In campo farmaceutico e nutraceutico, il successo delle terapie farmacologiche è fortemente dipendente dall’impiego di sistemi di rilascio del farmaco che siano adeguati, efficienti e intelligenti. L’incapsulazione è una tecnica che consiste nell’inserire una sostanza all’interno di un’altra, creando una barriera protettiva che permette di isolare la molecola di interesse dall’ambiente esterno. Questo processo consente di ottenere particelle e capsule in grado di preservare gli ingredienti, migliorandone la stabilità e la dispersione.
L’incapsulazione può essere definita come una tecnologia che prevede l’inclusione di ingredienti bioattivi sensibili, siano essi solidi, liquidi o gassosi, all’interno di una o più matrici polimeriche protettive. L’incapsulazione si basa sul rivestimento di un composto attivo (core) con uno o più materiali di copertura (shell). Il core è il composto da incapsulare, ovvero il principio attivo, detto anche nucleo o fase interna; può avere una forma sferica o irregolare e può essere composto da uno o più ingredienti sotto forma di goccioline liquide, particelle solide o bolle di gas. Lo shell, definito anche rivestimento, wall, membrana, involucro o materiale di parete, può essere a singolo o doppio strato.
In base alle dimensioni della capsula, il nome e la tecnologia dell’incapsulazione cambiano. Si parla sia di nanoincapsulazione che di microincapsulazione: dalla prima si possono ottenere oltre alle nanocapsule, sistemi vescicolari in cui il composto bioattivo è circondato da una membrana polimerica unica, anche le nanosfere, sistemi a matrice in cui il composto bioattivo è uniformemente disperso. Tra le diverse tipologie, la microincapsulazione è l’applicazione più comune in ambito alimentare.
Nella microincapsulazione in matrici protettive la scelta del materiale incapsulante, ovvero del polimero di rivestimento, è essenziale per la buona riuscita del processo. I polimeri più comunemente utilizzati possono essere di origine naturale o sintetica ed è anche possibile l’impiego di materiali biodegradabili. Tra i materiali più utilizzati, in campo alimentare troviamo i carboidrati, le gomme, i lipidi e le proteine. Per la microincapsulazione di additivi alimentari vengono spesso impiegati i carboidrati: amido, maltodestrina e sciroppo di glucosio sono tra le tipologie maggiormente usate poiché tra le più economiche. Le proteine, infatti, sono ottimi materiali di rivestimento per i processi di microincapsulazione soprattutto grazie alle loro proprietà funzionali, quali quella emulsionante, l’elevata solubilità, la bassa viscosità e la capacità di formare film. Tra le gomme, invece, la più comune è la gomma arabica per le proprietà emulsionanti e per la capacità di ritenzione delle componenti volatili. Molto utilizzato come polimero di rivestimento è anche l’alginato, un composto chimico estratto dalle pareti cellulari di alcune alghe. Presenta un’alta stabilità meccanica e permette di creare film molto sottili; di contro è molto sensibile all’acidità e, per questo, non viene utilizzato per la formulazione di microcapsule destinate a resistere ai succhi gastrici presenti nello stomaco.
La protezione fornita dal rivestimento ovviamente non è destinata a durare all’infinito. Il rilascio del core dalla microcapsula può avvenire con diversi meccanismi di rilascio: per diffusione, degradazione, contatto con solvente o variazioni di pH, temperatura e pressione. In base alla destinazione d’uso, possono essere selezionati polimeri di rivestimento particolari tali da conferire caratteristiche differenti alla microcapsula: si possono ottenere microcapsule resistenti agli agenti esterni oppure sensibili ad attrito, pressione, umidità o calore.
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Lo scopo del presente studio è stato quello di riassumere le principali tecnologie di incapsulamento ad oggi sviluppate. Le microcapsule vengono preparate attraverso diverse tecniche; molte sono basate su processi di atomizzazione poiché questa tecnologia è flessibile, in grado di lavorare in continuo e relativamente economica.
