Phospholipids as emulsifiers for micro/nano droplets suitable for biotechnological systems integration

Phospholipides comme émulsifiants pour les micro/nano-gouttelettes appropriés pour l’intégration des systèmes biotechnologiques

¹ Carl Gustav Carus-Institute, 75223 Niefern-Öschelbronn, Germany
email : ellen.hildebrandt@carus-institut.de, marcel.vranceanu@kit.edu, gero.leneweit@carus-institut.de
² Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute of Mechanical Process Engineering and Mechanics (MVM), 76131 Karlsruhe, Germany
email : marcel.vranceanu@kit.edu, hermann.nirschl@kit.edu

^* Corresponding author

Abstract

We studied the emulsifying properties of palmitoyl oleoyl phosphatidylcholine (POPC) using the biocompatible compounds water and squalene as immiscible fluid phases. We tested the solubility limit of POPC in squalene and its equilibrium distribution between bulk phases. POPC is dissolvable in squalene up to 0.3% (w/v) with an ultrasonication procedure. Above this limit, aggregates of >1 μm are formed which are resistant to prolonged ultrasonication in size and quantity. Emulsifying properties of POPC were elaborated by measuring the droplet size ranges of emulsions. Nanofluidics was studied by pressure driven transport of nanometer sized emulsion droplets through defined nanochannels whereby droplet sizes 500 nm can be produced. The mechanical properties of the emulsifying phospholipid monolayer at the water/squalene interface were studied by profile analysis tensiometry (PAT). The dynamic interfacial tension was measured and the adsorption isotherms were established from long-time approximations of the diffusion-controlled adsorption. With PAT a critical aggregation concentration was determined in the same range as the solubility limit, which was measured by dynamic light scattering. The minimum interfacial tension for POPC as emulsifier was found to be below 1 mN/m. Thus, it can be concluded that phospholipids are suitable emulsifiers for microfluidics and produce adsorbed layers of remarkably small interfacial tension.

Résumé

Nous avons étudié les propriétés émulsifiantes de palmitoyl oléoyl phosphatidylcholine (POPC) en utilisant de l’eau et du squalène comme phases fluides non miscibles et biocompatibles. Nous avons testé la limite de solubilité du POPC en squalène et sa répartition d’équilibre entre les phases volumiques. POPC est soluble dans le squalène jusqu’à 0.3% (p/v) avec une procédure d’ultrasons. Au-dessus de cette limite, des agrégats de > 1 μm sont formés qui sont résistants aux ultrasons prolongée en diamètre et en quantité. Les propriétés émulsifiantes de POPC ont été élaborées par la mesure des diamètres des gouttelettes des émulsions. La nanofluidique a été étudiée par les transports entraîné par pression de gouttelettes d’émulsion de taille nanométrique au travers des nanocanaux définies par lesquels des gouttelettes de taille 500 nm peuvent être produites. Les propriétés mécaniques de la monocouche de phospholipides émulsifiant à l’interface eau/squalène ont été étudiées par la tensiométrie d’analyse du profil d’une goutte (PAT). La tension interfaciale dynamique a été mesurée et les isothermes d’adsorption ont été établies à cause des approximations de longue date de l’adsorption contrôlée par la diffusion. Avec PAT, une concentration critique d’agrégation a été déterminée dans la même gamme que la limite de solubilité, qui a été mesurée par diffusion dynamique de la lumière. La tension interfaciale minimale pour POPC comme émulsifiant a été jugée inférieure à 1 mN/m. Ainsi, on peut conclure que les phospholipides sont des émulsifiants appropriés pour la microfluidique et de produire des couches adsorbées de la tension interfaciale remarquablement faible.