Hodnocení stability disperzí, emulzí a suspenzí podle ISO norem

Stabilita disperzí, emulzí a suspenzí patří mezi klíčové parametry při vývoji a kontrole kosmetických, farmaceutických, potravinářských i průmyslových výrobků. Ovlivňuje jejich vzhled, funkční vlastnosti, dávkování, skladovatelnost i výslednou dobu trvanlivosti. Vizuální pozorování často odhalí oddělování jednotlivých fází až ve chvíli, kdy je změna již výrazná. Přístrojové metody naproti tomu umožňují zachytit počáteční destabilizační procesy podstatně dříve, objektivně porovnat různé formulace a sledovat jejich změny v závislosti na čase, poloze ve vzorku a teplotě.

Metodický rámec pro hodnocení stability poskytují zejména následující ISO normy:

• ISO/TR 13097 – obecné pokyny pro charakterizaci stability kapalných disperzí
• ISO/TR 18811 – pokyny pro stabilitní studie kosmetických emulzí a suspenzí
• ISO/TS 21357 – stanovení středního ekvivalentního průměru nanoobjektů v kapalných disperzích pomocí statického vícenásobného rozptylu světla

Co jsou disperze, emulze a suspenze?

Disperze je vícefázový systém, ve kterém je jedna látka rozptýlena v jiné látce, s níž se za daných podmínek zcela nemísí.

Suspenze obsahuje pevné částice rozptýlené v kapalném prostředí. Typickými příklady jsou pigmentové suspenze, farmaceutické přípravky, keramické suspenze nebo některé potravinářské výrobky.

Emulze je tvořena kapkami jedné kapaliny rozptýlenými v jiné nemísitelné kapalině. Patří sem například kosmetické krémy, lotiony, farmaceutické emulze, omáčky, maziva nebo obráběcí kapaliny.

V průběhu skladování a používání se může měnit velikost částic nebo kapek, jejich vzájemná interakce i rozmístění v objemu vzorku. Tyto změny se následně projevují zhoršováním stability výrobku.

Jaké destabilizační procesy lze sledovat?

K nestabilitě disperzních systémů může docházet několika různými mechanismy:

• sedimentací, kdy pevné částice nebo hustší kapky klesají ke dnu
• krémováním nebo flotací, při nichž dispergovaná fáze stoupá k horní části vzorku
• flokulací a aglomerací, kdy se částice nebo kapky sdružují do větších celků
• koalescencí, při které se jednotlivé kapky spojují
• Ostwaldovým zráním, kdy větší částice nebo kapky rostou na úkor menších
• fázovou inverzí, při níž se mění charakter kontinuální a dispergované fáze
• úplnou separací fází.

Jednotlivé procesy se mohou v jednom vzorku vyskytovat současně. Proto nestačí pouze zjistit, zda se výrobek rozdělil na dvě vrstvy. Důležité je také určit, ve které části vzorku změna vzniká, jak rychle probíhá a zda souvisí s migrací částic, nebo se změnou jejich velikosti.

Obrázek 1.: Základní jevy destabilizace v disperzích typu kapalina–pevná látka nebo kapalina–kapalina.

Hodnocení stability podle ISO/TR 13097

Technická zpráva ISO/TR 13097 poskytuje obecné pokyny pro charakterizaci stability kapalných disperzí, mezi které patří suspenze, emulze, pěny a jejich kombinace. Zabývá se například sedimentací, krémováním, agregací, koalescencí, fázovou separací, Ostwaldovým zráním a fázovou inverzí.

Dokument lze využít při:

• vývoji nových formulací;
• optimalizaci existujících výrobků;
• porovnávání stabilizátorů, emulgátorů a výrobních postupů;
• vstupní, mezioperační a výstupní kontrole kvality;
• sledování změn během skladování, distribuce a používání výrobku.

