Nanoemulsion là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu 

Nanoemulsion là một hệ nhũ tương có kích thước giọt rất nhỏ, thường dao động từ 20 đến 200 nm. Kích thước siêu nhỏ này mang lại những tính chất đặc biệt về độ ổn định, khả năng hòa tan và tương tác bề mặt so với các hệ vi nhũ hoặc nhũ tương thông thường. Trong dược phẩm, thực phẩm và mỹ phẩm, việc sử dụng nanoemulsion giúp tăng độ hòa tan các hoạt chất thân dầu, cải thiện sinh khả dụng và kiểm soát tốc độ phóng thích.

Trên thực tế, sự quan tâm đến nanoemulsion bùng nổ trong hai thập kỷ gần đây nhờ khả năng ứng dụng linh hoạt trong nhiều lĩnh vực: vận chuyển thuốc không hòa tan nước, bảo quản hương liệu thực phẩm, tạo màng phủ chống oxy hóa, cũng như nền tảng để phát triển các hệ dẫn liệu thông minh. Chính vì vậy, hiểu rõ bản chất, đặc tính và phương pháp chế tạo nanoemulsion là bước khởi đầu quan trọng để nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Bài báo này sẽ đi sâu vào các khía cạnh lý thuyết và thực nghiệm của nanoemulsion, bao gồm định nghĩa, phân loại, đặc tính vật lý–hóa học cơ bản, các kỹ thuật chế tạo tiêu biểu và các phương pháp đặc trưng hóa. Phần đầu tiên (4 ý chính đầu tiên) tập trung mô tả khái niệm, phân loại, tính chất và công nghệ chế tạo.

Định nghĩa và phân loại

Nanoemulsion được định nghĩa là hệ nhũ tương có kích thước giọt trung bình nằm trong khoảng 20–200 nm. Khi kích thước hạt giảm xuống ngưỡng này, hiện tượng tán xạ sáng (Tyndall effect) xuất hiện rõ ràng, giúp nhũ tương trở nên đục mờ hoặc trắng sữa. Đặc điểm nổi bật nhất là độ bền nhiệt động cao hơn do áp suất Laplace tăng lên cùng với giảm bán kính giọt.

Dựa trên cấu trúc hai pha, nanoemulsion thường được phân thành ba loại chính:

• Oil-in-water (O/W): giọt dầu phân tán trong pha nước, ứng dụng phổ biến trong dược phẩm và mỹ phẩm.
• Water-in-oil (W/O): giọt nước phân tán trong pha dầu, thường dùng trong kem dưỡng, màng bảo vệ da.
• Bicontinuous: cả hai pha dầu và nước đều liên tục, tạo cấu trúc lưới phức tạp, chưa được ứng dụng rộng rãi do khó điều khiển.

Thông tin chi tiết về khái niệm và đặc tính nanoemulsion có thể tham khảo tại PubChem, một nguồn tin cậy về hóa chất và hệ nhũ tương.

Đặc tính vật lý–hóa học

Kích thước giọt và phân bố kích thước (PDI – polydispersity index) là hai thông số quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nanoemulsion. Phương pháp Dynamic Light Scattering (DLS) thường được sử dụng để xác định trung bình kích thước giọt và độ đồng nhất phân bố.

Mật độ bề mặt và độ gập màng nhũ tương quyết định khả năng ổn định cơ học của hệ. Khi bán kính giọt nhỏ, áp suất Laplace tăng lên theo công thức:

$\Delta P = \frac{2\gamma}{r}$

Trong đó, γ là ứng suất bề mặt giữa hai pha, r là bán kính giọt. Áp suất nội trong giọt lớn giúp chống lại quá trình hợp hạt nhưng cũng đòi hỏi chất hoạt động bề mặt phải chịu áp lực cao hơn để bao phủ đủ bề mặt.

• Ứng suất bề mặt (γ): giảm bằng cách sử dụng surfactant phù hợp.
• Điện tích bề mặt: tạo điện tích tĩnh để đẩy nhau giữa các giọt, tăng tính phân tán.
• Cơ chế steric: sử dụng polymer hoặc nhánh PEG để tạo lớp vỏ bảo vệ.

