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FISICOQUIMICA APLICADA
Año 2005
Superficies. Coloides.
Dra. Silvia Lores Arnaiz
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1. Superficies
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Fisicoquímica de Interfases
Fase porción homogénea de un sistema, en la cual
las propiedades se mantienen constantes.
Interfase región tridimensional intermedia entre
dos fases en contacto.
?

• Líquido/líquido

Propiedades y composición especial

• Líquido /sólido

?

• Gas/líquido

?

• Gas/sólido

Superficie concepto geométrico bidimensional y
aparente. Frontera entre dos fases.
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Trabajo Interfacial (?) (1)
Fase (g)
Trabajo necesario para modificar el área (?)
Fase (l)
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Trabajo Interfacial (?) (2)
Variación de energía libre por unidad de
área modificada
Unidades N/m
El aumento del área es un proceso endergónico
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Tensión Superficial y Temperatura
Entropía interfacial específica (S(?))
?
m - S
Tc
T
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Tensión Superficial y Solutos
- aminoácidos - sales de bases y ácidos
inorgánicos

• Solutos de tipo I

• Solutos de tipo II

- alcoholes - ácidos orgánicos
Propiedades anfipáticas
- sales de ácidos orgánicos (jabones) - sales de
sulfatos de alquilo - sales de sulfonatos de
alquilo - sales de aminas cuaternarias -
compuestos de polioxietileno

• Solutos de tipo IIa
• (tensioactivos)

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Solutos tipo I y tipo II
TIPO I
TIPO II
Se concentran en la interfase
Son excluídos en la interfase
Aumentan ?
Disminuyen ?
Adsorción negativa
Adsorción positiva
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Efecto de la concentración de soluto sobre la
tensión superficial
I
? (mN/m)
II
IIa
Concentración (M)
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Tensión Superficial y Solutos
Efecto del Dominio Hidrofóbico
Cuanto mas larga es la cadena hidrocarbonada
mayor es su efecto sobre la tensión superficial
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Agentes Tensioactivos o Surfactantes

• Poseen en su estructura dominios hidrofóbicos e
  hidrofílicos
• Se denominan compuestos anfipáticos o anfípatas

Dominio hidrofóbico cadena hidrocarbonada (no
tiene afinidad por el agua)
Producen una marcada disminución de la tensión
superficial
? ?
Dominio hidrofílico grupo polar (fuerte
afinidad por el agua)
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Fármacos con actividad superficial
Promazina Clorpromazina prometazina

• Tranquilizantes
• fenotiazinas

imipramina amitriptilina nortriptilina

• Antidepresivos

clorciclicina Difenhidramina Bromofeniramina mepir
amina

• Antihistamínicos

• Anestésicos locales

Tetracaína
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Tensión superficial de fármacos
feniramina
Difeniramina (HCl)
Ciclicina (HCl)
Bromodifeniramina (HCl)
maleato de bromofeniramina
Clorciclicina (HCl)
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Exceso Interfacial ( ? )
soluto i
área de interfase
nT soluto i total ni? soluto i en la fase
? ni ? soluto i en la fase ? ni? soluto i en
la interfase
Exceso Interfacial
ni? nT - (ni? ni?)
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Isoterma de Adsorción de Gibbs
En términos de energía, para un cambio reversible
infinitesimal
dU dqrev dw
Para un sistema abierto,
dU T dS dw ??i dni
Si dw corresponde al w necesario para aumentar el
área en dA
dw ? dA
d? - ? ?i . d?i
Para un sistema de dos compondentes, a T
constante,
d ? - ?2 . d?2
d ? - ?1 . d?1 - ?2 . d?2
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d ? - ?2 . d?2
?2 ?2 RT ln a2
Potencial químico

d?2 0
d?2 d?2 d RT ln a2
d?2 RT d ln a2
d ? - ?2 . RT d ln a2
d ln a a / da
Isoterma de Adsorción de Gibbs
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Ecuación de Adsorción de Gibbs
Exceso Interfacial y actividad de Soluto
?2,1 (mol/cm2)
Tipo II
0
c
Tipo I
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Monocapas de Extensión (1)
Anfípatas escasamente solubles (ácidos grasos) se
extienden, con ayuda de solventes adecuados
(benceno) sobre superficies acuosas. Si el área
lo permite forman espontáneamente una película
superficial de una molécula de espesor.
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Monocapas de Extensión (2)

• Las propiedades de las monocapas homogéneas (un
  tipo de moléculas) dan información de las
  moléculas que la forman
• tamaño
• forma
• orientación
• Las propiedades de las monocapas heterogéneas
  (mas de un tipo de moléculas) dan información
  sobre la interacción entre las moléculas.

