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Farmacotécnica III - 2026

ESTABILIDADE COLOIDAL 1

24.08.2026

PROF. FERNANDO BARROSO

FCFRP/USP

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Recordando

da Físico-química....

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Domínio

coloidal

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Coloides

são misturas heterogêneas

soluto

1 μm

1 nm

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Coloides

Propriedades ópticas

Propriedades elétricas

Propriedades cinéticas

Efeito Tyndall

água

água+açúcar

água+leite

não há espalhamento da luz

espalhamento

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Físico-Química de Polímeros e Sistemas Dispersos

Domínio coloidal

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Sistema de dispersão farmacêutico

água

óleo

Emulsão

Uma emulsão é uma dispersão de pelo menos dois líquidos imiscíveis, um dos quais está disperso como gotículas no outro líquido, e estabilizado por um agente emulsionante.

Estabilidade?

coalecência

emulsão

Como evitar a separação de fases?

É termodinamicamente instável!

É irreversível!

Precisa ser evitada!

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Sistema de dispersão farmacêutico

água

óleo

Emulsão

Uma emulsão é uma dispersão de pelo menos dois líquidos imiscíveis, um dos quais está disperso como gotículas no outro líquido, e estabilizado por um agente emulsionante.

Estabilidade?

coalecência

emulsão

Como evitar a separação de fases?

É termodinamicamente instável!

É irreversível!

Precisa ser evitada!

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Sistema de dispersão farmacêutico

Kulshreshtha, Singh & Wall, “Pharmaceutical Suspensions: From Formulation Development to Manufacturing”, Springer, 2010.

emulsão

floculação

as gotículas ficam presas umas às outras, mas ainda são separadas por uma película fina

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Sistema de dispersão farmacêutico

Kulshreshtha, Singh & Wall, “Pharmaceutical Suspensions: From Formulation Development to Manufacturing”, Springer, 2010.

emulsão

floculação

as gotículas ficam presas umas às outras, mas ainda são separadas por uma película fina

emulsão

floculação

as gotículas ficam presas umas às outras, mas ainda são separadas por uma película fina

cremeação

as gotículas se agregam e podem

sedimentar

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Esquema dos processos que desestabilizam uma emulsão

emulsão

floculação

cremeação

inversão de fase

maturação de Ostwald

(Ostwald ripening)

coalecência

Principais

fenômenos

para a

separação de fases

irreversível

reversível

Kulshreshtha, Singh & Wall, “Pharmaceutical Suspensions: From Formulation Development to Manufacturing”, Springer, 2010.

São irreversíveis

(como a coalescência)

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Sistema de dispersão farmacêutico

O que controla a distância entre as (macro)partículas?

Forças intermoleculares

Como interpretá-las?

Como quantifica-las?

Cada excipiente adicionado é uma manipulação das interações coloidais. Dominar as forças intermoleculares (dupla camada elétrica) é a única maneira de prever, modelar e proteger a segurança clínica do produto final.

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Algumas

recapitulações

Formalismos para

estudarmos interações

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Formalismo Newtoniano

Formalismo Hamiltoniano

h

Energia

Potencial

mg

Força (partícula)

Energia (campo)

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Propriedades de campo vs de partícula

Saiba as

diferenciar!

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Interpretação: energia potencial de interação

(distancia de separação entre as partículas)

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Interpretação: energia potencial de interação

(distancia de separação entre as partículas)

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V_MAX>> 1KT

Interpretação: energia potencial de interação

(distancia de separação entre as partículas)

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Interações

intermoleculares

V_ij

V_ij=

repulsão eletrônica

transferência de carga

interação elétrica multipolo-multipolo

interação elétrica multipolo-multipolo induzido

dispersão

+

sempre atrativas

Forças de van der Walls

Não podem ser alteradas!

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19

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Como quantifica-las?

Para átomos

Forças

de van

der Walls

Lennard-Jones

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Para sistemas coloidais: Hamaker

atrativas

depende de r

(longo alcance)

depende de r⁶

(curto alcance)

Hamaker

LJ (para átomos)

Cada macropartícula

contem muitos átomos!

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Sempre atrativa!!!

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Interações

intermoleculares

V_ij

V_ij=

repulsão eletrônica

transferência de carga

interação elétrica multipolo-multipolo

interação elétrica multipolo-multipolo induzido

dispersão

+

Forças de van der Walls

Definidas, quando se

define o sistema.

