التوليف الأخضر ، والتوصيف ، والتغليف ، وقياس إمكانات إطلاق جزيئات اللجنين القلوية الدقيقة / دون الميكرونية الجديدة
Summary
نحن نصف منهجيات جديدة وبسيطة لتوليف وتوصيف جزيئات اللجنين الدقيقة ودون الميكرونية المتوافقة حيويا. توفر هذه التركيبات نهجا سهلا لاستخدام البوليمر غير المتجانس ، بالإضافة إلى بديل للتصميم العقلاني للمصفوفات الحاملة متعددة الوظائف مع إمكانية التطبيق في الطب الحيوي والتكنولوجيا الصيدلانية وصناعة الأغذية.
Abstract
إن قابلية تطبيق تقنية البوليمر الحيوي الدقيقة / النانوية في تكنولوجيا الإنسان والطب البيطري والأدوية والغذاء تنمو بسرعة بسبب الإمكانات الكبيرة للجسيمات القائمة على البوليمر الحيوي كأنظمة حاملة فعالة. يسمح استخدام اللجنين كمصفوفة حيوية أساسية للبوليمر غير المتجانس لتصميم تركيبات مبتكرة دقيقة / دون ميكرون بتحقيق توافق حيوي متزايد ويوفر مجموعات وظيفية نشطة مختلفة توفر فرصا لتخصيص الخصائص الفيزيائية والكيميائية والأنشطة الحيوية للتركيبات لتطبيقات متنوعة. وكان الهدف من هذه الدراسة هو وضع منهجية بسيطة وصديقة للبيئة لتخليق جسيمات اللجنين ذات الحجم الجزئي ودون الميكروني؛ لتقييم خصائصها الفيزيائية والكيميائية والطيفية والهيكلية ؛ وفحص قدرتها على تغليف الجزيئات النشطة بيولوجيا وإمكانية إطلاق البيوفلافونويدس في المختبر في وسائط الجهاز الهضمي المحاكاة. تطبق المنهجيات المقدمة مذيبات رخيصة وخضراء. عمليات سهلة ومباشرة وسريعة وحساسة تتطلب القليل من المعدات والمواد غير السامة وطرق بسيطة لتوصيفها ، وتحديد قدرة التغليف تجاه المركبات النشطة بيولوجيا ضعيفة الذوبان في الماء مورين وكيرسيتين ، وإمكانية الإطلاق في المختبر لمصفوفات اللجنين.
Introduction
في الوقت الحاضر ، زاد الميل نحو البوليمرات الحيوية مثل السليلوز والشيتوزان والكولاجين والدكستران والجيلاتين واللجنين كسلائف لتصميم ناقلات ميكرو / دون ميكرون ذات حجم قابل للتخصيص ، وخصائص فيزيائية كيميائية ، ووظائف حيوية في الصناعات الطبية الحيوية والصيدلانية وتكنولوجيا الأغذية بسبب قابليتها للتطبيق في هندسة الأنسجة ، والطباعة الحيوية 3D ، في المختبر منصات نمذجة الأمراض ، صناعة التعبئة والتغليف ، تحضير المستحلب ، وتسليم المغذيات من بين أمور أخرى1،2،3.
تسلط الدراسات الجديدة الضوء على جوانب الهلاميات المائية القائمة على اللجنين وكذلك التركيبات الدقيقة والنانوية4 كمركبات مفيدة تستخدم لمواد تغليف المواد الغذائية5 ، تخزين الطاقة6 ، مستحضرات التجميل7 ، مثبتات حرارية / ضوئية ، مواد معززة ، ومصفوفات حاملة للأدوية8 لتوصيل الجزيئات الكارهة للماء ، وتحسين حواجز الأشعة فوق البنفسجية9، كعوامل تقوية في المركبات النانوية ، وكبديل للجسيمات النانوية غير العضوية بسبب بعض قضايا السلامة الأخيرة10،11،12. السبب وراء هذا الاتجاه هو التوافق الحيوي ، والتحلل البيولوجي ، وعدم سمية البوليمر الحيوي الطبيعي غير المغاير ، بالإضافة إلى أنشطته الحيوية المثبتة لإمكانات مضادات الأكسدة اللجنين وأنشطة الكسح الجذرية والمضادة للتكاثر ومضادات الميكروبات13،14،15،16،17.
تشير الأدبيات العلمية إلى طرق مختلفة للتخليق (التجميع الذاتي ، والترسيب المضاد للمذيبات ، والترسيب الحمضي ، وتحويل المذيبات)18 وتوصيف التركيبات الدقيقة / النانوية القائمة على اللجنين ، بما في ذلك تطبيق المذيبات باهظة الثمن أو الضارة مثل رباعي هيدروفوران (THF) ، ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) ، N ، N-dimethylformamide (DMF) ، والأسيتون ، والعمليات المعقدة وغير المباشرة والمملة التي تستخدم الكثير من المعدات والمواد السامة12، 19,20.
