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L’incapsulamento è definito come una tecnologia di involucro di solidi, liquidi o materiali gassosi in capsule sigillate in miniatura (che sono nanometriche a micrometri a millimetri) che possono rilasciare il loro contenuto a velocità controllate in condizioni speciche. Nella microincapsulazione le micro particelle (o) goccioline sono circondate da un materiale di rivestimento che funge da barriera fisica tra il nucleo e gli altri materiali presenti nel prodotto.
La tecnologia di microincapsulazione è impiegata in una vasta gamma di settori come prodotti chimici, cosmetici, alimentari, farmaceutici, stampa, ecc. Lo sviluppo della prima tecnologia di incapsulamento e la preparazione di microcapsule risale al 1950 quando Green e collaboratori produssero coloranti microincapsulati mediante coacervazione di gelatina e gomma arabica, per la produzione di carta da copia autocopiante.
La capsula ha la capacità di conservare una sostanza nello stato diviso e di rilasciarla secondo necessità. La dimensione delle capsule può variare da submicrometrica a diversi millimetri di dimensione e avere una moltitudine di forme diverse, a seconda dei materiali e dei metodi utilizzati per prepararle.
La microincapsulazione comporta l’incorporazione di attivi (come: aromi, colori, farmaci, enzimi, cellule o altri materiali) in piccole capsule. Le capsule offrono un mezzo per proteggere i componenti sensibili, trasformare i liquidi in ingredienti solidi facilmente maneggevoli e incorporare attributi di rilascio controllato (come meccanismi di rilascio a tempo, rilascio mirato ecc.) nelle formulazioni del prodotto.
L’incapsulamento/intrappolamento dei principi attivi viene effettuato per una serie di motivi:
⊃ Proteggere il materiale del nucleo dalla degradazione riducendo la sua reattività all’ambiente esterno (come luce UV, calore, umidità, ossidazione dell’aria, attacco chimico, acidi, basi, ecc.).
⊃ Ridurre/ritardare la velocità di evaporazione o trasferimento di un principio attivo volatile (il materiale principale) all’ambiente esterno.
⊃ Modificare le caratteristiche fisiche di un materiale, rendendolo più facile da maneggiare (ad esempio, convertire il liquido in forma solida, migliorare le proprietà di manipolazione di un materiale appiccicoso, ecc.).
⊃ Ottenere un rilascio controllato e/o mirato di principi attivi. Il prodotto può essere adattato per rilasciare lentamente nel tempo o in un determinato punto.
⊃ Migliorare la durata di conservazione prevenendo reazioni degradative (disidratazione, ossidazione, ecc.).
⊃ Mascherare il gusto o degli odori dei principi attivi.
⊃ Manipolare i principi attivi di grande valore (il materiale di base può essere diluito quando sono necessarie solo quantità molto piccole, ma ottenere comunque una dispersione uniforme nel materiale ospite).
⊃ Miscelare composti incompatibili separando componenti all’interno di una miscela che altrimenti reagirebbero l’uno con l’altro.
⊃ Migliorare la manipolazione dei materiali (consistenza e meno spreco di ingredienti, controllo degli attributi igroscopici, miglioramento di altri attributi come owability, solubilità e dispersibilità; polvere senza polvere).
⊃ Per una manipolazione più sicura dei materiali tossici.
Le microcapsule possono essere classificate in base alle loro dimensioni o morfologia e variano in dimensioni da 1 μm a pochi millimetri.
Alcune microcapsule il cui diametro è nell’intervallo nanometrico sono indicate come nanocapsule per evidenziare le loro piccole dimensioni.
Le particelle con diametro compreso tra 3 e 8 μm sono chiamate microparticelle o microsfere o microcapsule. Le particelle più grandi di 1000 μm sono chiamate macroparticelle.
La morfologia delle microcapsule dipende principalmente dal materiale del nucleo, come è distribuito all’interno del sistema e il processo di deposizione del guscio. Allo stesso modo, la morfologia della struttura interna di una microparticella dipende in gran parte dai materiali del guscio selezionati e dai metodi di microincapsulazione impiegati. Le microcapsule possono essere classificate in diverse classi arbitrarie e sovrapposte, come:
-microcapsule mononucleate hanno un guscio attorno al nucleo.
