Đánh giá độ ổn định của kem dạng nhũ tương dầu trong nước bằng một số kỹ thuật vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

LẠI VĂN ĐÔNG
ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA KEM
DẠNG NHŨ TƯƠNG DẦU TRONG NƯỚC BẰNG MỘT SỐ KỸ
THUẬT VẬT LÝ
LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC

HÀ NỘI 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ Y TẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

LẠI VĂN ĐÔNG
ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA KEM
DẠNG NHŨ TƯƠNG DẦU TRONG NƯỚC BẰNG MỘT SỐ KỸ
THUẬT VẬT LÝ
LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC

CHUYÊN NGÀNH: KIỂM NGHIỆM THUỐC – ĐỘC CHẤT
MÃ SỐ: 60720410

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Vũ Đặng Hoàng

HÀ NỘI 2015


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.
TS Vũ Đặng Hoàng là người đã trực tiếp hướng dẫn, hết lòng truyền đạt
kiến thức và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ths. Nguyễn Phương Nhung, cô đã nhiệt
tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đề tài.
Tôi cũng xin cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình và tạo điều kiện về
cơ sở vật chất cũng như ủng hộ về mặt tinh thần của các thầy cô giáo và các
anh chị kỹ thuật viên bộ môn Hóa phân tích - Độc chất trường Đại học Dược
Hà Nội trong suốt thời gian làm thực nghiệm tại bộ môn.
Tôi xin chân thành cảm ơn hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp Thạc sỹ
Dược học đã dành thời gian xem xét, góp ý và sửa chữa để khóa luận tốt
nghiệp của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trường và Phòng Đào tạo sau đại
học đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành tốt khóa học.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn giúp
đỡ, động viên, khích lệ và hỗ trợ cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá
trình làm đề tài cũng như trong học tập và cuộc sống.

Hà Nội, tháng 08 năm 2015
Học viên

Lại Văn Đông


MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 2
1.1. Cấu trúc kem dạng nhũ tương dầu trong nước ..................................... 2
1.2. Cấu trúc và tính chất của các chất nhũ hóa .......................................... 3
1.2.1. Alcol béo ........................................................................................ 3
1.2.2. Chất diện hoạt................................................................................. 4
1.3. Các kỹ thuật vật lý nghiên cứu đặc điểm của kem dạng nhũ tương dầu
trong nước .................................................................................................... 5
1.3.1. Phân tích nhiệt ................................................................................ 5
1.3.1.1. Quét nhiệt vi sai (DSC)............................................................ 6
1.3.1.2. Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) ........................................... 8
1.3.2. Lưu biến ....................................................................................... 10
1.3.2.1. Các đại lượng trong phép đo lưu biến ................................... 10
1.3.2.2. Các phương pháp đo lưu biến ................................................ 11
1.3.2.2.1. Phương pháp trượt liên tục (continuous shear stress) ......11
1.3.2.2.2. Phương pháp dao động (oscillatory rheology).................13
1.3.2.2.3. Phương pháp dão và hồi phục (creep and recovery) .......14
1.3.3. Các mô hình đo lưu biến .............................................................. 15
1.3.3.1. Mô hình cối - chày ................................................................. 15
1.3.3.2. Mô hình côn - đĩa (cone - plate) ............................................ 15
1.3.3.3. Mô hình hai đĩa song song (plate - plate) .............................. 16
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................ 16
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 20
2.1. Nguyên liệu, thiết bị ........................................................................... 20
2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 20
2.2.1. Quy trình bào chế hệ ba thành phần ............................................. 20


2.2.2. Lựa chọn thông số và ứng dụng kỹ thuật phân tích nhiệt ............ 21
2.2.2.1. Kỹ thuật DSC ......................................................................... 21

2.2.2.1.1. Lựa chọn thông số ............................................................21
2.2.2.1.2. Ứng dụng đo ....................................................................22
2.2.2.2. Phương pháp TGA ................................................................. 22
2.2.2.2.1. Lựa chọn thông số ............................................................22
2.2.2.2.2. Ứng dụng đo mẫu kem.....................................................22
2.2.3. Lựa chọn thông số và ứng dụng đo lưu biến................................ 22
2.2.3.1. Phương pháp trượt liên tục .................................................... 22
2.2.3.1.1. Lựa chọn thông số ............................................................22
2.2.3.1.2. Ứng dụng đo ....................................................................23
2.2.3.2. Phương pháp dao động .......................................................... 23
2.2.3.2.1. Lựa chọn thông số ............................................................23
2.2.3.2.2. Ứng dụng đo ....................................................................23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................. 24
3.1. Đánh giá cảm quan về kem dạng nhũ tương dầu trong nước ............. 24
3.2. Phương pháp phân tích nhiệt .............................................................. 24
3.2.1. DSC .............................................................................................. 24
3.2.1.1. Lựa chọn thông số.................................................................. 24
3.2.1.1.1. Lựa chọn khối lượng mẫu ................................................24
3.2.1.1.2. Lựa chọn tốc độ gia nhiệt.................................................25
3.2.1.2. Ứng dụng đo .......................................................................... 27
3.2.2. TGA .............................................................................................. 29
3.2.2.1. Lựa chọn thông số.................................................................. 29
3.2.2.1.1. Lựa chọn khối lượng mẫu ................................................31
3.2.2.1.2. Lựa chọn tốc độ gia nhiệt.................................................34
3.2.2.2. Ứng dụng đo .......................................................................... 35