Lo spray drying è una delle prime tecnologie implementate per la microincapsulazione, ancora ampiamente utilizzata. Viene spesso impiegata nell’industria alimentare (sono circa il 90% le microcapsule preparate con questa tecnica) per il suo basso costo e poiché, rispetto alle altre tecniche convenzionali, offre il vantaggio interessante di produrre microcapsule in un’operazione di elaborazione continua relativamente semplice. Core e shell vengono disciolti in un opportuno solvente e omogeneizzati; la miscela è successivamente immessa in uno spray dryer ed atomizzata mediante un ugello all’interno di una camera di essiccazione; a contatto con l’aria calda il solvente evapora e le capsule si raccolgono sul fondo dello spray-dryer. Durante questo processo di essiccazione, l’evaporazione del solvente, che è molto spesso acqua, è rapida e l’intrappolamento del composto di interesse avviene quasi istantaneamente.
Lo spray cooling, o raffreddamento a spruzzo, è tipicamente utilizzato per incapsulare sostanze idrofile, come vitamine o minerali, all’interno di uno shell di natura idrofobica. All’interno di una camera avviene l’atomizzazione, per mezzo di un ugello, della soluzione di alimentazione contenente il composto bioattivo ed il polimero di rivestimento.
Il processo di estrusione consiste nel far cadere delle gocce di una soluzione acquosa, contenete l’ingrediente funzionale e il polimero di rivestimento (tipicamente alginato di sodio), in un bagno di gelificazione (tipicamente calcio cloruro). Questo metodo è spesso impiegato per la microincapsulazione di cellule microbiche, enzimi, ormoni, farmaci e oli, spesso in combinazione ad altri polimeri.
Tra le metodologie più dispendiose, il rivestimento a letto fluido prevede che le particelle solide del core siano sospese in un flusso d’aria ad una specifica temperatura all’interno di una camera; la copertura avviene mediante l’atomizzazione e la nebulizzazione dello shell, tipicamente costituito da derivati di cellulosa, amido o proteine, direttamente sul core.
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La coacervazione prevede la formazione di una soluzione composta da: nucleo, materiale di rivestimento e solvente; solo a questo punto è possibile indurre la coacervazione del sistema. La coacervazione può essere indotta variando la temperatura, il pH, aggiungendo sali (salting out), aggiungendo un non solvente, o addizionando un polimero incompatibile. Tramite coacervazione complessa si utilizzano due polimeri, uno anionico e uno cationico, che reagiscono formando un complesso che si separa dalla soluzione. Si formano così due fasi: una ricca di polimeri (coacervati) e un’altra principalmente costituita dal solvente. La deposizione del polimero liquido sul materiale del nucleo è seguita dalla solidificazione dello strato di rivestimento attraverso raffreddamento, desolvatazione o reticolazione, ottenendo una membrana rigida e resistente attorno alle particelle del core sospeso.
Le tecniche di micro e nano-incapsulazione vengono impiegate in una vasta gamma di settori. Oltre ai settori farmaceutico e nutraceutico, queste soluzioni sono fondamentali anche nel trattamento dei reflui, nella produzione di tessuti funzionali, nella grafica e stampa, e nel settore elettronico. Nella cura della pelle, la tecnologia delle microcapsule utilizza sostanze specializzate come liposomi e microcapsule polimeriche che trasformano vari principi attivi in microparticelle. Queste microcapsule penetrano nella superficie cutanea, nel derma e nel tessuto sottocutaneo in pochi secondi, permettendo alla pelle di assorbire completamente i nutrienti, nutrendola dall'interno verso l'esterno.
La tecnologia della microincapsulazione sta rivoluzionando il modo di veicolare i prodotti cosmetici. L'incapsulamento della fragranza in microcapsule ne impedisce la distruzione da parte della luce e del calore, impedendone la rapida dispersione. Bloccare la luce e proteggere gli ingredienti: le microcapsule agiscono come un guscio protettivo, bloccando efficacemente la luce (in particolare i raggi UV) e proteggendo i principi attivi in essi contenuti dalla degradazione. Sistemi di stabilizzazione e prevenzione della separazione: in prodotti come lozioni e creme, le microcapsule stabilizzano la miscela olio-acqua e prevengono la separazione. La microincapsulazione consente anche di migliorare la penetrazione di collagene, peptidi, vitamina C e niacinamide, mantenendoli stabili e rilasciandoli negli strati cutanei desiderati. Pensate a spray, maschere per il viso, sieri, tutti con minuscoli ingredienti incapsulati: non si tratta solo di aggiungere più prodotti agli scaffali; si sta anche attirando persone che desiderano formule più efficaci e piacevoli da usare.