-Le capsule polinucleari hanno molti nuclei racchiusi all’interno dello stesso guscio.
-Incapsulamento di matrice in cui il materiale del nucleo è distribuito in modo omogeneo all’interno del guscio.
L’incapsulamento della matrice è la struttura più semplice, in cui il principio attivo (nucleo) è molto più disperso all’interno del materiale portante / guscio sotto forma di goccioline relativamente piccole o più omogeneamente distribuite / incorporate in una matrice continua di materiale della parete. I principi attivi nella morfologia del tipo di matrice sono presenti anche in superficie a meno che non venga applicato un rivestimento aggiuntivo.
La composizione, il meccanismo di rilascio, la dimensione delle particelle e la forma fisica delle microcapsule possono essere modificati per adattarsi ad applicazioni specifiche.
Il guscio dovrebbe essere flessibile, insapore, stabile, non igroscopico, senza alta viscosità, economico, solubile in un mezzo acquoso o solvente, o fondente. Inoltre, il materiale del guscio può essere flessibile, fragile, duro, sottile, ecc.
La scelta del processo di microincapsulazione è determinata dalle proprietà fisiche e chimiche dei materiali del rivestimento e dall’applicazione prevista. Sono state sviluppate varie tecnologie e materiali di copertura per progettare microcapsule con un’ampia varietà di funzionalità. Utilizzando tecniche di incapsulamento selettivo e materiali di guscio, è possibile ottenere microcapsule progettate con rilascio controllato e/o mirato dei principi attivi incapsulati (utilizzando fattori attivanti, come variazione di pH, stress meccanico, temperatura, attività enzimatica, tempo, forza osmotica, ecc.). Selezionare la tecnologia di incapsulamento appropriata, deve essere un processo ben pensato, che include il soddisfacimento di determinati requisiti. Lo scopo dell’incapsulamento deve essere chiaramente definito prima di considerare le proprietà desiderate nei prodotti incapsulati, dove uno dei primi fattori è il tipo di beneficio (come le proprietà desiderate, il miglioramento del prodotto / processo, la stabilità dello stoccaggio, ecc.) che si desidera ottenere attraverso la tecnologia di incapsulamento.
Nella progettazione del processo di incapsulamento devono essere considerati:
⊃ Le caratteristiche fisico-chimiche del principio attivo e la funzionalità dei principi incapsulati nel
⊃ prodotto finale.
⊃ Le condizioni di conservazione degli ingredienti incapsulati prima dell’uso.
⊃ Le condizioni di conservazione del prodotto finale contenente gli ingredienti.
⊃ Le proprietà fisiche (dimensione delle particelle, densità e requisiti di stabilità) dell’ingrediente capsulato.
⊃ I fattori scatenanti e i meccanismi per il rilascio del principio attivo dalle microcapsule.
⊃ Gli eventuali vincoli di costo. In base all’esito del processo di valutazione, è necessario selezionare i seguenti elementi per il processo di incapsulamento preferito.
⊃ Il tipo di materiale di rivestimento. La selezione del materiale di rivestimento decide le proprietà fisiche e chimiche delle microcapsule/microsfere. Il polimero dovrebbe essere in grado di formare un film coerente con il materiale del nucleo.
⊃ La quantità/percentuale di nucleo per la microcapsula. La concentrazione del principio attivo nella microcapsula.
⊃ Il tipo di tecnologia/processo di incapsulamento.
⊃ Le eventuali questioni legali da considerare riguardanti la tecnologia.
⊃ Lo stato della proprietà intellettuale e la libertà di praticare/utilizzare.
⊃ Le possibilità di scale-up senza problemi di qualità.
I processi di microincapsulazione sono solitamente classificati in due gruppi principali: processi chimici e processi meccanici o fisici. Queste distinzioni possono essere in qualche modo fuorvianti in quanto alcuni processi classificati come meccanici potrebbero coinvolgere o addirittura fare affidamento su una reazione chimica e alcune tecniche chimiche si basano esclusivamente su eventi fisici.
La tecnica sviluppata negli USA, prevede due getti concentrici; uno interno contenente il principio attivo (materiale del nucleo liquido) e un getto esterno con il materiale della parete liquida, generalmente in forma fusa, che si solidifica quando esce dal getto.