3.3. Phương pháp lưu biến ......................................................................... 40
3.3.1. Phương pháp trượt liên tục ........................................................... 40
3.3.1.1. Lựa chọn lượng mẫu .............................................................. 40

3.3.1.2. Lựa chọn thời gian một chu kì ............................................... 43
3.3.1.3. Ứng dụng đo .......................................................................... 43
3.3.2. Phương pháp dao động ................................................................. 46
3.3.2.1. Lựa chọn thông số.................................................................. 46
3.3.2.1.1. Xác định thời gian cân bằng ............................................48
3.3.2.1.2. Xác định vùng đàn hồi nhớt tuyến tính............................48
3.3.2.2. Ứng dụng đo .......................................................................... 51
CHƯƠNG 4. BÀN LUẬN ........................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 57


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DSC

: Quét nhiệt vi sai (differential scanning calorimetry)

TGA

: Phân tích nhiệt khối lượng (thermogravimetric analysis)

DTG

: Đường cong đạo hàm bậc 1 của đường cong TGA (derivative
thermogravimetry)

LVR

: Vùng đàn hồi nhớt tuyến tính (linear viscoelastic region)

G’

: Môđun đàn hồi (elastic modulus)

G”

: Môđun nhớt (viscous modulus)

η

: Độ nhớt (viscosity)

ω

: Tần số

STT

: Số thứ tự

TLTK

: Tài liệu tham khảo

POE

: Polyoxyethylene

TS

: Hỗn hợp ba thành phần (ternary system)

TSC16

: Hệ ba thành phần chứa Cetyl alcol

TSCSA

: Hệ ba thành phần chứa Cetyl alcol và Stearyl alcol (1:1)

TSC18

: Hệ ba thành phần chứa Stearyl alcol

CSA

: Hỗn hợp hai alcol béo Cetyl và Stearyl (1:1)

HLB

: Hệ số dầu nước (hydrophilic-lipophilic balance)


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình vẽ
Hình 1. Cấu trúc của nhũ tương dầu trong nước sử dụng hỗn hợp chất nhũ
hóa. a: lớp kép của chất diện hoạt và alcol béo; b: nước liên kết; a + b: pha
gel thân nước; c: pha gel thân dầu; d: nước tự do; e: pha phân tán [21].......... 3
Hình 2. Công thức cấu tạo của Tween 80. ........................................................ 5
Hình 3. Sơ đồ cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt (a) và bổ
chính công suất (b). ........................................................................................... 7

Hình 4. Sơ đồ kết quả phép đo DSC. ................................................................ 8
Hình 5. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị đo TGA. ...................................................... 9
Hình 6. Đường cong TGA................................................................................. 9
Hình 7. Hình ảnh mô phỏng biến dạng của mẫu đo dưới tác dụng ngoại lực
trượt lên bề mặt. .............................................................................................. 10
Hình 8. Đường cong chảy thể hiện tính lưu biến của các vật liệu khác nhau.
a: kiểu Newton, b: kiểu dẻo, c: kiểu giả dẻo, d: kiểu giãn. ............................. 12
Hình 9. Đường cong chảy của vật liệu có tính chất thixotropy. ..................... 13
Hình 10. Kết quả đo lưu biến để xác định vùng nhớt đàn hồi tuyến tính. ...... 14
Hình 11. Mô hình đo lưu biến cối - chày (a); nón - đĩa (b); đĩa - đĩa (c) [7]. . 16
Hình 12. Phổ đường DSC các mẫu khảo sát khối lượng. ............................... 25
Hình 13. Phổ đường DSC các mẫu khảo sát tốc độ gia nhiệt. ........................ 26
Hình 14. Phổ DSC của chu kỳ nhiệt đầu tiên của cetyl alcol, TSC16 ngay sau
khi bào chế và sau một tháng bảo quản. ......................................................... 28
Hình 15. Phổ DSC của chu kỳ nhiệt thứ hai của cetyl alcol. .......................... 28
Hình 16. Phổ DSC của chu kỳ nhiệt thứ hai (đường màu đỏ) và chu kỳ nhiệt
thứ ba (đường màu xanh) của TSC16 sau 1 tháng bảo quản. ......................... 28
Hình 17. Phổ DSC của chu kỳ nhiệt đầu tiên của stearyl alcol, TSC18 sau khi
bào chế và sau một 1 bảo quản. ...................................................................... 29