ISO/TR 13097 nestanovuje jediný povinný měřicí postup ani univerzální mezní hodnotu stability. Popisuje různé strategie a metody hodnocení, včetně vizuálního pozorování, optických metod, rentgenové analýzy, akustické spektroskopie a měření elektrických vlastností. Norma doporučuje používat objektivní a sledovatelné přístrojové metody. Ty mohou díky vyšší citlivosti a reprodukovatelnosti odhalit destabilizaci dříve než běžné vizuální pozorování. Vzorek by měl být pokud možno analyzován v původním stavu, bez ředění nebo jiného zásahu, který by mohl změnit jeho chování.

Co znamená doba trvanlivosti?

Trvanlivost lze chápat jako doporučenou dobu, po kterou lze výrobek skladovat a během níž zůstává definovaná kvalita určité vlastnosti přijatelná za očekávaných podmínek distribuce, skladování a použití.

Doba trvanlivosti tedy není určena pouze tím, zda je produkt na první pohled rozdělený na jednotlivé fáze. Před zahájením stabilitní studie musí být stanoveno:

• která vlastnost výrobku se sleduje
• jaká změna je ještě přijatelná
• za jakých podmínek bude výrobek skladován a používán
• po jakou dobu musí stanovená kritéria splňovat

Čím rychleji se sledovaný ukazatel stability mění, tím kratší lze očekávat dobu trvanlivosti výrobku.

ISO/TR 13097 se zaměřuje především na fyzikální nestabilitu disperzního systému. Neřeší samostatně mikrobiální růst, enzymatické reakce, chemickou degradaci nebo změny vyvolané zářením. Tyto procesy musí být posuzovány dalšími vhodnými metodami.

Jak lze předpovědět dobu trvanlivosti?

ISO/TR 13097 rozlišuje dva základní přístupy: srovnávací analýzu a prediktivní analýzu.

Srovnávací analýza

Při srovnávací analýze se hodnocený vzorek porovnává s referenční formulací, jejíž chování a doba trvanlivosti jsou již známé.

Tento přístup je vhodný například při:

• změně dodavatele surovin
• výběru vhodného emulgátoru nebo stabilizátoru
• úpravě koncentrace účinné látky
• změně homogenizačního nebo výrobního procesu
• porovnávání prototypu s již zavedeným výrobkem

Srovnávací analýza nevyžaduje složité matematické modelování a lze ji použít pro různé typy disperzí. V praxi často představuje nejrychlejší způsob, jak posoudit, zda má nová formulace alespoň stejnou stabilitu jako ověřený referenční výrobek.

Prediktivní analýza

Prediktivní analýza využívá matematické modelování a extrapolaci naměřených dat. Jejím cílem je odhadnout, zda sledovaný ukazatel zůstane po požadovanou dobu v definovaných mezích. Použitelnost tohoto přístupu závisí na tom, zda zvolený model správně vystihuje chování daného systému. Komplexní formulace mohou vykazovat několik destabilizačních mechanismů současně a jejich kinetika se může v průběhu času měnit. Výsledky extrapolace je proto vhodné ověřovat dlouhodobými experimenty nebo porovnáním se známým referenčním vzorkem.

Urychlené stabilitní testy

Čekání na výsledek dlouhodobé stabilitní studie může při vývoji nového výrobku trvat měsíce nebo roky. Destabilizační procesy lze proto za určitých podmínek urychlit.

Tepelná akcelerace

Vzorky jsou měřeny při zvýšené teplotě nebo vystaveny definovaným teplotním cyklům. Tepelná akcelerace patří mezi nejčastěji používané přístupy, protože může simulovat dlouhodobé skladování nebo teplotní namáhání během přepravy. Je však nutné ověřit, zda zvýšená teplota nevyvolává jiné procesy, než jaké by probíhaly při běžném skladování.