L’ugello vibrazionale aiuta a controllare sia la dimensione delle goccioline che produce un prodotto più uniforme con dimensioni delle microcapsule inferiori fino al micron. Il guscio viene indurito mediante raffreddamento (gelificazione termica), reticolazione chimica o evaporazione del solvente.
Questo processo viene utilizzato principalmente per incapsulare gli oli aromatici. I liquidi vengono incapsulati da una testa rotante contenente ugelli concentrici. In questo processo un getto di liquido (nucleo) è circondato da una guaina di soluzione di parete o fusione. Con l’azione della tensione superficiale, il materiale di rivestimento avvolge il materiale del nucleo, realizzando così l’incapsulamento. La parete del guscio delle goccioline viene isolata mediante bagno di raffreddamento o gelificazione per produrre capsule. Le microcapsule così formate possono essere raccolte su un letto mobile di amido a grana singola, che attutisce il loro impatto e assorbe l’umidità in eccesso del rivestimento. La dimensione della capsula dipende dalla velocità di rotazione. I materiali tipici delle pareti includono amido, maltodestrine, gelatina, glicole polietilenico (PEG). Le particelle prodotte con questo metodo hanno un diametro compreso tra 150 e 2000 mm.
Questo è un processo continuo ad alta velocità che prevede la miscelazione dei materiali del nucleo e della parete e quindi l’aggiunta a un disco rotante. I materiali del nucleo con un rivestimento di liquido residuo vengono espulsi dal disco. Le microcapsule vengono quindi essiccate o refrigerate. Con questa tecnica possono essere incapsulati, solidi, liquidi o sospensioni in capsule da 30 μm a 2 mm.
Il processo di incapsulamento della cocristallizzazione utilizza il saccarosio come matrice per l’incorporazione di materiali di base. La cocristallizzazione del saccarosio/ingrediente principale è indotta aggiungendo un materiale di base allo sciroppo di saccarosio supersaturo (mantenuto ad alta temperatura per prevenire la cristallizzazione) sotto vigorosa agitazione meccanica. L’aggiunta dell’ingrediente principale fornisce la nucleazione per la cristallizzazione della miscela di saccarosio/ingrediente principale. Un calore sostanziale viene rilasciato quando lo sciroppo raggiunge la temperatura alla quale iniziano la trasformazione e la cristallizzazione. È molto importante controllare correttamente i tassi di nucleazione e cristallizzazione, nonché il bilancio termico durante le varie fasi. Con questo processo, i materiali di base in forma liquida possono essere convertiti in una forma in polvere secca senza ulteriore essiccazione.
Una gocciolina coacervata è una minuscola goccia sferica di molecole organiche assortite, tenuta insieme da forze idrofobiche e di dimensioni comprese tra 1 e 100 μm. Il nome deriva dal latino coacervare, che significa “riunire insieme o raggruppare”. Esistono due tipi di processi di coacervazione disponibili, vale a dire, coacervazione semplice e complessa. Nella coacervazione semplice, viene aggiunto un agente di desolvazione per la separazione di fase. Mentre nella coacervazione complessa, viene coinvolta una complessazione tra due polimeri caricati in modo opposto. La coacervazione complessa si riferisce alla separazione di fase di un precipitato liquido, o fase, quando le soluzioni di due colloidi idrofili vengono miscelate in condizioni adeguate. Un esempio di coacervazione complessa, il materiale del nucleo (di solito olio) viene disperso in una soluzione polimerica (ad esempio, un polimero acquoso cationico e gelatina) a cui viene aggiunta una seconda soluzione polimerica (anionica, solubile in acqua e gomma arabica). La deposizione del materiale del guscio sulle particelle del nucleo avviene quando i due polimeri formano un complesso, che è generalmente innescato dall’aggiunta di sale o modificando il pH, la temperatura o la diluizione del mezzo. Le microcapsule possono essere stabilizzate mediante reticolazione, desolvatazione o trattamento termico. Le microcapsule vengono solitamente raccolte mediante la trazione o centrifugazione, lavate con un solvente appropriato e successivamente essiccate con tecniche standard come l’essiccazione a spruzzo o a letto fluido, per produrre particelle discrete a emissione libera. Negli ultimi anni, sono stati sviluppati anche processi di coacervazione moderati per superare alcuni dei problemi incontrati durante un tipico processo di coacervazione complessa gelatina/gomma arabica. Ad esempio, un processo a temperatura ambiente per l’incapsulamento di ingredienti sensibili al calore come oli volatili mescolando i materiali di rivestimento e inducendo la separazione di fase (coacervazione) regolando il pH. La formazione di una microcapsula coacervata multistrato può essere ottenuta ripetendo le fasi di coacervazione in cui un ulteriore strato di materiale della parete viene applicato alla microcapsula ad ogni passaggio. La coacervazione complessa può essere utilizzata per produrre microcapsule contenenti aromi, oli profumati, cristalli liquidi, coloranti o inchiostri come materiale principale.