Hình 18. Phổ DSC của chu kỳ nhiệt đầu tiên của hỗn hợp cetyl và stearyl
alcol (tỷ lệ 1:1), TSCSA sau khi bào chế và sau 1 tháng bảo quản. ............... 29
Hình 19. Phương pháp điểm uốn (A) và phương pháp diện tích dưới đường
cong (B) để tính tỷ lệ nước liên kết................................................................. 30
Hình 20. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 4mg. ........ 31
Hình 21. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 6mg. ........ 32
Hình 22. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 8mg. ........ 32
Hình 23. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 10mg. ...... 33
Hình 24. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 2oC/phút. . 34

Hình 25. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 5oC/phút. . 34
Hình 26. Đường cong TGA (nét đứt) và DTG (nét liền) của mẫu 10oC/phút. 35
Hình 27. Đường cong TGA (màu đen) và DTG (màu xanh) của TSC16....... 37
Hình 28. Đường cong TGA (màu đen) và DTG (màu xanh) của TSC18....... 38
Hình 29. Đường cong TGA (màu đen) và DTG (màu xanh) của TSCSA...... 39
Hình 30. Lượng mẫu thiếu, dư và vừa đủ cho phép đo lưu biến với côn – đĩa
[7]. ................................................................................................................... 40
Hình 31. Kết quả đo trượt liên tục với khối lượng mẫu thừa và chu kỳ đo
300s. ................................................................................................................ 41
Hình 32. Kết quả đo trượt liên tục với khối lượng mẫu đủ và chu kỳ đo 300s.41
Hình 33. Kết quả đo trượt liên tục với khối lượng mẫu thiếu và chu kỳ đo
300s. ................................................................................................................ 42
Hình 34. Kết quả phép đo trượt liên tục với các thời gian mỗi chu kỳ khác
nhau (tăng tốc độ trượt - nét liền và giảm tốc độ trượt - nét đứt). .................. 43
Hình 35. Đường cong trượt liên tục của TSC18 qua các thời gian bảo quản. 44
Hình 36. Đường cong trượt liên tục của TSCSA qua các thời gian bảo quản.45
Hình 37. Đường cong trượt liên tục của TSC16 qua các thời gian bảo quản. 45
Hình 38. Kết quả độ nhớt biểu kiến của các mẫu kem theo thời gian bảo
quản. ................................................................................................................ 46


Hình 39. Kết quả điểm chảy của ba mẫu kem theo thời gian bảo quản.......... 46
Hình 40. Sự thay đổi môđun đàn hồi theo thời gian của hệ ba thành phần. ... 48
Hình 41. Kết quả khảo sát khoảng đàn hồi ở 0,01Hz trên các mẫu TSC16,
TSC18, TSCSA sau hai tuần bảo quản. .......................................................... 49
Hình 42. Kết quả khảo sát khoảng đàn hồi ở 10Hz trên các mẫu TSC16,
TSC18, TSCSA sau hai tuần bảo quản. .......................................................... 49
Hình 43. Kết quả khảo sát khoảng đàn hồi ở 0,01Hz trên các mẫu TSC18,
TSCSA sau hai tháng bảo quản....................................................................... 50
Hình 44. Kết quả khảo sát khoảng đàn hồi ở 10Hz trên các mẫu TSC18,

TSCSA sau hai tháng bảo quản....................................................................... 50
Hình 45. Biến thiên mô đun đàn hồi theo tần số của ba mẫu kem sau khi bảo
quản 2 tuần. ..................................................................................................... 51
Hình 46. Biến thiên độ nhớt theo tần số của ba mẫu kem sau khi bảo quản 2
tuần. ................................................................................................................. 52
Hình 47. Biến thiên mô đun đàn hồi theo tần số của ba mẫu kem sau khi bảo
quản 2 tháng. ................................................................................................... 52
Hình 48. Biến thiên độ nhớt theo tần số của ba mẫu kem sau khi bảo quản 2
tháng. ............................................................................................................... 53