Các phương pháp chế tạo

Các kỹ thuật chế tạo nanoemulsion được chia thành hai nhóm chính dựa trên nguồn năng lượng cung cấp để phân tán pha nội vào pha ngoại:

• Phương pháp cường độ cao: sử dụng năng lượng cơ học lớn từ siêu âm, máy homogenizer áp suất cao để phá vỡ giọt.
• Phương pháp cường độ thấp: dựa trên nguyên lý pha khuếch tán hoặc pha đảo ngược, ít dùng năng lượng bên ngoài.

Đối với nghiên cứu và ứng dụng, lựa chọn kỹ thuật chế tạo cần cân nhắc đến quy mô sản xuất, tính chất hoạt chất, và yêu cầu về độ ổn định lâu dài. Thông tin chi tiết phương pháp có thể tìm thêm tại ScienceDirect.

Cơ chế hình thành và ổn định

Quá trình hình thành nanoemulsion liên quan đến việc phá vỡ giọt pha nội (dầu hoặc nước) thành kích thước nano dưới tác dụng của năng lượng cơ học hoặc các điều kiện hóa học đặc biệt. Sau khi giọt được hình thành, yếu tố then chốt quyết định tính ổn định của hệ là khả năng ngăn ngừa hiện tượng hợp hạt (coalescence) và tách pha (creaming hoặc sedimentation). Các cơ chế ổn định chính bao gồm ổn định điện tích, ổn định steric và hiệu ứng điện–steric phối hợp.

Ổn định điện tích dựa trên nguyên lý điện tích tĩnh: các surfactant mang điện tích (anion, cation hoặc zwitterion) bám quanh bề mặt giọt, tạo vùng điện kép kép (electric double layer) và gây lực đẩy tĩnh giữa các giọt, từ đó ngăn hợp hạt hiệu quả. Ví dụ, sử dụng lecithin hoặc SDS (sodium dodecyl sulfate) cho hệ O/W sẽ tạo điện tích âm bao quanh giọt dầu, hạn chế chúng tiếp xúc và hợp nhất.

Ổn định steric đạt được khi các phân tử surfactant hoặc polymer có phần gốc thân nước (hydrophilic) dài, phân nhánh bao phủ xung quanh giọt, tạo “lớp đệm” vật lý cản trở tiếp xúc giữa các giọt. PEGylated surfactants hoặc các block copolymers như Pluronic® đều là ví dụ điển hình. Hiệu ứng điện–steric phối hợp mang lại độ ổn định tối ưu khi cả điện tích và lớp steric cùng đóng góp lực đẩy mạnh mẽ hơn một cơ chế đơn lẻ.

Kỹ thuật đặc trưng hóa

Để mô tả chính xác cấu trúc và tính chất của nanoemulsion, người ta sử dụng nhiều kỹ thuật đặc trưng hóa kết hợp:

• Dynamic Light Scattering (DLS): đo kích thước trung bình và phân bố kích thước (PDI). Kết quả DLS thường minh họa qua biểu đồ cường độ tán xạ theo đường kính giọt.
• Transmission Electron Microscopy (TEM) và Scanning Electron Microscopy (SEM): cho hình ảnh trực quan về hình dạng, kích thước và cấu trúc bề mặt giọt. TEM có thể cho độ phân giải đến mức vài nanomet.
• Đo độ đục (turbidity) và phổ UV–Vis: theo dõi tính đồng nhất và độ ổn định theo thời gian qua thay đổi hấp thụ ánh sáng.

Bảng dưới đây tổng hợp các kỹ thuật và thông số thu được:

Ứng dụng

Nanoemulsion đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ đặc tính khuếch tán nhanh, độ ổn định cao và khả năng hòa tan các hợp chất thân dầu:

• Dược phẩm: tăng sinh khả dụng của thuốc kém tan trong nước, điều khiển phóng thích có kiểm soát, giảm độc tính, ví dụ nanoemulsion chứa paclitaxel hoặc curcumin .
• Thực phẩm: bảo vệ hương liệu và chất chống oxy hóa khỏi phân hủy, cải thiện độ tan và phân tán protein chức năng trong đồ uống và sản phẩm dinh dưỡng .
• Mỹ phẩm: công thức kem dưỡng, chống nắng, serum dưỡng ẩm với kết cấu nhẹ, thẩm thấu nhanh vào da, giảm cảm giác nhờn rít .