Le emulsioni possono essere utilizzate come veicolo di rilascio di principi attivi solubili in acqua e/o lipofili. In una polimerizzazione in emulsione, il tensioattivo viene sciolto in acqua fino a raggiungere la concentrazione critica di micelle. L’interno della micella fornisce il sito necessario per la polimerizzazione. Man mano che la polimerizzazione procede, questi nuclei crescono gradualmente e contemporaneamente intrappolano il materiale del nucleo per formare le microcapsule. Il tipo più comune di polimerizzazione in emulsione è un’emulsione olio-in-acqua, in cui goccioline di monomero (l’olio) vengono emulsionate (con tensioattivi) in una fase continua di acqua. I principi attivi solubili in acqua possono essere incapsulati in emulsioni acqua-in-olio (w/o) o doppie emulsioni del tipo acqua-in-olio-in-acqua (w/o/w). Allo stesso modo i principi attivi lipofili potrebbero essere incapsulati tramite emulsioni olio/acqua. Sono state sviluppate diverse tecnologie per produrre goccioline di emulsione altamente uniformi. Le emulsioni possono essere essiccate mediante spray drying o liofilizzazione per fornire una versione in polvere secca del prodotto incapsulato.
Il rivestimento a letto fluido è una tecnica in cui un rivestimento viene applicato su particelle di polvere in un processo batch o in una fase continua. Diversi tipi di rivestimenti a letto fluido includono spray superiore, spray inferiore e spray tangenziale e vengono utilizzati per incapsulare solidi o liquidi assorbiti in particelle porose. La versione a spruzzo inferiore del processo di rivestimento è comunemente nota come rivestimento Wurster ed è stata sviluppata negli anni 1950 e 1960. Il rivestimento Wurster si basa su un ugello posizionato in basso che spruzza il materiale della parete in un letto fluido di particelle di nucleo. Le particelle del principio attivo, sfere o granuli, sono sospese in un flusso d’aria che si muove verso l’alto. Vengono coperte con uno spruzzo di materiale di rivestimento liquido in una camera di aria ad alta velocità a temperatura e umidità controllata in cui il materiale di rivestimento viene atomizzato. Il materiale di rivestimento deve avere una viscosità accettabile per consentire il pompaggio e l’atomizzazione. Deve essere termicamente stabile e in grado di formare un film sulla superficie delle particelle. La rapida evaporazione del solvente aiuta la formazione di uno strato esterno sulle particelle. Le particelle da rivestire dal letto fluido dovrebbero idealmente essere sferiche, con una stretta distribuzione granulometrica e una buona scorrevolezza. L’intero ciclo di sospensione, spruzzatura e raffreddamento viene continuato e ripetuto secondo necessità fino ad ottenere lo spessore e il peso del rivestimento desiderati. La dimensione della particella principale per questa tecnica è solitamente grande (~ 100 μm). Questa tecnica offre una maggiore flessibilità e controllo rispetto al rivestimento in bassina.
La maggior parte dei processi commerciali utilizza questo tipo di polimerizzazione per produrre capsule uniformi nell’intervallo di 20-30 micron di diametro; Tuttavia, il processo può essere regolato per produrre microcapsule di grandi dimensioni. La dimensione di queste microcapsule e le proprietà del materiale della parete/matrice polimerica possono essere modificate utilizzando diversi monomeri, utilizzando additivi e regolando le condizioni di reazione. L’incapsulamento avviene per formazione di pareti attorno al materiale del nucleo disperso attraverso la rapida polimerizzazione dei monomeri sulla superficie delle goccioline o delle particelle. La soluzione di un monomero multifunzionale nel materiale del nucleo viene dispersa in una fase acquosa. La polimerizzazione viene iniziata sulle superfici delle goccioline del nucleo che formano le pareti della capsula, aggiungendo un reagente al monomero disperso nella fase acquosa.