Bảng biểu
Bảng 1. Khoảng nhiệt độ nóng chảy của một số alcol béo [9]. ........................ 4
Bảng 2. Tóm tắt các nghiên cứu hệ alcol béo - diện hoạt - nước và kem dạng
nhũ tương dầu trong nước bằng kỹ thuật phân tích nhiệt và lưu biến. ........... 17
Bảng 3: Hóa chất sử dụng. .............................................................................. 20
Bảng 4: Dụng cụ sử dụng. ............................................................................... 20
Bảng 5: Tỷ lệ các chất trong hỗn hợp ba thành phần...................................... 21
Bảng 6. Sự thay đổi lượng nước liên kết và nước tự do của các mẫu TSC18,
TSCSA và TSC16 trong một tháng bảo quản ................................................. 40


ĐẶT VẤN ĐỀ
Kem là một dạng bào chế thông dụng trong các dạng thuốc bôi ngoài
da. Bản chất của kem là nhũ tương dầu trong nước, nước trong dầu hoặc
nhiều pha (dầu/nước/dầu hoặc nước/dầu/nước) ở dạng bán rắn. Pha dầu và
pha nước của nhũ tương là môi trường phân tán của một hay nhiều chất như
sáp, giữ ẩm, làm trơn, nhũ hóa, ổn định, làm tăng độ nhớt, bảo quản và trong
một số trường hợp là chất màu. Theo lý thuyết, dược chất có thể được phân
tán trong pha dầu hoặc pha nước. Theo quan điểm người sử dụng, các loại

kem dầu trong nước tạo cảm giác thoải mái và dễ sử dụng hơn do chúng ít
nhờn và dễ thoa đều lên da hơn.
Trong công thức của kem dạng nhũ tương dầu trong nước, hỗn hợp chất
nhũ hóa gồm alcol béo và chất diện hoạt thường được sử dụng để tạo ra hệ
có cấu trúc nhiều pha; trong đó các pha gel thân nước và thân dầu góp phần
xác định cấu trúc của kem. Ngoài ra, các pha này còn có ảnh hưởng đến tính
thấm của dược chất cũng như các tính chất lý hóa của hệ trong quá trình bảo
quản. Để nhũ tương dầu trong nước dạng bán rắn có thể sử dụng làm thuốc
bôi ngoài da, yêu cầu đặt ra là phải đánh giá được cấu trúc và độ ổn định của
các chế phẩm này.
Xuất phát từ yêu cầu trên, nghiên cứu “Đánh giá độ ổn định của kem
dạng nhũ tương dầu trong nước bằng một số kỹ thuật vật lý” được tiến
hành với hai mục tiêu:
1. Lựa chọn các thông số của một số kỹ thuật vật lý (phân tích nhiệt và
lưu biến) với mẫu đo là kem dạng nhũ tương dầu trong nước.
2. Đánh giá độ ổn định vật lý của một số kem dạng nhũ tương dầu trong
nước bằng các kỹ thuật vật lý đã nêu.

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Cấu trúc kem dạng nhũ tương dầu trong nước
Cấu trúc của nhũ tương dầu trong nước phụ thuộc vào tỷ lệ chất nhũ
hóa được sử dụng. Ở nồng độ thấp, chất nhũ hóa chỉ tạo ra một màng đơn
lớp tại bề mặt phân cách giữa hai pha dầu và nước để ngăn cản sự tiến lại
gần nhau của các giọt dầu bằng các lực đẩy (lực tĩnh điện, cản trở không gian
hoặc hydrat hóa). Các nhũ tương dầu trong nước bán rắn được tạo thành với
tỷ lệ chất nhũ hóa được sử dụng nhiều hơn so với nhũ tương dạng lỏng. Sự
tương tác của lượng dư chất nhũ hóa với các thành phần khác của nhũ tương

tạo ra một hệ có cấu trúc phức tạp gồm ít nhất bốn pha: (i) pha gel thân nước
bao gồm các lớp kép của chất diện hoạt và alcol béo; và nước được cố định
giữa các lớp kép (nước liên kết); (ii) nước tự do cân bằng với nước liên kết
trong pha gel thân nước; (iii) pha gel thân dầu được tạo thành từ lượng alcol
béo dư, không tham gia tạo pha gel thân nước; và (iv) pha dầu được cố định
cơ học trong hệ (hình 1). Để mô phỏng cấu trúc của kem dạng nhũ tương
dầu trong nước, hệ ba thành phần alcol béo-chất diện hoạt-nước thường được
sử dụng trong các nghiên cứu cấu trúc và đánh giá độ ổn định của các chế
phẩm bào chế tương ứng [6, 8,12].