Mechanická akcelerace

Destabilizace se urychluje například odstřeďováním nebo vibracemi. Tyto postupy mohou rychle odhalit citlivost formulace na mechanické namáhání, nemusí však vždy odpovídat mechanismům probíhajícím za skutečných skladovacích podmínek.

Fyzikálně-chemická perturbace

Do vzorku se přidává rozpouštědlo, kyselina, elektrolyt nebo jiná látka měnící jeho složení. Tím lze posoudit odolnost systému vůči konkrétním změnám prostředí. Mechanická a fyzikálně-chemická akcelerace mohou být účinné při vyvolání určitých destabilizačních procesů, zároveň však mohou vést k nepřirozeným nebo obtížně interpretovatelným výsledkům. Zvolený postup proto musí odpovídat předpokládanému způsobu skladování, přepravy a používání výrobku.

Statický vícenásobný rozptyl světla – SMLS

Pro objektivní analýzu stability lze využít metodu statického vícenásobného rozptylu světla, označovanou zkratkou SMLS.

Vzorek se umístí do měřicí nádoby bez nutnosti ředění. Optický systém opakovaně skenuje celou výšku vzorku a zaznamenává:

• intenzitu prošlého světla – transmisi, Tr;
• intenzitu zpětně rozptýleného světla – backscattering, BS.

Obrázek 2.: Princip SMLS.

Hodnoty transmise a zpětného rozptylu závisí na koncentraci, velikosti a optických vlastnostech dispergovaných částic nebo kapek. Změny signálů v čase proto umožňují sledovat jak migraci částic, tak změny jejich velikosti.

Protože se analyzuje celá výška vzorku, lze rozlišit například:

• sedimentaci ve spodní části
• krémování v horní části
• vyčeřování kapaliny
• agregaci nebo koalescenci probíhající v celém objemu
• vznik a pohyb rozhraní mezi jednotlivými fázemi

ISO/TR 13097 uvádí měření transmise a zpětného rozptylu mezi vhodnými instrumentálními metodami pro analýzu stability kapalných disperzí.

Stanovení velikosti nanoobjektů podle ISO/TS 21357

Technická specifikace ISO/TS 21357 popisuje vyhodnocení středního ekvivalentního průměru nanoobjektů v kapalných disperzích pomocí metody SMLS. Výpočet středního ekvivalentního průměru je založen na teorii Mie a vyžaduje znalost optických vlastností dispergované a kontinuální fáze. Výhodou metody je možnost analyzovat disperzi v původní koncentraci a bez složité přípravy vzorku.

ISO/TS 21357 je vhodná například pro:

• koncentrované disperze nanočástic
• pigmentové a minerální suspenze
• kosmetické a farmaceutické formulace
• polymerní disperze
• nanomateriály používané v nátěrových hmotách
• sledování změn velikosti částic během skladování

Je důležité rozlišovat mezi středním ekvivalentním průměrem a distribucí velikosti částic. Metoda podle ISO/TS 21357 poskytuje jednu střední ekvivalentní hodnotu, nikoli úplnou distribuci velikostí částic.

Změna středního ekvivalentního průměru v čase může upozornit například na:

• agregaci nebo aglomeraci částic
• koalescenci kapek
• růst částic
• změny vyvolané teplotou nebo složením disperzního prostředí

ISO/TS 21357 tak vhodně doplňuje stabilitní hodnocení podle ISO/TR 13097. Zatímco ISO/TR 13097 poskytuje obecný rámec pro sledování destabilizačních procesů, ISO/TS 21357 se zaměřuje na vyhodnocení střední velikosti nanoobjektů pomocí stejného optického principu.

MultiScan Stability Index – MSI

Při porovnávání většího počtu formulací může být vyhodnocování samotných křivek transmise a zpětného rozptylu časově náročné. Pro zjednodušení interpretace lze použít parametr MultiScan Stability Index – MSI.