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Aplicaciones farmacéuticas de estudios de
monocapas
a) Estudios de monocapas de polímeros usados como
materiales de empaque y film coating
Material de empaque debe proteger droga sin
alterar composición del producto
Evaluar permeabilidad
b) Estudios de monocapas utilizadas como modelos
de membranas celulares
Evaluar interacción fármacos con membranas
lipídicas Relación penetración membranas -
actividad biológica
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2. Coloides
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Características de los sistemas coloidales
fase dispersa (material particulado)
Dispersión
fase dispersante (fase continua)
Dispersión coloidal tamaño de partícula 1 nm a
1 ?m
Gran relación área superficial a volumen
Energía libre interfacial ? intestabilidad
termodinámica
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Principios activos que forman coloides micelares
Agentes antibacterianos Derivados de la
acridina, cloruro de benzalconio,
cloruro de cetilpiridinio Tranquilizantes
Derivados fenotiacínicos, clorhidrato de
reserpina Anestésicos locales Clorhidrato de
procaína, clorhidrato de
lidocaína Analgésicos narcóticos Clorhidrato de
morfina, clorhidrato de meperidina Colinérg
icos Clorhidrato de pilocarpina Antihistamínicos
Clorhidrato de difenhidramina, maleato de
pirilamina Antihelmínticos Clorhidrato de
lucantona Antibióticos Ciertas penicilinas
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Clasificación de los sistemas coloidales
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Propiedades de los sistemas coloidales
Opticas efecto Tyndall (dispersión de la luz en
todas las direcciones)
Osmóticas permite determinar PM de las
partículas coloidales
Cinéticas Movimiento browniano ?
Difusión Sedimentación

• Eléctricas las partículas poseen carga eléctrica
  en su superficie, ya sea por
• Ionización
• Adsorción
• Fricción

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Diálisis y filtración
Papel de filtro retiene partículas gt 1 ? ?
permeable a sistemas coloidales
Diálisis
empleo de membranas para separar impurezas de
dispersiones coloidales
Nitrato de celulosa preparado con colodión,
acetato de celulosa o polímeros sintéticos
Tamaño de poro Repulsión eléctrica entre membrana
y partículas Adsorción
Permeabilidad de membrana
Electrodiálisis para separar impurezas de bajo
PM que son electrolitos
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Coloides la doble capa eléctrica
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Clasificación de coloides de acuerdo a su
afinidad por el medio de dispersión
Liofílicos (afines al solvente)
Liofóbicos (no afines al solvente)

• Dispersiones coloidales
• Suspensiones emulsiones aerosoles

• Soluciones de macromoléculas
• Coloides por asociación (micelas)

• Termodinámicamente estables

• Termodinámicamente inestables

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Coloides liófilos
termodinámicamente estables
Solvatación en superficie de partículas ?
estabilización
Soluciones verdaderas ? una sola fase
Pérdida de la estabilidad
a) Por adición de concentración elevada de
electrolito
aglomeración y sedimentación
efecto salino
b) Por mezcla de coloides hidrófilos con carga
y -
formación de agregados
coacervación
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Coloides por asociación (micelas)
Agentes Tensioactivos o Surfactantes

• A baja concentración (50-200 ?M) producen una
  marcada disminución de la tensión superficial.
• A mayor concentración (1-5 mM) forman en la
  solución estructuras relativamente estables,
  llamadas micelas.