2


Hình 1. Cấu trúc của nhũ tương dầu trong nước sử dụng hỗn hợp chất nhũ
hóa. a: lớp kép của chất diện hoạt và alcol béo; b: nước liên kết; a + b: pha
gel thân nước; c: pha gel thân dầu; d: nước tự do; e: pha phân tán [21].
Tỷ lệ các pha gel thân nước/thân dầu và nước liên kết/nước tự do trong
hệ không những quyết định độ ổn định mà còn ảnh hưởng đến khả năng giải
phóng thuốc của kem dạng nhũ tương dầu trong nước. Với dạng bào chế này,
nước liên kết, đóng vai trò là nguồn dự trữ nước của chế phẩm, giúp kéo dài
quá trình làm ẩm da khi thuốc được bôi [19].
1.2. Cấu trúc và tính chất của các chất nhũ hóa
1.2.1. Alcol béo
Cetyl alcohol (CH3(CH2)15OH) và stearyl alcohol (CH3(CH2)17OH) là
hai alcol béo thường được sử dụng trong hỗn hợp chất nhũ hóa cùng với chất
diện hoạt. Cũng giống như các alcol béo mạch thẳng khác, hai alcol này có
hiện tượng đa hình với ít nhất ba dạng thù hình α, β và γ. Ở nhiệt độ thấp,
các alcol tồn tại ở dạng β hoặc γ hoặc cả hai dạng; trong đó các gốc
hydrocacbon không quay (dạng β) hoặc nghiêng (dạng γ). Khi tăng nhiệt độ
lên trên mức chuyển trạng thái, dạng β hoặc γ chuyển sang dạng α với gốc

3


hydrocacbon sắp xếp theo hình lục giác, duỗi tối đa ở cấu hình trans và quay
xung quanh trục phân tử. Dạng thù hình này không bền trong khoảng nhiệt
độ rộng. Khoảng nhiệt độ nóng chảy của các alcol béo được trình bày trong
bảng 1 [8, 9].
Bảng 1. Khoảng nhiệt độ nóng chảy của một số alcol béo [9].
Alcol béo

Khoảng nhiệt độ nóng chảy (oC)

Cetyl alcol

46-52

Stearyl alcol

57-60

Cetosteary alcol*

49-56

*: cetostearyl alcol là hỗn hợp alcol béo chứa chủ yếu cetyl và stearyl alcol
Các dạng thù hình α, β và γ có tính chất khác nhau khi phối hợp với
nước. Trong khi dạng α có thể trương nở trong nước để tạo ra pha gel khi có
mặt chất diện hoạt thì dạng β và γ lại không có khả năng này [8]. Trong quá
trình bảo quản, nếu các alcol béo trong hai pha gel chuyển dạng sang β hoặc

γ chúng có xu hướng kết tủa tạo thành các tinh thể. Khi đó, cấu trúc của kem
dạng nhũ tương dầu trong nước sẽ bị biến đổi, dẫn đến thể chất của nhũ
tương có thể chuyển từ trạng thái bán rắn sang lỏng.
1.2.2. Chất diện hoạt
Mặc dù alcol béo được coi như “bộ khung” của cả hai pha gel thân
nước và thân dầu, cấu trúc và đặc tính lý hóa của chất diện hoạt có thể có
ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của kem dạng nhũ tương bán rắn dầu trong
nước.
Khi chất diện hoạt ion hóa (dạng cation hay anion) được sử dụng, chúng
sẽ tham gia cấu tạo pha gel thân nước do điện tích của chúng tạo ra lực đẩy
tĩnh điện giữa các lớp kép. Cấu trúc của các nhũ tương chứa chất diện hoạt
ion hóa được tạo thành chỉ vài giờ sau khi bào chế và giữ ổn định trong suốt

4


quá trình bảo quản. Hiện tượng này cũng xảy ra đối với các hệ được bào chế
từ chất diện hoạt không ion hóa không chứa nhóm polyoxyethylene [5].
Ngược lại, trong các hệ có chứa chất diện hoạt không ion hóa có chứa
nhóm polyoxyethylene, sự trương nở của các lớp kép được gây ra bởi quá
trình hydrat hóa các chuỗi polyoxyethylene. Tương tác này được hình thành
trong quá trình bảo quản chậm hơn rất nhiều so với hệ được bào chế từ chất
diện hoạt ion hóa. Mặc dù vậy, các chất diện hoạt không ion hóa vẫn được sử
dụng nhiều hơn trong bào chế kem nhũ tương dầu trong nước do chúng ít
gây kích ứng và tương hợp tốt với các thuốc có bản chất ion hoặc các hoạt
chất trong mỹ phẩm so với các chất diện hoạt ion hóa [7].
Tween 80 là chất diện hoạt không ion hóa có chứa các chuỗi
polyoxyethylene trong phân tử (hình 2) và có tính thân nước (HLB = 15,0)
thường được sử dụng để bào chế kem dạng nhũ tương nhũ tương dầu trong
nước. Cùng với alcol béo, Tween 80 tạo nên các lớp kép chất nhũ hóa, góp

phần hình thành và ổn định cấu trúc nhũ tương. [18]