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Interações

intermoleculares

V_ij

V_ij=

repulsão eletrônica

transferência de carga

interação elétrica multipolo-multipolo

interação elétrica multipolo-multipolo induzido

dispersão

+

carga

origem?

q

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Aminoácidos�

Carga varia de +1 a 0

Carga varia de 0 a -1

protonado

deprotonado

[Biochemistry 2/e - Garrett & Grisham]

Cargas elétricas se formam por ionização

50%

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[Biochemistry 2/e - Garrett & Grisham]

Aminoácidos tem carga elétrica (que depende do pH)

pH↓

c_H+↑

pH 7

c_H+

pH ↑

c_H+↓

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Interações eletrostáticas

Equilíbrio ácido-base em água

curva de

titulação

pI

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Equilíbrio ácido-base em água

negativo

positivo

região não-polar

região polar

contra-íon

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Distribuição de cargas

Distribuição de Boltzmann

cargas de sinal oposto

cargas de mesmo

sinal

potencial de força média

(espécie k)

Incorpora flutuações

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Estabilidade

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[Ilustração (adaptada) de fonte desconhecida]

Dupla camada elétrica

sente drasticamente o efeito da

carga da macropartícula

região perturbada pela

carga da macropartícula

DCE: blindagem eletrostática

(pela concentração de cargas)

Essa região já não sente

a carga da macropartícula

DCE

“bulk”

(seio da solução)

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Dupla camada elétrica

Partícula coloidal

Carga superficial (Z=N_sz_s)

[Ilustração do livro do Shaw]

“bulk”

(seio da solução)

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Dupla camada elétrica

Partícula coloidal

Carga superficial (Z=N_sz_s)

[Ilustração do livro do Shaw]

“bulk”

(seio da solução)

plano de Stern

é o mais próximo da

macropartícula carregada

Note que temos contra-íons

“arrastados” que não estão

no plano de Stern!

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Dupla camada elétrica

Potencial

Zeta

Potencial Zeta

Tudo que está ai dentro move junto com o macro-íon

Comprimento de Debye

Largura da D.C.E.

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Dupla camada elétrica

Potencial Zeta

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Parâmetros FQ mais importantes

Concentração do íon

valência do íon

constante dielétrica solvente

(força iônica)

(comprimento de DH)

(comprimento de Bjerrum)

força iônica

comprimento

de Debye

comprimento

de Bjerrum

7.1Å para água em 25^oC

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A constante

dielétrica

é função da

temperatura!

Constantes

dielétricas

de alguns

líquidos

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Potencial Zeta

κa é muito GRANDE

Força iônica ↑

a ↑

κa é muito pequeno

Força iônica ↓

a ↓

Mobilidade eletroforética

Equação de Henry

C≈10³ M & a>200 nm

viscosidade

Potencial zeta

κ🡪 constante de Debye

a🡪 raio da macropartícula

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Teoria DVLO

Estabilidade coloidal

(Derjaguim, Landau, Verwey e Overbeek – cientistas que a criaram)

balanço entre forças atrativas e repulsivas.

Atração (Hamaker)

Repulsão da dupla camada elétrica

+

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“Juntando” tudo…

atrativas

repulsivas

Eletrostática

van der Waals

(Hamaker)

(Poisson-Boltzmann)

repulsivas

atrativas

V_max precisa ser “ajustado” para garantir a estabilidade colloidal!

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Situação 1

coloide

estável

Situação coalecência

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+

-

[Ilustração do livro do Shaw]

Poisson

Boltzmann

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Poisson

potencial elétrico

densidade de cargas

cte dielétrica

do solvente

cte dielétrica

do vácuo

+

-

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[Ilustração do livro do Shaw]

Boltzmann

concentração

(espécie k)

concentração “seio” da solução

(espécie k)

valencia

(espécie k)

carga elementar

potencial de força média

(espécie k)

cte de Boltzmann

temperatura

Íon de Na⁺ tem valência +1

Íon de Cl^- tem valência -1

e = 1,6 10^-19 C

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[Ilustração WikiPedia]

Equação de Poisson-Boltzmann

Equação de Poisson

Distribuição de Boltzmann

contra-íons

co-íons

tamanho dos íons

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[Ilustração WikiPedia]

Equação de Poisson-Boltzmann

potencial de força média

(espécie k)

potencial elétrico

aproximação de campo médio

Equação não-linear
Soluções analíticas disponíveis apenas para sistemas muito simples

(p.ex. infinita superfície planar carregada – Gouy-Chapman)

correlação íon-íon

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Debye-Hückel

[Ilustração WikiPedia]

para x pequeno:

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= 0

Eq. Linear de PB

resultado da expansão e linerização

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Solução particular

Comp. de Debye

Eq. de Grahame

densidade superficial de carga

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Solução particular

Eq. de Grahame

densidade superficial de carga

Comp. de Debye

Sal reduz a repulsão!

