Микрокапсули́рование (от микро… и лат. capsula – коробочка), процесс заключения (иммобилизации) микроколичеств вещества в оболочку из плёнкообразующего (главным образом полимерного) материала с получением микрокапсул, обладающих заданными свойствами; один из видов капсулирования.

Широкое распространение принцип использования веществ, заключённых в микрокапсулы, получил после того, как в 1953 г. американская фирма NCR запатентовала способ изготовления безуглеродной копировальной (самокопирующей) бумаги.

Продукты и препараты, содержащие в своём составе микрокапсулированные вещества, выпускаются в виде порошков, таблеток, брикетов, эмульсий, мазей, карандашей и т. д.; микрокапсулы наносятся на подложку (ткань, бумагу, плёнку), вводятся в состав полимерных материалов, паст, волокон, суспензий, аэрозолей и др. Используя разнообразные методы микрокапсулирования, можно на основе жидких, вязких, газообразных веществ получать сыпучие порошкообразные материалы; на основе растворимых веществ – нерастворимые формы; из несовместимых компонентов – смеси. Микрокапсулирование позволяет повышать стабильность легкоокисляющихся веществ; устранять потери летучих компонентов; решать вопросы хранения реакционноспособных, неустойчивых, токсичных, взрыво- и пожароопасных материалов, катализаторов, вакцин, нестойких препаратов (для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур и др.); осуществлять направленный транспорт и регулируемое высвобождение лекарственных веществ, контролируемое введение реагентов в химические реакции и т. д.

Компоненты

Оболочки (мембраны) микрокапсул могут быть одно-, двух- или многослойными, толщиной от долей до десятков мкм, в зависимости от свойств образующих их полимеров – жёсткими или эластичными. Оболочки могут быть сплошными или пористыми, различаться по прочности, растворимости в различных средах, устойчивости к воздействию влаги, микроорганизмов или обладать другими заданными свойствами.

Размеры микрокапсул могут колебаться от 10^–7 до 10^–3 м (в медицине, в частности, в основном применяются микрокапсулы размером 5·10^–5–10^–4 м). Современные технологии позволяют наносить покрытия на частицы размером 10^–8–10^–7 м; такие частицы с оболочками называют нанокапсулами, процесс их производства – нанокапсулированием. Содержание действующих веществ в микрокапсулах обычно составляет от 75 до 97 % (иногда до 99 %) от массы капсул. Содержимое – ядро – микрокапсул может иметь различную консистенцию, находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии, в виде индивидуального вещества или смеси веществ. Высвобождение вещества из оболочек микрокапсул – декапсулирование – может происходить при раздавливании, истирании, ультразвуковой обработке, разрыве под воздействием образующихся при изменении внешних условий внутри микрокапсулы паров и газов, растворении оболочек, путём диффузии вещества через оболочку микрокапсулы, в результате комбинации этих способов. Изменяя свойства оболочки, можно регулировать скорость высвобождения содержимого микрокапсул.

При получении полимерных микрокапсул в качестве плёнкообразующих веществ применяют: полимеры природного происхождения и их производные, в основном белки (желатин, гидролизованный желатин, альбумин, казеин и др.) и полисахариды (декстраны, крахмал, производные целлюлозы – метил-, этил-, ацетил-, нитро- и карбоксиметилцеллюлозу, и др.); природные смолы (камеди, шеллак); синтетические полимеры и олигомеры (полиолефины, поливиниловый спирт, поливинилацетат, поливинилхлорид, полиэтиленоксид, эпоксидные и полиэфирные смолы, полиамиды, полиорганосилоксаны, акриловые полимеры); парафины, стеарины и др. Нанокапсула часто представляет собой макромолекулу полимера, образующую сферу, внутри которой иммобилизовано низкомолекулярное вещество.

Микрокапсулирование – сравнительно дорогой метод, в ряде случаев требующий использования специальной аппаратуры, дорогостоящих установок и материалов. Технология получения микрокапсул основана на процессах плёнкообразования на границах раздела фаз: жидкость – жидкость, жидкость – твёрдое тело, газ (пар) – жидкость, газ (пар) – твёрдое тело. Применяют физические, физико-химические, химические методы микрокапсулирования.

Физические методы

К физическим относят методы дражирования, распыления, диспергирования жидкости, электростатического напыления, напыления в псевдоожиженном слое, напыления в центрифугах и др. Суть методов заключается в механическом нанесении оболочки на твёрдые или жидкие частицы микрокапсулируемого вещества.