Hình 2. Công thức cấu tạo của Tween 80.
1.3. Các kỹ thuật vật lý nghiên cứu đặc điểm của kem dạng nhũ tương
dầu trong nước
1.3.1. Phân tích nhiệt
Phân tích nhiệt là nhóm các kỹ thuật phân tích trong đó các đặc điểm
vật lý cũng như hóa học của mẫu (nhiệt độ chuyển pha, khối lượng mất đi,

5


năng lượng chuyển pha, biến đổi về kích thước, ứng suất, tính chất nhờn, đàn
hồi) được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ.
Bản chất của phân tích nhiệt là dựa trên nguyên lý về nhiệt động
học. Độ thay đổi nhiệt độ của một chất tỷ lệ thuận với độ thay đổi
của nhiệt lượng mà khối vật chất đó nhận được và tỷ lệ nghịch với khối
lượng và nhiệt dung của khối vật chất đó.
Trong các nhóm kỹ thuật phân tích nhiệt, quét nhiệt vi sai (DSC) và
phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) thường được sử dụng để nghiên cứu đặc
điểm của kem dạng nhũ tương dầu trong nước.
1.3.1.1. Quét nhiệt vi sai (DSC)
DSC là kỹ thuật phân tích nhiệt đo sự chênh lệch lưu lượng nhiệt đến
mẫu thử và mẫu đối chiếu khi độ chênh lệch về nhiệt độ T giữa hai mẫu
luôn được duy trì bằng không [3]. Enthalpy của mẫu thử được xác định
thông qua lưu lượng nhiệt vi sai cần để duy trì mẫu thử và mẫu đối chiếu ở
cùng nhiệt độ. Trong phép đo này, nhiệt độ đo thường được lập trình để tiến
hành quét trên một khoảng bằng cách tăng tuyến tính ở một tốc độ định
trước. Enthalpy sẽ được xác định bằng diện tích giới hạn bởi đồ thị DSC thu
được. Với những nghiên cứu về chuyển pha vật lý (nóng chảy, sôi, thăng

hoa, bay hơi, chuyển hóa đa hình, chuyển từ vô định hình thành tinh thể,…),
DSC thường được sử dụng do có khả năng cung cấp các thông tin trực tiếp
về năng lượng chuyển pha (năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong
mẫu thử hoặc mẫu đối chiếu để có thể duy trì sự cân bằng nhiệt độ giữa các
mẫu).
Trong kỹ thuật DSC, có hai loại thiết bị chính là thông lượng nhiệt (heat
flux) và loại bổ chính công suất (power compensation) (hình 3) với các bộ
phận chính là giá giữ mẫu bao gồm cặp nhiệt, bộ phận chứa mẫu, lò nhiệt,
thiết bị điều khiển nhiệt độ và hệ ghi kết quả đo. Sau khi đặt mẫu vào vị trí

6


lò, nhiệt độ của lò được tăng dần lên. Sự khác nhau về công suất lò được đo
liên tục nhờ một detector vi sai công suất. Tín hiệu được khuyếch đại và
chuyển lên bộ phận ghi dữ liệu.

Hình 3. Sơ đồ cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt (a) và bổ
chính công suất (b).
Trên các đường cong DSC thông thường, có sự thay đổi xung quanh
trục nhiệt độ và xuất hiện các đỉnh thu nhiệt hoặc/và toả nhiệt tương ứng với
các quá trình chuyển pha của mẫu (hình 4). Thông tin về vị trí, số liệu, hình
dạng về sự thu nhiệt hoặc tỏa nhiệt được sử dụng làm cơ sở để phân tích các
tính chất của mẫu đo. Quá trình thu nhiệt nói chung thể hiện tính chất vật lý
nhiều hơn tính chất hóa học. Đỉnh thu nhiệt có thể tương ứng với sự tái sắp
xếp của tinh thể, sự nóng chảy hoặc chuyển pha trạng thái rắn. Khi đỉnh thu
nhiệt mở rộng, có thể xuất hiện sự loại bỏ nước. Quá trình tỏa nhiệt (không
phân ly) liên quan đến sự giảm enthalpy của pha trong hệ hóa học. Đỉnh tỏa
nhiệt hẹp cho thấy quá trình tinh thể hóa của các hệ nửa bền vững, các chất
hữu cơ, vô cơ chậm quá nguội (chậm đông). Mở rộng đỉnh tương ứng với

phản ứng hóa học, quá trình polymer hóa, quá trình lưu hóa nhựa. Quá trình
tỏa nhiệt phân ly có thể cho đỉnh hẹp hoặc mở rộng phụ thuộc vào động năng
của hệ. Sự nở hoặc phản lực sẽ cho đỉnh nhọn nhất, trong khi đó sự đốt cháy
bởi ôxy hóa và quá trình phân ly cho phổ mở rộng.