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Sal reduz a repulsão!

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coalecência

emulsão

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53

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a = raio da macropartícula

H = distância de contato

d = distância de separação centro-centro

A = constante de Hamaker

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Aumento da

concentração de sal

Anulamos a

interação repulsiva aqui

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Estabilidade coloidal

�O que manipular na prática?�

Interações eletrostáticas.

Repulsão estérica

pH

Adição de polímeros carregados

Adição de sal

Interações eletrostáticas

Repulsão estérica

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Exercício: Qual o valor da energia potencial de interação para duas macropartículas coloidais esféricas separadas por 0,1x10^-5cm?

2a

R

H

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Exercício: Qual o valor da energia potencial de interação para duas macropartículas coloidais esféricas separadas por 0,1x10^-5cm?

2a

R

H

= 2 x 3,14 x 80 x 8,85x10^-12x 10^-5x10^-2x (25,6x10^-3)²x exp(-3x10⁵x0,1x10^-5)

= + 2,9x10^-19 x 0,74 = + 2,1 x 10^-19J

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Exercício: Qual o valor da energia potencial de interação para duas macropartículas coloidais esféricas separadas por 0,1x10^-5cm?

2a

R

H

repulsivo

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Obrigado!

(Aula de Físico-química, agosto de 2019, FCFRP/USP)

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Exercício: Qual o valor da energia potencial de interação para duas macropartículas coloidais esféricas separadas por 0,1x10^-5cm?

2a

R

H

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Exercício: Qual o valor da energia potencial de interação para duas macropartículas coloidais esféricas separadas por 0,1x10^-5cm?

2a

R

H

= 2 x 3,14 x 80 x 8,85x10^-12x 10^-5x10^-2x (25,6x10^-3)²x exp(-3x10⁵x0,1x10^-5)

= + 2,9x10^-19 x 0,74 = + 2,1 x 10^-19J

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Exercício: Qual o valor da energia potencial de interação para duas macropartículas coloidais esféricas separadas por 0,1x10^-5cm?

2a

R

H

repulsivo

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Exercício: Um coloide de poliestireno tem grupos sulfatos (-SO₄)^2- na sua superfície. O potencial zeta é de -20 mV em um concentração de 1 mmol L^-1 de NaCl em água. Assuma que existe apenas uma camada difusa e estime quantos grupos de sulfatos existem nesse coloide, caso o mesmo tenha um raio de 20 nm.

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Pela equação de Grahame,

Pela definição de κ para 1:1,

Logo,

Como cada sulfato tem duas cargas, o número de sulfatos é 44,4/2 ≈ 22 sulfatos

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Além de DVLO

V_ij

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Cargas iguais devem sempre se repelir?

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A natureza mostra que nem sempre!

Angelini T. E. et.al. PNAS 2003;100:8634-8637

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[Kleinschmidt et al. (1962)]

Protein-protein interaction

JÖNSSON, Bo ; LUND, Mikael ; Da SILVA, F. L. B.

Food Colloids: Self-Assembly and Material Science.

Royal Society of Chemistry, 2007, p. 129

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STRONG coupling (multivalent ions)

Charge reversal/“overcharging”
Colloidal Attraction

The electrostatic world of (biological) molecules

Coulomb law, pka and kT

Weak coupling (monovalent ions)

“Screening” long-range interactions
Condensation at short distances (Z→ Z_eff)
DVLO (repulssion): ~ exp(-κr)/r

valence

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Complex Coacervation of Whey Proteins and Gum Arabic

F. Weinbreck, R. de Vries, P. Schrooyen, and C. G. de Kruif*

Biomacromolecules, 4 (2), 293 -303, 2003

Complexação “do lado errado”

+e

-e

Sal é monovalente!!!

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Complexation “on the wrong side”

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Complexation “on the wrong side”

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pH-dependent

responsive mechanisms

Insuline-chitosan nanocomplexation driven by pH solution.

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Experimental data

[Silva, Perez, Martinez & Barroso Da Silva, JCTM 2020]

Simulation data

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Experimental data

Simulation data

[Silva, Perez, Martinez & Barroso Da Silva, JCTM 2020]

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