Le capsule rappresentano una componente fondamentale e altamente versatile delle forme farmaceutiche solide orali. Le capsule moderne si differenziano principalmente per la loro struttura fisica e la specifica tecnologia di riempimento richiesta per la loro creazione. Le capsule rigide sono caratterizzate dalla loro struttura, composte da due parti separabili, gusci cilindrici rigidi - il tappo e il corpo - progettati per incastrarsi dopo il riempimento. Storicamente, sono il contenitore primario per forme farmaceutiche solide orali, comprese le polveri fini, granuli, piccoli pellet e microcompresse. Le capsule morbide, o softgel, sono definite dalla loro singola unità, senza soluzione di continuità, gusci elastici, tipicamente di forma sferica o ovale e sigillati ermeticamente; sono ideali per incapsulare contenuti prevalentemente liquidi, a base di petrolio, emulsioni o farmaci semisolidi.
Le capsule di gelatina derivano dal collagene animale, trattati con alcali (Tipo B) o acido (Tipo A). Le capsule di gelatina sono lo standard industriale consolidato da tempo e sono apprezzate per il basso costo di produzione e la solida tecnologia di produzione. Nonostante la loro posizione dominante sul mercato, i gusci di gelatina introducono complessità formulative e logistiche: la gelatina è intrinsecamente sensibile all'umidità e alla temperatura ambientale, richiedendo condizioni di conservazione rigorose, in genere 15°-25°C e 35-65% di umidità relativa (RH) per mantenere l'integrità strutturale. Idrossipropilmetilcellulosa (HPMC) capsule, derivato da fibre vegetali e cellulosa, rispondono alla domanda per prodotti vegetariani e vegani. Le capsule HPMC possiedono un contenuto di umidità intrinseco inferiore e mostrano stabilità in una gamma più ampia di condizioni ambientali (fino a 70% RH), rendendole la scelta tecnica preferita per incapsulare ingredienti altamente sensibili all'umidità o igroscopici.
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Le formulazioni a rilascio ritardato sono progettate per impedire il rilascio immediato della sostanza farmaceutica al momento dell'ingestione. Il metodo più comune e affidabile per ottenere questo risultato è il rivestimento enterico. Un rivestimento enterico è una barriera polimerica specializzata applicata alla capsula o al suo contenuto che rimane intatta nello stomaco e si dissolve solo nell'intestino tenue. Queste capsule funzionali sono progettate per l’ottimizzazione farmacologica, rilasciando gradualmente i principi attivi per un periodo prolungato. Il vantaggio principale della tecnologia a rilascio prolungato è il mantenimento di una concentrazione costante del farmaco nel flusso sanguigno, ottimizzando l'effetto terapeutico e migliorando significativamente la compliance del paziente riducendo la necessità di somministrazioni giornaliere frequenti.
Le nanoparticelle, maggiormente utilizzate per la somministrazione endovenosa, possono accumularsi nel tessuto tumorale tramite permeazione attraverso le fenestrazioni della membrana dei vasi sanguigni tumorali ad opera del meccanismo di targeting passivo. Quando il diametro delle particelle diventa estremamente ridotto, al di sotto del micron, si parla di nanoincapsulazione. Le particelle nanometriche, grazie alle loro dimensioni minuscole, sono in grado di entrare facilmente nelle cellule, migliorando l’assorbimento e la biodisponibilità dei principi attivi.