7


Hình 4. Sơ đồ kết quả phép đo DSC.
1.3.1.2. Phân tích nhiệt khối lượng (TGA)
TGA là kỹ thuật phân tích nhiệt dựa trên cơ sở xác định khối lượng của
mẫu bị giảm đi (hoặc tăng thêm) trong quá trình chuyển pha như một hàm
của nhiệt độ.
Khi vật chất bị nung nóng khối lượng của chúng sẽ bị giảm đi từ các
quá trình đơn giản như bay hơi hoặc từ các phản ứng hóa học giải phóng khí.
Một số vật liệu có thể tăng thêm khối lượng do phản ứng với không khí trong
môi trường. Do vậy, các quá trình diễn ra trong phép đo TGA thông thường
là bay hơi, huỷ cấu trúc, phân huỷ carbonat, oxy hoá sulfua, oxy hoá florua,
tái hydrat hoá…. Đây là các quá trình tạo lên những đứt gãy hoặc hình thành
lên các liên kết vật lý, hoá học xảy ra trong mẫu chất. Phép đo này nhằm xác
định (i) khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha và (ii) khối lượng bị
mất theo thời gian và theo nhiệt độ do quá trình khử nước hoặc phân ly.
Thông tin của phép đo TGA sẽ góp phần xác định thành phần khối lượng các
chất có mặt, độ ẩm, dung môi trong mẫu.
Trong thiết bị đo TGA (hình 5), phần cảm biến khối lượng đóng vai trò
tối quan trọng trong việc xác định được khối lượng của mẫu. Do vậy, việc
lựa chọn các loại cân phải phù hợp với từng loại mẫu (kích thước mẫu, khối

8

lượng mà vật liệu bị mất hoặc nhận được…). Mẫu được đặt trong nồi hoặc
đĩa nông trên giá đỡ. Ban đầu, cân ở vị trí cân bằng. Nhiệt độ của lò được
thay đổi liên tục và được điều khiển bởi cặp nhiệt. Trong quá trình tăng nhiệt
độ, các quá trình lý hoá xảy ra trong mẫu đo dẫn tới sự thay đổi khối lượng
của mẫu (hình 6).

Hình 5. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị đo TGA.

Hình 6. Đường cong TGA.

9


1.3.2. Lưu biến
Lưu biến học (rheology) là khoa học nghiên cứu tính chất chảy và sự
biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực [16]. Tính chất lưu biến
phản ánh hai đặc điểm của vật liệu: độ nhớt (tính chất chảy, khả năng trơn
trượt) và độ đàn hồi (sự biến dạng, khả năng tái ổn định cấu trúc). Do đó, kết
quả đo lưu biến có thể phản ánh những đặc điểm cấu trúc đặc trưng cũng như
sự thay đổi những thành phần cấu trúc đó theo thời gian. Người ta có thể
thay đổi loại lực tác dụng lên vật liệu để quan sát các tính chất lưu biến khác
nhau của vật liệu đó. Tương ứng với các loại lực này là các phương pháp đo
lưu biến khác nhau: phương pháp trượt liên tục, phương pháp dao động và
phương pháp dão và phục hồi.
1.3.2.1. Các đại lượng trong phép đo lưu biến
Xét một mẫu đo có diện tích bề mặt A (m2) và chiều cao d (m). Khi tác
dụng một lực F trượt lên bề mặt mẫu đo thì mẫu đo sẽ biến dạng lệch một
khoảng u (m) (hình 7) [16].

Hình 7. Hình ảnh mô phỏng biến dạng của mẫu đo dưới tác dụng ngoại lực
trượt lên bề mặt.
Khi đó ta có các đại lượng đặc trưng cho vật liệu:

10


Ứng suất trượt:

(Pa)

Biến dạng trượt:
Tốc độ trượt:

(1/s)

Độ nhớt:

(Pas)

1.3.2.2. Các phương pháp đo lưu biến
1.3.2.2.1. Phương pháp trượt liên tục (continuous shear stress)
Trong phương pháp này, vật liệu bị đặt dưới tác dụng của những lực
song song với nhau nhưng phương của các lực này không nằm trên cùng một
đường thẳng và có hướng ngược nhau (lực trượt) [4]. Tốc độ trượt của các
lớp vật liệu sẽ phụ thuộc vào độ lớn của ứng suất trượt, lực trượt trên một
đơn vị diện tích, và bản chất của vật liệu.
Phương pháp đo trượt liên tục có thể thực hiện theo hai cách tùy thuộc
vào dụng cụ sử dụng: kiểm soát tốc độ trượt hoặc kiểm soát ứng suất trượt.
Theo chế độ đầu tiên, tốc độ trượt được giữ cố định trong khi ứng suất trượt