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Concentración Micelar Crítica (CMC)
Es la concentración del tensioactivo en la que
las moléculas individuales se agregan para formar
micelas
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Factores que modifican la Concentración Micelar
Crítica
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Micelas
Las micelas permiten un pequeño medio interior
hidrofóbico en un medio acuoso.
La formación de micelas por los detergentes
posibilita el secuestro de moléculas grasas
en el interior de la micela
Algunas drogas, que son moléculas anfipáticas
relativamente grandes, están en su forma
farmacéutica como micelas (microemulsiones)
Las micelas digestivas (A) y las lipoproteínas
(B) son componentes fisiológicos de tipo micelar
fosfolípidos colesterol
triglicéridos apoproteínas
B
A
ácidos grasos sales biliares
triglicéridos
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Coloides por asociación (micelas)
Agentes Surfactantes Detergentes catiónicos
Cloruro de dodeciltrimetilamonio Cloruro de
dodecildimetiletilamonio Cloruro de
dodecilpiridinio
Sales de amonio cuaternarias
Gram Gram Hongos
Uso como antimicrobianos
Disminución de la tensión superficial Alteración
de la membrana citoplasmática microbiana Interacci
ón con constituyentes citoplasmáticos grupos
-COOH
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Principio de Ferguson
Correlación entre coeficientes de partición en
componentes lipídicos (membranas) y actividad
biológica
Actividad termodinámica para un compuesto en
solución
St concentración molar del compuesto en la
solución So solubilidad
St/So
Ferguson Sustancias con similar actividad
termodinámica en un medio biológico dado tienen
la misma potencia biológica
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Aplicación del principio de Ferguson a la
actividad antimicrobiana de sales de amonio
cuaternarias
MEC concentración que mata 99.9 de un
determinado microorganismo
La actividad antimicrobiana está en relación a la
actividad de superficie
?MEC/ ?CMC
Actividad termodinámica
?MEC concentración en superf. a MEC, ?CMC
concentración en superf. a CMC
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Bicapas lipídicas - liposomas
Membrana biológica
Micela
Liposoma
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Cristales líquidos y vesículas de surfactantes
Fase media o hexagonal (empaquetamiento hexagonal
de micelas cilíndricas)
Fase laminar (empaquetamiento de micelas
laminares)
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Cristales líquidos Diagrama de fases
A fase líquida B solución micelar C fase
hexagonal D fase cúbica E fase laminar F
fase sólida
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Bicapas Lipídicas Experimentales Liposomas
Las soluciones de fosfolípidos sometidas a
ultrasonido (sonicación) producen liposomas
pequeños (unilamelares).
Liposoma unilamelar
Las mismas soluciones, evaporado el solvente y
agitados los fosfolípidos con soluciones acuosas,
producen liposomas grandes (multilamelares).
Liposoma multilamelar
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Liposomas como forma farmacéutica
Los liposomas proveen un volumen hidrofílico
encerrado en una o varias bicapas lipídicas.
Los liposomas se fusionan con membranas celulares
y permiten liberar el contenido (en este esquema,
la enzima superóxido dismutasa) hacia el interior
celular.
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Coloides liófobos
termodinámicamente inestables

• Estabilización se puede llevar a cabo por dos
  medios
• Haciendo que las partículas adquieran carga
  eléctrica
• por agregado de pequeñas cantidades de
  electrolitos

agentes defloculantes
b) Rodeando cada partícula con una película
protectora que evite que se adhieran entre sí
coloides protectores
b) Agregando un agente con actividad superficial
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Coloides liófobos
Emulsiones
Dos líquidos no miscibles (uno disperso en el
otro en formas de gotas de tamaño coloidal)
Fase dispersa o interna
Emulsión
Acuosa o/w
Fase continua o externa
Oleosa w/o
Estabilidad mínima, puede ser aumentada añadiendo
tensioactivos, sólidos finamente divididos.
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Estabilidad de las emulsiones
La destrucción de una emulsión puede producirse
por

• Coalescencia
• Difusión molecular
• Floculación
• Formación de crema
• Inversión de fases

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Esterilizacion de emulsiones (1)
Autoclave
Emulsiones lipídicas 10-20 aceite en agua,
estabilizadas con lecitina
Tamaño de gota en el rango 0.2-0.4 ?m
Usos emulsiones lipídicas para administración
parenteral, vehículo para drogas poco solubles
en agua como vitaminas liposolubles emulsiones
lipídicas para target de drogas a órganos blanco
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Esterilización de emulsiones (2)
Filtración esterilizante
Mecanismos de esterilización por membrana
Filtros de membrana (screen filters)
Filtros de profundidad (depth filters)
Ej. Filtros de policarbonato
Ej. Filtros de celulosa
suspensiones de liposomas (Goldbach et al., 1995)
emulsiones parenterales (Lidgate et al., 1992)