L’incapsulamento tramite complessazione dell’inclusione (complessazione ospite-ospite) avviene a livello molecolare. Questo è anche noto come processo di incapsulamento molecolare o complessazione ospite-ospite. La ciclodestrina è una delle molecole ospiti più utili per una varietà di applicazioni di incapsulamento dall’industria alimentare a quella farmaceutica. Esistono generalmente tre tipi di ciclodestrine come la α-ciclodestrina (composta da sei unità di glucopiranosio), la β-ciclodestrina (composta da sette unità di glucopiranosio) e la γ-ciclodestrina (composta da otto unità di glucopiranosio). Sono preparati da amido parzialmente idrolizzato (maltodestrina) mediante un processo enzimatico. La parte esterna della molecola di ciclodestrina è idrofila, mentre la parte interna è idrofoba. Le molecole ospiti, che sono apolari, possono essere intrappolate nella cavità interna apolare attraverso un’interazione idrofobica. La dimensione della cavità varia a seconda della ciclodestrina. A seconda del tipo di ciclodestrina una o più molecole possono essere intrappolate all’interno della molecola.
Questo è uno dei metodi più semplici per realizzare materiale incapsulato. Le microsfere sono microsfere composte da una rete di gel biopolimerici che intrappolano un attivo. Il gel di alginato di calcio è il sistema gelificante più noto utilizzato per la preparazione di perle di gel per incapsulare un’ampia varietà di agenti attivi, come goccioline di olio contenenti aroma, cellule, probiotici, lieviti, enzimi, ecc. La gelificazione dell’alginato in presenza di cationi bivalenti o trivalenti può essere facilmente controllata. Le microsfere fatte di polimeri di tipo gel, come l’alginato vengono prodotte sciogliendo il polimero in una soluzione acquosa, quindi sospendendo il principio attivo nella miscela seguita dall’estrusione attraverso un dispositivo di precisione che produce microgocce. Queste microgoccioline vengono fatte indurite utilizzando soluzioni acquose di ioni metallici divalenti o polivalenti (come il cloruro di calcio). Ci sono diversi vantaggi di questi metodi che coinvolgono un sistema tutto acquoso; La dimensione delle particelle delle microsfere può essere controllata utilizzando estrusori di varie dimensioni o variando i tassi di risposta della soluzione polimerica.
In alternativa, il metodo di estrusione o goccia può essere utilizzato con un ugello concentrico (coestrusione), per preparare il tipo di incapsulati guscio centrale con un nucleo lipofilo e un guscio di una rete di gel. Allo stesso modo, emulsioni appositamente formulate possono essere utilizzate per produrre microsfere. Il cloruro di calcio può essere aggiunto a un’emulsione di goccioline d’acqua di una soluzione di alginato e principio attivo in olio vegetale. Ciò si traduce nella “rottura” dell’emulsione e le microsfere si formano dalla gelificazione delle goccioline di alginato. In alternativa, sia l’alginato che il calcio (in una forma insolubile come il carbonato di calcio) possono già essere presenti nella fase acquosa dell’emulsione. Con l’aggiunta di un acido solubile in olio (come l’acido acetico) il pH diminuisce, liberando ioni di calcio liberi nel sistema e iniziando la formazione di gel di goccioline di alginato con calcio.
Un liposoma è una minuscola vescicola generalmente costituita da fosfolipidi con diametri compresi tra 25 nm e 10 μm in grado di intrappolare sia i principi attivi idrofobici che quelli idrofili. I liposomi sono costituiti da uno o più strati di lipidi e sono stati utilizzati per la somministrazione di vaccini, ormoni, enzimi e vitamine.
Le proprietà come permeabilità, stabilità, attività superficiale e affinità possono essere variate attraverso le variazioni di dimensioni e composizione lipidica. Le capsule possono variare da 25 nm a diversi micron di diametro, sono facili da realizzare e possono essere conservate mediante liofilizzazione. I liposomi conferiscono stabilità al materiale solubile in acqua in applicazioni ad alta attività dell’acqua. Un’altra proprietà unica dei liposomi è la consegna mirata dell’ingrediente incapsulato il loro contenuto a una temperatura specica e ben densa in una posizione specica. Il doppio strato liposomico viene immediatamente scomposto alla temperatura di transizione dei fosfolipidi, tipicamente intorno ai 50 ° C, alla quale temperatura il contenuto viene immediatamente rilasciato.