được thay đổi trong khoảng giá trị nhất định. Trong khi đó chế độ thứ hai,
thông số thay đổi là tốc độ trượt còn ứng suất trượt giữ nguyên giá trị.
Kết quả đo của phương pháp này thường được biểu diễn dưới dạng
đường cong chảy (flow curve) trong đó trục tọa độ có thể là ứng suất trượt,
tốc độ trượt hoặc độ nhớt của vật liệu. Dựa vào hình dạng của đường cong
này có thể phân biệt được các loại vật liệu khác nhau theo tính chất chảy
(hình 8).

11


Hình 8. Đường cong chảy thể hiện tính lưu biến của các vật liệu khác nhau.
a: kiểu Newton, b: kiểu dẻo, c: kiểu giả dẻo, d: kiểu giãn.
Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép đánh giá sự phụ thuộc thời
gian của tính chất chảy của vật liệu. Khi tác động ngoại lực lên vật liệu trong
hai chu kỳ khác nhau với một chu kỳ tăng ứng suất trượt (hoặc tốc độ trượt)
và một chu kỳ giảm, tương quan về vị trí của đường cong chảy trong hai chu
kỳ có sự đối lập giữa các vật liệu có tính chảy phụ thuộc thời gian (hình 9)
và không phụ thuộc thời gian [4].

12


Hình 9. Đường cong chảy của vật liệu có tính chất thixotropy.
1.3.2.2.2. Phương pháp dao động (oscillatory rheology)
So với phương pháp trượt liên tục, phương pháp dao động có ưu điểm
là không phá hủy cấu trúc của vật liệu đo. Vật liệu chịu tác động bởi các dao
động có tần số nhất định và gây ra các ứng suất dao động lan truyền theo
kiểu sóng hình sin. Khi thay đổi giá trị của tần số này, các thành phần cấu
trúc khác nhau của vật liệu sẽ cho đáp ứng theo hai cơ chế chính: tích trữ

năng lượng đàn hồi và tiêu thụ năng lượng nhớt. Hai kiểu đáp ứng này được
mô tả qua thông số môđun đàn hồi G’ và môđun nhớt G”. Tỷ số giữa hai
thông số G” và G’, tanδ, cho biết độ mạnh yếu của tương tác giữa các thành
phần cấu trúc bên trong vật liệu [10, 17].
Để đảm bảo ứng suất và khoảng tần số của dao động sử dụng không
làm phá hủy cấu trúc của vật liệu, trước khi đo, người ta phải thực hiện một
phép thử sàng lọc. Một cách cụ thể, trong phép thử này tại hai giá trị tần số
lớn nhất và nhỏ nhất của khoảng tần số được chọn, ứng suất tác động lên
mẫu được thay đổi trong khoảng nhất định và sự thay đổi của các tính chất
lưu biến (môđun đàn hồi G’, môđun nhớt G”) theo ứng suất được ghi lại

13


(hình 10). Trong vùng nhớt đàn hồi tuyến tính, cấu trúc của vật liệu không bị
phá vỡ và ứng suất trong vùng này được lựa chọn để xác định tính chất của
lưu biến khi tần số dao động thay đổi.

Hình 10. Kết quả đo lưu biến để xác định vùng nhớt đàn hồi tuyến tính.
1.3.2.2.3. Phương pháp dão và hồi phục (creep and recovery)
Khác với hai phương pháp đo lưu biến trên, mẫu thử chịu tác dụng của
một ứng suất tại thời điểm ban đầu và ứng suất này không thay đổi trong quá
trình đo dão. Trong chu kỳ tiếp theo, quá trình phục hồi, ứng suất này giảm
đột ngột về không và giữ ở giá trị đó cho đến hết chu kỳ. Đáp ứng thuận
(compliance response) (1/G) của vật liệu theo thời gian được biểu diễn bằng
đồ thị [2, 10].
Hình dạng của đường cong dão qua hai chu kỳ phản ánh đặc tính đàn
hồi nhớt của vật liệu. Khi đo với vật liệu đàn hồi lý tưởng, đồ thị có dạng
đường thẳng song song với trục hoành trong chu kỳ đầu tiên và đột ngột
giảm xuống bằng 0 rồi giữ nguyên ở giá trị đó ở chu kỳ tiếp theo do các vật

14