Il processo di produzione delle capsule rigide è intrinsecamente legato alle prestazioni ad alta produttività, automatico di precisione o macchine riempitrici semiautomatiche per capsule. Queste macchine complesse eseguono una sequenza a più fasi: devono separare accuratamente i gusci, dosare con precisione la formulazione (che possono coinvolgere polveri, pellet, o liquidi), quindi chiudere e sigillare saldamente la capsula. È fondamentale riconoscere che la capacità totale di una capsula non è definita esclusivamente dal suo volume; dipende in modo critico dalla densità apparente e dalla distribuzione granulometrica del materiale di riempimento. Una macchina riempitrice per capsule di alta qualità deve possedere la flessibilità necessaria per soddisfare senza soluzione di continuità l’intera gamma di standard dimensionali, da 000 a 5, spesso richiedono funzionalità di cambio rapido per massimizzare l'efficienza produttiva. Per operazioni su scala industriale, sono indispensabili riempitrici completamente automatiche, offrendo una precisione di dosaggio eccezionale.
Le applicazioni delle tecnologie di incapsulamento sono ampie ed in continuo aumento. Secondo gli studi, le applicazioni sono in crescita perché le microcapsule forniscono una barriera tra i composti sensibili e l’ambiente che li circonda, stabilizzando diversi tipi di ingredienti alimentari e aumentando la biodisponibilità. Inoltre, questa tecnologia è in grado di limitare l’evaporazione e la degradazione di composti volatili come quelli aromatici. Per capitalizzare in modo efficace il salto tecnologico e soddisfare i rigorosi requisiti globali di qualità ed efficacia, le aziende farmaceutiche devono investire nella flessibilità e in attrezzature industriali di alta precisione.
Nel mondo moderno delle scienze applicate, l’incapsulazione è una tecnologia sempre più fondamentale per migliorare la qualità e l’efficacia di numerosi prodotti. Sphera Encapsulation è un punto di riferimento in questo campo, grazie a un know-how unico che combina l’utilizzo di materiali naturali e l’innovazione nella gestione degli attivi nutraceutici. Sphera Encapsulation utilizza una vasta gamma di tecnologie avanzate per incapsulare principi attivi, migliorandone la stabilità, la bio-disponibilità e la durata di conservazione. Uno degli obiettivi principali di Sphera Encapsulation è l’adozione di pratiche sostenibili: l’azienda utilizza materiali biodegradabili al 100%, riducendo l’impatto ambientale e promuovendo soluzioni ecologiche per le industrie. Sphera Encapsulation offre servizi personalizzati di incapsulazione a Verona, seguendo ogni progetto dalla fase di concetto e prototipo fino alla produzione finale.
La scelta del metodo di microincapsulazione dipende dalle proprietà fisiche e chimiche del nucleo e del materiale di rivestimento e dalla posizione del componente da rivestire. Il rivestimento e il materiale devono essere food-grade, biodegradabili ed in grado di formare una barriera tra la fase interna e l’ambiente che circonda le microcapsule. Un unico materiale difficilmente possiede tutte le proprietà richieste, perciò spesso si adottano combinazioni di sostanze differenti per ottenere microcapsule con permeabilità, stabilità e meccanismi di rilascio desiderati.
| Tecnica | Vantaggi | Limiti / Applicazioni tipiche |
|---|---|---|
| Spray drying | Basso costo, continuo, flessibile | Limitato dai materiali idrosolubili; molto usato in alimentare |
| Spray cooling | Adatto a composti idrofilici in shell idrofobici | Richiede controllo termico |
| Estrusione/gelificazione | Adatto per alginato e cellule biologiche | Sensibile a pH e gelificazione |
| Rivestimento a letto fluido | Uniformità del coating su particelle solide | Costoso, complesso |
| Coacervazione | Controllo accurato dello strato di rivestimento | Processo multi-step e sensibile alle condizioni |
Il mercato globale delle capsule è pronto per una significativa espansione, guidato da innovazioni tecnologiche incentrate su una maggiore efficienza e risultati terapeutici altamente mirati. L’incapsulazione continuerà a essere una tecnologia chiave per migliorare stabilità, sicurezza ed efficacia dei prodotti nei settori farmaceutico, nutraceutico, cosmetico e oltre.
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