乳化剂种类的选择上，原始高岭石表现为强亲水性，接触角为0°，只能用作制备O / W乳液的乳化剂。因此选用单一的原始高岭石无法完成双重乳液的制备。由图1可以看出用卵磷脂为改性剂改性后的高岭石，改性剂用量差导致改性高岭石样品之间的亲水亲油性存在很大差异。本实验选用θ=130°的改性高岭石代替传统的亲油性表面活性剂作为第一步制备W/O乳液的乳化剂，并选择用θ=88°的改性高岭石或θ=0°的原始高岭石代替传统的亲水性表面活性剂作为第二步W/O/W乳液的乳化剂。表1中样品a与样品b的乳化条件均相同，主要区别是在第二步乳化的过程中，样品a是用θ=0°的原始高岭石作乳化剂，而样品b是用θ= 88°的改性高岭石作乳化剂。由图2a和图2b可以看出二者均形成了双重乳液，但是样品b内相中的W1相所占整个W1/O相的比例要比样品a的更高，显然这是利于对两种不同疏水性物质的同时包封的要求。双重乳液样品a液滴尺寸分布为20～120μm且近50%集中分布在60～80μm，而样品b的液滴尺寸分布为30～85μm，且超过60%集中分布在40～60μm。图2Ⅱ显示样品b的ESI为42.03%，远高于样品a的ESI质（30.35%）。这表明用θ= 88°的改性高岭石作乳化剂有利于形成液滴粒径更小，粒径分布更均一，更稳定的多重乳液。这种差异的存在可能是由于θ= 88°的改性高岭石降低了油的界面张力有利于其在油水界面的分布，使改性后的高岭石更容易在乳液液滴表面形成致密有序的壳结构。这是一个重要的观察结果，因此用θ= 88°的改性高岭石作为乳化剂的将可以减少对表面活性剂的依赖性。

在乳化剂用量的选择上，表1中各样品的乳化剂的用量的主要区别为在第二步乳化过程。样品b的乳化剂用量为1%，获得的双重乳液样品b的连续相W2中出现了过量的固体颗粒。样品d的乳化剂用量为0.8%，获得的双重乳液样品d的连续相W2中并无过量的固体颗粒。继续减小乳化剂用量到0.5%得到样品e的连续相W2中发现了未被包封的黄色的油相（O）。图2e₁中虽然具有较小的粒度分布30～65μm的液滴，但是图2Ⅰ显示样品e的乳液含量是最少的，仅有30%。图2II显示样品e的ESI降到最小值15%，可能是由于添加的乳化剂不足所致。综上所述，在第二步乳化的过程中乳化剂的合适的用量为0.8%。

在水油比的选择上，表1中各样品的水油比的主要区别为在第二步乳化的过程中，样b水油比为（V （W2） ∶V（（W1/O）乳液）=6∶4，调节该水油比至5∶5得到样品c。由图2c可以看出样品c已经没有明显的W1相，说明减小连续相W2的体积并不利于内相（W1/O）的形成，而且图2c₁显示样品c的液滴粒径分布为40～105μm，较样品b粒径分布更宽，ESI指数也相对b样品减少了近10%，说明减小第二步过程中的水油比并不利于乳液的稳定及双重乳液多相的形成。继续调节水油比到（V （W2） ∶V（（W1/O）乳液）=7∶3得到樣品d，由图d可以看出内相中的W1又重新恢复，且内相中的O相与W1相所占的比例与样品b中的比例相当，都接近1∶1，这个比例接近在第一步乳化过程中的水油比值，这显然是有利于对两种不同疏水性药物的同时包封的要求。图2d1发现样品d的乳液液滴粒径分布为30～75μm，较样品b粒径分布更均一，图Ⅰ也显示样品d的乳液含量达到70% ，图Ⅱ说明样品d的稳定性指数也增加到56.87%，较样品b上升了近10%，说明在第二步乳化的过程中水油比（V（W2） ∶V（（W1/O）乳液）=7∶3时，有利于多重乳液多相的形成及乳液的稳定。

综上所述，第一步乳化过程的优选条件是用水油比为5∶5、用接触角为130°含量为1%的改性高岭石作乳化剂;第二步乳化的优选条件是使用水油比为7∶3、用接触角为88°含量为0.8%的改性高岭石作乳化剂。此时可以制备出将亲油性药物包封在油（O）相，将亲水性药物包封在水（W1）相，并通过连续相W2相与油水界面上的改性高岭石形成对两种不同亲水性特征药物同时进行包封的W1/O/W2双重Pickering乳液。

4  结论

本研究用卵磷脂作为改性剂，显著地改变了高岭石的亲水亲油性特征。用改性高岭石为稳定剂，采用两步乳化法制备双重乳液。分别采用接触角为130°的改性高岭石和接触角为88°的改性高岭石作为第一步乳化和第二步乳化过程的稳定剂，获得了制备双重Pickering乳液的最佳条件。这种双重Pickering乳液系统可以将亲油性药物包封在油（O）相，将亲水性药物包封在水（W1）相，并通过连续相W2与油水界面上的改性高岭石对包封有两种不同亲水亲油特性药物的内相（W1/O）形成保护作用，这种新型环保材料的使用将会改善对表面活性剂的依赖产生的环境污染问题，在食品及药品领域具有广泛的应用前景。

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