Дражирование

При дражировании фракция кристаллов микрокапсулируемого вещества вращается в дражировальном котле и опрыскивается из форсунки раствором плёнкообразователя. При распылении суспензия микрокапсулируемого твёрдого вещества рассеивается в раствор или расплав плёнкообразователя в распылительной сушилке с помощью форсунок, дисков и других устройств. В основе метода диспергирования лежит рассеивание раствора плёнкообразователя с микрокапсулируемым веществом в жидкости, не смешивающейся с этим раствором.

Электростатическое микрокапсулирование

При электростатическом микрокапсулировании на частицы микрокапсулируемого вещества и капли плёнкообразователя наводят противоположные по знаку электрические заряды, пропуская их раздельные потоки в виде аэрозолей сквозь слои ионизированного газа; при объединении потоков разноимённо заряженных частиц происходит коалесценция с образованием микрокапсул.

Напыление в псевдоожиженном слое

При напылении в псевдоожиженном слое на образующие этот слой твёрдые частицы вещества напыляют раствор или расплав плёнкообразующего вещества с помощью сопла, форсунки, вращающегося диска.

Центрифугирование

В методе центрифугирования частицы микрокапсулируемого вещества (твёрдого или жидкого) под воздействием центробежной силы проходят через плёнку раствора плёнкообразователя и покрываются этой плёнкой.

Физико-химические методы

Физико-химические методы основаны на разделении фаз. К ним относят: выделение новой фазы, испарение легколетучего растворителя в жидкой среде, затвердевание при охлаждении в жидкой среде, отверждение при распылении.

Выделение новой фазы

Выделение новой фазы (коацервация) осуществляется в результате диспергирования микрокапсулируемого вещества в раствор или расплав плёнкообразователя. Путём изменения какого-либо параметра дисперсной системы (рН, температура, состав и др.) добиваются образования вокруг частиц микрокапсулируемого вещества мельчайших капелек (коацерватов), сливающихся в плёнку.

Испарение легколетучего растворителя

Метод испарения легколетучего растворителя в жидкой среде особенно широко применяется для иммобилизации ферментов, поскольку не требует значительного повышения температуры и введения дополнительных вспомогательных веществ (повышающих механическую прочность, осадителей и др.). Микрокапсулируемое вещество диспергируют в раствор плёнкообразующего вещества в легколетучем растворителе; образующуюся суспензию (или эмульсию) смешивают (диспергируют) с нелетучей жидкостью, которая не смешивается с легколетучим растворителем и плёнкообразователем, и затем испаряют летучий растворитель, повышая температуру или снижая давление.

Затвердевание при охлаждении в жидкой среде

Микрокапсулирование путём затвердевания плёнкообразующего материала при охлаждении в жидкой среде проводят в реакторе с мешалкой. Микрокапсулируемое вещество (жидкое или твёрдое) и воскоподобный плёнкообразователь диспергируют в большом объёме инертной нелетучей жидкости, с которой они оба не смешиваются. При повышении температуры расплавленный плёнкообразователь образует вокруг микрокапсулируемого вещества оболочку, которая при охлаждении затвердевает.

Химические методы

Химические методы микрокапсулирования основаны на образовании защитных покрытий вокруг ядер микрокапсулируемого вещества в результате полимеризации или поликонденсации плёнкообразующих компонентов. Процесс получения микрокапсул протекает в жидкой среде. Микрокапсулируемое вещество не должно растворяться в дисперсионной среде и иметь плотность, близкую к плотности дисперсионной среды.

Образующиеся при всех технологических приёмах микрокапсулирования сплошные оболочки микрокапсул подвергают дальнейшей обработке. В частности, для придания оболочке твёрдости используют понижение температуры или изменение pH среды, удаление растворителя, введение осадителя или сшивающего агента и пр.

Применение

Применение микрокапсул приносит большую выгоду в различных областях человеческой деятельности: в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, быту и пр. Микро- и нанокапсулирование открыло принципиально новые подходы в создании диагностических, лечебно-профилактических и лекарственных препаратов, косметических средств, биологически активных веществ, ароматических добавок к пищевым продуктам, других видов продукции – отверждённого жидкого топлива, клеёв, фотоматериалов с высокой разрешающей способностью для цветной фотографии, лакокрасочных материалов (в том числе бактерицидных красок, содержащих наночастицы серебра для покраски стен больничных учреждений), бактерицидных тканей с напылением из микрокапсулированных химических реагентов, используемых в основном в медицине – для уменьшения послеоперационного инфицирования, и пр.