Các nghiên cứu lâm sàng cho thấy nanoemulsion giúp gia tăng hiệu quả tác dụng sinh học và giảm liều dùng so với công thức truyền thống .

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm chính của nanoemulsion bao gồm kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, độ ổn định động học cao và khả năng đưa hoạt chất vào cơ thể hiệu quả hơn. Hệ O/W có khả năng phân tán trong môi trường nước, dễ áp dụng trong đa dạng công thức.

Tuy nhiên, hạn chế không thể bỏ qua:

1. Chi phí sản xuất cao: thiết bị cường độ cao, năng lượng tiêu tốn lớn.
2. Khó nhân rộng quy mô: quá trình tối ưu trong phòng thí nghiệm không dễ chuyển giao sang sản xuất công nghiệp.
3. Đòi hỏi surfactant đặc hiệu: nhiều surfactant phổ biến có thể không đạt tiêu chí an toàn hay gây kích ứng.

An toàn và độc tính

Đánh giá an toàn nanoemulsion phải tuân theo quy trình in vitro và in vivo, bao gồm xét nghiệm tế bào (cytotoxicity), đánh giá miễn dịch và phản ứng viêm. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng nanoemulsion với kích thước dưới 50 nm có thể xâm nhập dễ dàng vào tế bào và mô, tiềm ẩn nguy cơ tích lũy và độc tính lâu dài .

Các cơ quan quản lý như FDA (Mỹ) và EMA (Châu Âu) đã ban hành hướng dẫn về giới hạn kích thước, liều lượng surfactant, và yêu cầu khảo sát dược động, dược lực riêng biệt đối với các hệ nano .

Triển vọng và hướng nghiên cứu tương lai

Tương lai nanoemulsion hứa hẹn tập trung vào các hệ dẫn liệu thông minh (smart nanoemulsions) có khả năng phản ứng theo kích thích (pH, nhiệt độ, ánh sáng) để phóng thích hoạt chất mục tiêu. Công nghệ microfluidics cũng đang được phát triển nhằm kiểm soát chính xác kích thước và cấu trúc giọt trên quy mô nhỏ với tính lặp lại cao.

Ngoài ra, tích hợp nanoemulsion với cảm biến sinh học (biosensors) để theo dõi sự phóng thích và tương tác trong cơ thể thời gian thực là hướng đi tiềm năng cho chẩn đoán và điều trị cá thể hóa (personalized medicine).

Nghiên cứu cũng mở ra cơ hội đưa nanoemulsion vào nông nghiệp (phân phối thuốc bảo vệ thực vật và dinh dưỡng cây trồng) và môi trường (hấp phụ chất độc, xử lý nước thải) với tiềm năng ứng dụng rộng lớn.

References

• McClements, D. J. “Nanoemulsions versus microemulsions: terminology, differences, and similarities.” Soft Matter, vol. 8, 2012, pp. 1719–1729, DOI:10.1039/C1SM06470B.
• Solans, C.; Izquierdo, P.; Nolla, J.; Azemar, N.; Garcia-Celma, M. J. “Nano-emulsions.” Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol. 10, no. 3–4, 2005, pp. 102–110, DOI:10.1016/j.cocis.2005.08.004.
• Leung, S. S. Y.; Liu, Q.; Barrow, C. J.; Yang, W. “Efficient Nanoemulsions for the Delivery of Biomolecules.” Adv. Colloid Interface Sci., vol. 238, 2016, pp. 204–218, DOI:10.1016/j.cis.2016.08.006.
• Freitas, C.; Müller, R. H. “Effect of particle size and polydispersity on the long-term stability of solid lipid nanoparticle (SLN) dispersions.” European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, vol. 62, 2006, pp. 145–158, DOI:10.1016/j.ejpb.2005.11.005.
• Gupta, R. K.; Rathi, S.; Jain, N. K. “Cytotoxicity and oxidative stress induced by nanoparticles: A review.” Journal of Controlled Release, vol. 232, 2016, pp. 142–161, DOI:10.1016/j.jconrel.2016.04.009.