Gemeinsam mit Forschenden aus Göteborg, Edinburgh, Zürich und Osaka entwickelten Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ein Konzept, um die Stabilität von Öltröpfchen in Emulsionen gezielt zu steuern. Dabei setzen sie Mikrogelpartikel ein, die bei Raumtemperatur eine Öl-in-Wasser-Emulsion stabilisieren, aber das eingekapselte Öl freisetzen, wenn es erhitzt wird. Die in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht Arbeit umfasst eine systematische Studie zum fundamentalen Mechanismus dieser kontrollierten Stabilisierung und gezielten Aufbrechen von Emulsionströpfchen.

Öl und Wasser sind von Natur aus nicht mischbar. Eine Möglichkeit, dennoch eine Kombination zwischen ihnen herzustellen, sind sogenannte Emulsionen. Sie setzen sich aus zahlreichen winzigen Tröpfchen zusammen, die fein in einer Flüssigkeit verteilt sind. Emulsionen sind überall anzutreffen: Milch besteht aus Fetttröpfchen, die durch Milchproteine stabilisiert in Wasser schweben; in Mayonnaise wird Öl in Wasser durch das Vermengen mit Eigelb und den darin enthaltenen Proteinen stabilisiert.

In vielen technologischen Anwendungen wie Medikamenten ist es entscheidend, die Tröpfchenstruktur nicht nur langfristig stabil zu halten, sondern auch gezielt aufzubrechen, um die eingekapselten Wirkstoffe freizusetzen.

Die Idee des internationalen Forschungsteams bestand darin, Emulsionen mit speziellen temperaturresponsiven Mikrogelpartikel zu stabilisieren, welche ihre Form der Umgebungstemperatur anpassen. Bei Raumtemperatur sind sie durch Wasseraufnahme geschwollen, über 32 Grad Celsius schrumpfen sie jedoch und ziehen sich zusammen. So können Emulsionen hergestellt werden, die bei Raumtemperatur über lange Zeit stabil sind, beim Erhitzen über 32 Grad Celsius jedoch aufbrechen.

„Die Stabilität der Emulsion wird durch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Tröpfchen bestimmt. Sie kann somit über die Eigenschaften und Form der stabilisierenden Mikrogele gesteuert werden“, betont Erstautor Dr. Marcel Rey von der Universität Göteborg.

Die Stabilität und das gezielte Aufbrechen der Emulsionen hängt von den Eigenschaften der stabilisierenden Mikrogele ab. Ein Mikrogel besitzt dabei sowohl Eigenschaften von Partikeln und von Polymeren, was sich für diese Arbeit besonders wichtig ist: Der Partikelcharakter führt zu einer hohen Stabilität der Emulsion, während der polymere Charakter das responsive Verhalten und das Aufbrechen der Emulsion ermöglicht. Damit sich die Emulsionen temperaturresponsiv verhalten, ist daher ein Kompromiss erforderlich, der einen minimalen Partikelcharakter für die Stabilität und einen hohen polymeren Charakter für ein schnelles und zuverlässiges Aufbrechen der Emulsionen berücksichtigt. In diesem Zusammenhang sind schwach vernetzte Mikrogele ideale Stabilisatoren für responsive Emulsionen.

„Die Morphologie dieser Oberflächenstrukturen ist der Schlüssel zum Verständnis der Tröpfchenstabilität. Die Responsivität der verwendeten Mikrogelpartikel erlaubt eine weitgehende Kontrollmöglichkeit durch externe Einflüsse wie Fremdionenkonzentration und Temperatur“, erklärt Koautor Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der HHU.

Der Düsseldorfer Beitrag in dieser Kollaboration bestand in einer Simulation. Im Computer wurden zwei benachbarte Tröpfchen samt ihrer stabilisierenden Mikrogelpartikel modelliert und dann die mittlere Kraft zwischen den Tröpfchenoberflächen berechnet. Ist diese Kraft abstoßend (repulsiv), sind die Tröpfchen stabil. Ist sie dagegen anziehend (attraktiv), sind sie instabil. Teilt ein Mikrogelpartikel seine Polymerarme auf beide Oberflächen benachbarter Tröpfchen auf, dann führt dies zur Anziehung und damit zur Instabilität. Durchdringen sich die Polymerarme von benachbarten Tröpfchen nicht, dann ist die Kraft repulsiv. Die Stabilität der Tröpfchen kann also durch die Bedeckungsdichte gesteuert werden. Dieses Prinzip wurde quantitativ untermauert und auch anschaulich visualisiert.

Die Anwendung der vorgestellten Idee kann zukünftig helfen, gezielt „smarte“ responsive Emulsionen herzustellen, deren Stabilität von außen gesteuert werden kann.

Originalpublikation 

Rey M, Kolker J, Richards JA, Malhotra I, Glen TS, Li ND, Laidlaw FH, Renggli D, Vermant J, Schofield AB, Fujii S, Löwen H, Clegg PS. Interactions between interfaces dictate stimuli-responsive emulsion behaviour. Nature Communications. 2023, 14, 6723

DOI: 10.1038/s41467-023-42379-z