La tecnologia di microincapsulazione è un processo che permette di formare una capsula costruendo una membrana muraria sul materiale nucleare arricchito con un composto attivo, mantenendo le proprietà essenziali del nucleo.
Microincapsulamento
Le microcapsule sono contenitori delle dimensioni del micrometro, che racchiudono un materiale centrale in uno stato liquido, gassoso o solido.
Rivestimento protettivo
Il materiale di rivestimento, noto anche come coating, guscio o membrana, che racchiude le microcapsule è principalmente costituito da polimero, plastificante, resina o cera.
Materiali del nucleo e delle pareti
I componenti più significativi di ogni microcapsula sono un nucleo e un materiale di rivestimento, quest’ultimo tipicamente stabilizzato sulla superficie del nucleo da vari legami incrociati. Mentre il nucleo di una microcapsula può essere costituito da qualsiasi materiale di interesse – un composto attivo da convertire nel suo stato incapsulato – la scelta del materiale di rivestimento è interdipendente e svolge un ruolo significativo nel determinare le proprietà dell’intera microcapsula nel complesso. In particolare, il materiale della membrana deve soddisfare molti requisiti, ad esempio essere compatibile con il nucleo e non reagire con esso. A seconda delle proprietà desiderate della capsula e della sua applicazione, la scelta del guscio dovrebbe tenere conto della flessibilità del materiale, della stabilità, della solubilità, della resistenza, della permeabilità, ecc.
Spesso, per formare le membrane delle microcapsule, vengono utilizzati polimeri biodegradabili (sintetici/naturali) o non biodegradabili. I materiali biodegradabili vantano molti vantaggi ma spesso sono impuri o soggetti a variazioni tra lotti. I polimeri non biodegradabili si caratterizzano per una velocità di degradazione più lenta e un’elevata purezza, ma purtroppo tendono ad accumularsi nell’ambiente o nel corpo umano, risultando quindi citotossici. Attualmente, materiali come carboidrati naturali, cellulosa, gomme, lipidi, proteine, oltre a polimeri sintetici, rappresentano la prima scelta per il materiale delle pareti delle capsule.
Tipologie di incapsulamento e tecniche di preparazione.
La letteratura scientifica correla il termine “capsula” a una struttura core-shell. Considerando la morfologia, si distinguono tre categorie di microsistemi: a nucleo singolo, a nucleo multiplo e di tipo matrice. Inoltre, materiali sferici monofase, chiamati microsfere, così come microsfere vuote e non riempite, possono anche essere classificati come tipi di microcapsule. A seconda del numero di nuclei immobilizzati e delle pareti circostanti, le microcapsule possono essere raggruppate in mononucleari, polinucleari e di tipo matrice. Per trasformare materiali da diverse forme in microcapsule, esistono diverse tecniche di micro-incapsulamento.
Ciascuna di queste tecniche si caratterizza per un procedimento peculiare che porta alla produzione di microcapsule con caratteristiche variabili (ad esempio, dimensioni), nonché vantaggi consequenziali e possibili limitazioni. Un elenco completo delle tecniche di preparazione include l’emulsificazione, la polimerizzazione in situ, la polimerizzazione interfacciale, la coacervazione/separazione di fase, il sol-gel, il layer-by-layer, la gelificazione ionica, la spray-drying, il prilling, la tecnologia del letto fluidizzato, l’estrusione a caldo, l’emulsificazione assistita da membrana, la nanoprecipitazione assistita da membrana.
Stabilizzazione delle capsule
La stabilizzazione di un materiale murario può avvenire attraverso la formazione di legami covalenti o non-covalenti (interazioni ioniche, gelificazione ionica – descritta di seguito) nella sua composizione polimerica. La presenza di legami incrociati può inoltre rallentare il degrado della membrana di una microcapsula, causando di conseguenza un ritardo nella rilascio nel tempo del composto attivo incorporato. I legami incrociati possono essere generati utilizzando sostanze chimiche e possono anche essere stimolati da campi esterni o fattori stressanti fisici, come trattamenti deidrotermali, luce, ecc. Infine, anche i fattori biologici (enzimi) possono agire allo stesso modo. Diversi agenti di legatura chimica possono essere utilizzati in base alla reazione tra aldeidi e gruppi funzionali primari amminici/idrossilici, ma la loro reattività e citotossicità devono essere attentamente verificate. Agenti di legatura naturali come la genipina sono stati recentemente ampiamente studiati nel contesto della legatura dei composti a base proteica. La legatura fisica viene anche adottata al fine di evitare leganti chimici o l’uso di solventi che spesso causano effetti tossici. Il tipico meccanismo di legatura incrociata si basa sul trattamento deidrotermale (DHT) e sulla conseguente policondensazione dei gruppi funzionali delle catene polimeriche.
Progettazione di microcapsule innovative.
La crescente richiesta di formulazioni avanzate di microcapsule con prestazioni migliorate, capacità e comportamenti rilevanti per l’uso industriale, ha portato allo sviluppo di micro-contenitori sensibili agli stimoli esterni. Un adeguato design di una microcapsula offre la possibilità di modulare il rilascio consequenziale di un composto incorporato dalla microsfera in modo desiderato e nel tempo desiderato. Possiamo distinguere quattro tipi di microcapsule a seconda della modalità di rilascio del nucleo da un microsistema: (a) capsule permanenti resistenti alle perdite; (b) microsfere caratterizzate da rilascio ritardato nel tempo; (c) microsfere caratterizzate da rilascio mirato nel tempo; (d) microcapsule che rilasciano il composto immobilizzato su richiesta.
Microcapsule permanenti, contraddistinte da gusci impermeabili e resistenti, hanno lo scopo di proteggere il materiale encapsulato dai fattori ambientali. Le microcapsule a rilascio ritardato si distinguono per i loro spessi gusci polimerici con un elevato grado di reticolazione che permette un rilascio controllato e molto lento dei composti incorporati. Il terzo gruppo è costituito da microsfere a rilascio mirato nel tempo, principalmente utilizzate nel settore farmaceutico per lo sviluppo di microarchitetture capaci di liberare il nucleo a causa della presenza di stimoli esterni. L’ultimo gruppo di microcapsule si contraddistingue per il rilascio del materiale nucleare su richiesta, il che significa che il materiale attivo viene liberato periodicamente su comando ogni volta che l’attivatore di trigger emerge.