Il processo di rivestimento in bassina è tra le più antiche tecniche industriali utilizzate in particolare nell’industria farmaceutica per il rivestimento di compresse o la formazione di particelle rivestite. Il concetto di tecnologia fu inizialmente brevettato da William E. Upjohn nel diciannovesimo secolo. Generalmente richiedeva particelle di nucleo di grandi dimensioni e produceva le compresse rivestite con cui abbiamo familiarità. Le compresse vengono rovesciate in una bassina o in un altro dispositivo mentre il materiale di rivestimento viene spruzzato/applicato lentamente. In un altro modo aspetto le particelle solide vengono miscelate con un materiale di rivestimento asciutto e la temperatura viene aumentata in modo che il materiale di rivestimento si sciolga e racchiude le particelle del nucleo, e quindi viene isolato mediante raffreddamento.
Il processo di separazione di fase sfrutta il fenomeno chiamato incompatibilità polimero-polimero. Il processo utilizza due polimeri solubili nello stesso solvente, ma che non solo solubili tra loro. I polimeri formano due fasi separate; un polimero è destinato a formare le pareti della capsula, l’altro a indurre la separazione delle due fasi, ma non è destinato a far parte del materiale della parete della capsula. Questo processo è in qualche modo correlato al complesso processo di coacervazione. Il processo di separazione di fase è considerato come la più antica vera tecnologia di incapsulamento sviluppata per la carta autocopiante. La microincapsulazione per coacervazione comporta la separazione di fase di uno o più idrocolloidi dalla soluzione iniziale e la successiva deposizione della fase coacervata appena formata attorno al principio attivo sospeso o emulsionato nello stesso mezzo di reazione. La dimensione delle microcapsule formate può essere compresa tra 10 e 250 μm
La microincapsulazione mediante essiccazione a spruzzo è un processo commerciale a basso costo, molto utilizzato per l’incapsulamento di fragranze, aromi e colori. L’incapsulamento spray-drying è stato utilizzato nell’industria alimentare dalla fine del 1950 per convertire i liquidi in polveri. Il processo è economico e flessibile, in quanto offre una variazione sostanziale nella matrice di microincapsulazione e produce particelle di buona qualità.
È uno dei metodi di microincapsulazione più utilizzati. Ad esempio, la soluzione acquosa del farmaco (può contenere un agente stabilizzante o stabilizzante per la viscosità) viene aggiunta a una fase organica volatile immiscibile costituita dalla soluzione polimerica in solventi come diclorometano o cloroformio con agitazione vigorosa per formare l’acqua primaria in emulsione di olio. L’emulsione risultante viene quindi aggiunta goccia a goccia a una soluzione acquosa agitante contenente un emulsionante/stabilizzante come l’alcool vinilico o pirrolidone vinilico per formare l’emulsione multipla (w/o/w) formando piccole goccioline polimeriche contenenti materiale incapsulato. Il processo di indurimento si ottiene rimuovendo dalle goccioline polimeriche mediante evaporazione (mediante calore o pressione ridotta) o mediante estrazione con solvente. Le microsfere possono quindi essere lavate e asciugate.
I fluidi supercritici sono gas altamente compressi che possiedono diverse proprietà sia dei liquidi che dei gas. La CO2 supercritica o N2O sono normalmente utilizzate per questo tipo di processo di incapsulamento. Le microcapsule si formano quando il fluido supercritico ad alta pressione, contenente sia il principio attivo che il materiale del guscio, vengono rilasciati attraverso un piccolo ugello. L’improvviso calo di pressione, provoca la desolvatazione del materiale del guscio, che viene quindi depositato attorno al principio attivo (nucleo) e forma uno strato di rivestimento. Diversi materiali di base come pesticidi, pigmenti, vitamine, aromi e coloranti sono incapsulati utilizzando questo metodo. Sebbene ci siano alcuni vantaggi di questo processo, uno dei limiti è che sia il principio attivo che il materiale del guscio devono essere solubili nei fluidi supercritici.