Bei Aufprall sicher verpackt

Feste Mikropartikel lassen sich mit Beschichtungs­verfahren schnell und effizient in schützende Hüllen verpacken. Doch für Flüssigkeiten gestaltet sich eine entsprechende Verkapselung deutlich schwieriger. Spezielle Arzneien oder gar neue Emulsionen mit bisher unerreichten Eigen­schaften im Blick, entwickelten nun Narayanan Menon und seine Kollegen von der University of Massachusetts eine verblüffend einfache und elegante Methode, um Tropfen mit hauch­dünnen Plastik­folien zu umhüllen. Allein die kinetische Energie beim Aufprall von Tropfen auf einer Flüssigkeit reichte aus, um solche Tropfen­kapseln herzustellen.

„Uns gelang es, Tropfen in verschiedenen Geometrien wie Würfeln, Pyramiden oder Falt­taschen zu verpacken“, sagt Menon. Gemeinsam mit seinen Kollegen ließ der Physiker beispiels­weise winzige Öl­tropfen aus einer Pipette in eine mit Wasser gefüllte Küvette tropfen. Auf der Wasser­fläche schwamm eine dünne und durchsichtige Folie aus Polystyrol mit variabler Dicke zwischen 46 und 372 Nanometern. Fiel der Tropfen nur aus bis zu fünf Zentimeter Höhe, zerplatzte er einfach und verteilte sich gleichmäßig auf der Wasser­oberfläche. Doch bei größeren Fall­höhen reichte die kinetische Energie aus, um die Folie in das Wasser zu drücken. Diese legte sich dabei selbst­ständig binnen dreißig bis vierzig Milli­sekunden um den Öltropfen herum und verkapselte ihn. Wegen der relativ hohen Dichte sank diese Kapsel darauf auf den Boden der Küvette.

Die Form der Tropfenkapsel hing dabei von dem Zuschnitt der Polystyrol-Folie ab. Sehr gut funktionierte dieser Prozess, wenn die Kapsel die Form einer Maul­tasche annahm. Aber auch andere Geometrien wie winzige Pyramiden oder Würfel waren möglich. Wegen der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Öl und Wasser blieb der Tropfen sicher von der Polystyrol-Folie umhüllt. Wichtig für eine zuverlässige Verkapselung erwies sich das Verhältnis von kinetischer Energie zu Oberflächen­energie des Tropfens, definiert als die dimensionslose Weber-Zahl, die möglichst hohe Werte annehmen sollte.

Die Forscher umhüllten so nicht nur Öltropfen in Wasser, sondern mit doppel­schichtigen Folien aus einem fluorierten Polymer für die ölige und Polystyrol für die wässrige Seite auch Wasser­tropfen in der organischen Flüssigkeit Hexa­decan. „Diese Methode könnte für die Verkapselung von chemisch empfindlichen Flüssig­keiten in einer flüssigen Umgebung genutzt werden“, sagt Menon. Giftige Flüssig­keiten ließen sich so von ihrer Umgebung abtrennen.

Aber auch für die Entwicklung flüssiger Arzneien, bei denen die verkapselte Flüssigkeit nicht unmittelbar nach dem Schlucken, sondern etwa erst im Darm freigesetzt werden soll, könnte dieses Verfahren eine Anwendung finden. Selbst eine neue Art von Emulsionen haben die Forscher im Sinn. „Mit diesen fein verteilten Kapseln könnten diese Emulsionen viele verschiedene Eigenschaften aufweisen“, ist Menon überzeugt. Auf diesem Weg wollen die Forscher aber die Details dieser Aufprall-Verkapselung noch genauer untersuchen, um die Methode auf weitere Flüssigkeiten erweitern zu können.

Jan Oliver Löfken

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