MSI slučuje časové a prostorové změny signálů Tr a BS do jediné číselné hodnoty:

• hodnota blížící se nule označuje vzorek s minimálními změnami;
• rostoucí hodnota MSI znamená výraznější změny a nižší stabilitu;
• průběh MSI v čase umožňuje porovnat rychlost destabilizace jednotlivých formulací.

MSI lze vypočítat pro celou výšku vzorku nebo pouze pro vybranou část, například horní, střední či spodní zónu. Zónové vyhodnocení pomáhá určit, ve které části vzorku destabilizace probíhá.

Parametr MSI vyvinula společnost DataPhysics Instruments jako nástroj pro rychlé kvantitativní porovnání formulací. Jeho stupnice vychází z empirického vyhodnocení stovek měření a propojuje číselnou hodnotu s mírou pozorovatelné destabilizace.

Důležité: MSI není parametr definovaný normou ISO/TR 13097. Jedná se o doplňkový vyhodnocovací nástroj, který podporuje objektivní porovnávání stability různých formulací.

Obrázek 3.: Stupnice MSI využívá systém barevného kódování, přičemž každý sloupec v grafu má specifickou barvu a stupeň podle míry destabilizace.

ISO/TR 18811 pro kosmetické emulze a suspenze

Pro kosmetické výrobky je relevantní také technická zpráva ISO/TR 18811, která poskytuje pokyny pro plánování stabilitních studií kosmetických emulzí a suspenzí.

Dokument pomáhá zvolit vhodné zkoušky podle typu výrobku a věnuje se například:

• fázi vývoje a velikosti testované šarže
• teplotě a relativní vlhkosti
• vibracím a centrifugaci
• působení světla
• fyzikálním, fyzikálně-chemickým a chemickým změnám
• mikrobiologickým aspektům
• interakcím výrobku s obalem

ISO/TR 18811 nepředepisuje jedinou univerzální zkoušku ani detailní postup pro jednotlivé metody. Poskytuje přehled možných stabilitních testů a pomáhá vybrat vhodnou kombinaci podle vlastností konkrétního kosmetického výrobku.

Přehled ISO norem

Typické oblasti použití

Instrumentální hodnocení stability lze využít pro široké spektrum vzorků:

• kosmetické krémy, lotiony a opalovací přípravky
• farmaceutické emulze a suspenze
• potraviny, nápoje, omáčky a rostlinné náhrady mléka
• pigmentové a minerální suspenze
• barvy, laky a tiskové inkousty
• čisticí prostředky a tenzidové systémy
• agrochemické formulace
• maziva a obráběcí kapaliny
• disperze polymerů a nanočástic
• keramické a technické suspenze

Výhody přístrojového hodnocení stability

Přístrojová optická analýza umožňuje:

• analyzovat vzorky bez ředění
• odhalit změny dříve, než jsou viditelné pouhým okem
• rozlišovat změny v jednotlivých částech vzorku
• sledovat sedimentaci, krémování, agregaci a koalescenci
• vyhodnocovat změny velikosti částic nebo kapek
• porovnávat více formulací pomocí číselného indexu
• realizovat teplotně řízené a urychlené stabilitní studie
• dokumentovat vývoj vzorku objektivními a reprodukovatelnými daty
• zkrátit čas potřebný pro výběr vhodné formulace

Návrh vhodné stabilitní studie

Délka měření, interval skenování, teplota a způsob vyhodnocení musí být zvoleny podle charakteru vzorku a cíle analýzy. Jiný postup je vhodný pro rychlé porovnání několika stabilizátorů a jiný pro odhad dlouhodobé skladovatelnosti hotového výrobku.

Při návrhu studie je vhodné předem určit:

• očekávanou dobu trvanlivosti výrobku
• běžné podmínky skladování a přepravy
• destabilizační procesy, které mají být sledovány
• referenční nebo kontrolní vzorek
• přijatelné mezní hodnoty změny
• vhodnou teplotu a délku měření;
• způsob statistického a grafického vyhodnocení