title: Top-down analysis of the state and the production process of a multiple emulsion
title: Top-Down Analyse des Zustandes und des Herstellungsprozesses einer multiplen Emulsion
Creators: name: Beer, Sebastian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: multiple emulsion, compressed emulsion
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
Mehrfachemulsion , Laser-Rastermikroskopie
laser scanning microscopy
komprimierte Emulsion

description: Im Rahmen dieser Arbeit werden
      multiple Wasser-in-Öl-in-Wasser Emulsionen in Hinblick auf
      ihren Zustand und die Herstellung untersucht. Die behandelten
      Emulsionen sollen als protektive topische Galeniken für von
      enzymatischer Degeneration gefährdete Wirkstoffe verwendet
      werden. Dies soll durch Verkapselung des Wirkstoffes in der
      inneren Wasserphase gewährleistet werden. Für die Anwendung
      als pharmazeutisches Produkt sind als Qualitätsparameter
      Langzeitstabilität, Effizienz der Verkapselung und
      Reproduzierbarkeit der Herstellung zu beachten. In dieser
      Arbeit werden die theoretischen Grundlagen und die benötigten
      Methoden zur Analyse und Optimierung der behandelten
      Emulsionen mit dem Ziel der Anwendung als pharmazeutisches
      Produkt entwickelt. Die physikalischen Eigenschaften und
      dadurch bedingt auch die Herstellung von Emulsionen sind,
      neben den verwendeten Rohstoffen, im wesentlichen von der
      Tropfengrößenverteilung und von dem Volumenanteil der
      dispersen Phase abhängig. Bei der Analyse von multiplen
      Emulsionen ist zu beachten, dass sich diese Parameter durch
      Koaleszenz und/oder Diffusion entlang sich einstellender
      Druckgradienten zwischen der äußeren und der inneren Phase
      ändern kann. Hierfür werden die theoretischen Zusammenhänge
      zwischen möglichen Druckgradienten und dispersem
      Phasenvolumenanteil erstellt und analysiert. Die vorhandenen
      Analysemethoden - Rheologie und statische Lichtstreuung -
      werden auf die behandelten Emulsionen adaptiert. Der disperse
      Phasenvolumenanteil stellt bei den vorhandenen
      Analysemethoden einen Einflussparameter neben weiteren, nicht
      direkt quantifizierbaren Parametern dar. Zur genauen Analyse
      wird eine konfokalmikroskopische Methodik entwickelt um
      ausschließlich den dispersen Phasenvolumenanteil der
      multiplen Emulsionen zu bestimmen. Mittels dieser Methodik
      werden die theoretischen Zusammenhänge untersucht. Durch
      verschiedene Herstellungsszenarien in Kombination der Messung
      des dispersen Phasenvolumens können die einzelnen Prozesse
      während der Herstellung qualitativ beschrieben werden. Die
      Kombination aus Tropfengrößenreduktion und variablem
      dispersen Phasenvolumenanteil erzeugt eine positive
      Rückkopplung. Durch diesen, sich selbst verstärkenden Prozess
      sind Problematiken bezogen auf die Reproduzierbarkeit der
      behandelten multiplen Emulsionen zu erklären. Um diesen zu
      begegnen, wird eine in-line Messmethode (zur Beschreibung des
      Zustandes der Emulsion während der Herstellung) basierend auf
      dielektrischer Spektroskopie theoretisch behandelt und
      praktisch demonstriert. Die Kenntnis der theoretischen
      Zusammenhänge zwischen den Drucksystemen und dem dispersen
      Phasenvolumenanteil ermöglicht einerseits einen Rückschluss
      durch die Messung des dispersen Phasenvolumenanteils auf die
      Einschlusseffizienz. Andererseits wird eine Evaluation des
      Einflusses der Emulsionsparameter auf die Sensitivität der
      Emulsion gegenüber Destabilisierungsprozessen ermöglicht.
      Basierend auf der Temperaturabhängigkeit der
      Grenzflächenspannungen wird ein Stresstest entwickelt, durch
      den die Stabilität der multiplen Emulsionen gegenüber
      Temperaturvariationen schnell beurteilt werden kann.
      Zusammenfassend werden in dieser Arbeit die
      wissenschaftlichen und methodischen Grundlagen gelegt um eine
      Optimierung der behandelten Emulsionen mit dem Ziel einer
      Anwendung als pharmazeutisches Produkt zu
      ermöglichen.
description: This work deals with analysing
      multiple emulsions of the water-in-oil-in-water (W/O/W) type
      regarding their physical state and their production. The
      investigated emulsions are to be used as drug delivery
      systems, offering protection of sensitive drugs against
      enzymatic degradation. This is achieved by encapsulation of
      the drug inside of the multiple emulsion. For the application
      as a pharmaceutical product, the quality parameters
      stability, encapsulation efficiency and reproducability of
      the production have to be considered. In this work, the
      theoretical foundation and the required methods are developed
      aiming towards an application of the multiple emulsions as a
      pharmaceutical product. The physical properties of emulsions
      and thereby their produtcion are, apart from the materials
      used, governed by the droplet sizes and the disperse phase
      ratio. When analysing W/O/W emulsions, these parameters are
      prone to change, as water might migrate between the inner and
      the continuous water phase along existing pressure gradients.
      The theoretical relationship between the disperse phase ratio
      and the pressure gradient are established and analysed. The
      common analysis methods - rheology and static light
      scattering - are adapted to the emulsions of subject. In
      these analysis methods, the disperse phase ratio is one
      influential parameter next to other, not directly
      quantifyable parameters. To analyse the disperse phase
      content, a method based on confocal microscopy is developed
      which measures the disperse phase content directly. Using
      this method, the theoretical relationship is analysed. Via
      different production schemes and the subsequent analysis of
      the disperse phase content, the processes occuring during the
      production are identified. The combination of droplet size
      reduction and variable disperse phase ratios creates a
      positive feedback. Difficulties regarding the reproducability
      of the multiple emulsions can be explained by this self
      amplifying process. To account for this, an in-line
      measurement method (describing the state of the emulsion
      during the production) based on dielectric spectroscopy is
      developed and demonstrated. The quantified relationship
      between disperse phase content and the pressure gradient
      enables via the measurement of the disperse phase content the
      determination of the encapsulation efficiency. An evaluation
      of the sensitivity of the multiple emulsions against
      destabilising phenomena was conducted based on the developed
      relationship. The temperature dependance of the interfacial
      tensions leads towards the development of a stresstest to
      determine the stability of the emulsions against temperature
      variations. The scientific and methological foundations
      leading towards an application of the subject emulsions as a
      pharmaceutical product are developed in this work.