للتغلب على العيوب الأخيرة ، تقدم البروتوكولات التالية منهجيات جديدة لتخليق الجسيمات الدقيقة / دون الميكرونية القائمة على اللجنين باستخدام مذيبات رخيصة وخضراء. عمليات سهلة ومباشرة وسريعة وحساسة تتطلب القليل من المعدات والمواد غير السامة وطرق بسيطة لتوصيفها وتحديد قدرة التغليف نحو المركبات النشطة بيولوجيا ضعيفة الذوبان في الماء وإمكانية الإطلاق في المختبر لمصفوفات اللجنين. تعد طرق الإنتاج المقدمة على نطاق المختبر مفيدة لتصنيع ناقلات اللجنين الوظيفية ذات الأحجام القابلة للضبط ، وقدرة التغليف العالية ، وسلوك الإطلاق المستدام في المختبر باستخدام إجراءات توصيف بسيطة ومواد كيميائية صديقة للبيئة يمكن أن تجد تطبيقا في مختلف مجالات العلوم الطبية الحيوية وتكنولوجيا الأغذية. تم تطبيق اثنين من مركبات الفلافونويد كجزيئات مستهدفة مغلفة في جزيئات اللجنين: مورين في الجسيمات الدقيقة ، وكيرسيتين في جزيئات تحت الميكرون. الفرق في هياكل كل من مركبات الفلافونويد هو فقط موضع المجموعة الثانية -OH في الحلقة العطرية B: المجموعة -OH في الموضع 2 ‘في مورين وعلى موضع 3’ في كيرسيتين ، وبالتالي فإن كلا المركبين العضويين هما أيزومرات موضعية. تفترض الحقيقة الأخيرة سلوكا مشابها لكل من المركبات الطبيعية النشطة بيولوجيا في عمليات التغليف و / أو الإطلاق.
Protocol
Representative Results
Discussion
من بين القضايا الحاسمة الرئيسية لمنهجيات التوليف الحديثة لتصميم تركيبات حاملة للأدوية على أساس البوليمرات الحيوية هو تطبيق الكواشف العضوية الخطرة – المذيبات المتطايرة والقابلة للاشتعال ، مثل رباعي هيدروفوران ، الأسيتون ، الميثانول ، وحتى DMSO بتركيزات عالية – مما يحد من قابليتها للتطبيق ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة من قبل الصندوق العلمي البلغاري بموجب العقد رقم KΠ-06 H59/3 والمشروع العلمي رقم 07/2023 FVM ، جامعة تراكيا.
Materials
| automatic-cell counter | EVE, NanoEnTek | ||
| Citric acid | Sigma | 251275 | ACS reagent, ≥99.5% |
| digital water bath | Memmert | ||
| Eppendorf tubes, 1.5-2 mL | |||
| Ethanol | Sigma | 34852-M | absolute, suitable for HPLC, ≥99.8% |
| Folin–Ciocalteu’s phenol reagent | Sigma | F9252 | |
| freeze dryer | Biobase | ||
| gallic acid | Sigma- | BCBW7577 | monohydrate |
| HCl | Sigma | 258148 | ACS reagent, 37% |
| HNO3 | Sigma | 438073 | ACS reagent, 70% |
| lignin, alkali | Sigma | 370959 | |
| morin | Sigma | PHL82601 | |
| NaCl | Sigma | S9888 | ACS reagent, ≥99.0% |
| Na2CO3 | Sigma | 223530 | powder, ≥99.5%, ACS reagent |
| NaOH | Sigma | 655104 | reagent grade, 97%, powder |
| orbital shaker | IKA | KS 130 basic | |
| pH-meter | Consort | ||
| phosphate-buffered saline (PBS) | Sigma | RNBH7571 | |
| Quercetin hydrate | Sigma | STBG3815V | |
| statistical software for Excel | Microsoft Corporation | XLSTAT Version 2022.4.5. | |
| Tween 80 | Sigma | P8074 | BioXtra, viscous liquid |
| ultracentrifuge | Hermle | Z 326 K | |
| Ultrapure water system | Adrona | INTEGRITY+ | |
| ultrasound homogenizer | Bandelin Sonopuls | HD 2070 | |
| UV/Vis spectrophotometer | Hach-Lange | DR 5000 |
References
- Yu, X., et al. Lignin nanoparticles with high phenolic content as efficient antioxidant and sun-blocker for food and cosmetics. ACS Sustainable Chem. Eng. 11 (10), 4082-4092 (2023).
- Boarino, A., Klok, H. -. A. Opportunities and challenges for lignin valorization in food packaging, antimicrobial, and agricultural applications. Biomacromolecules. 24 (3), 1065-1077 (2023).
- Aadil, K., Barapatre, A., Jha, H. Synthesis and characterization of Acacia lignin-gelatin film for its possible application in food packaging. Bioresour. Bioprocess. 3 (27), 1-11 (2016).
- Sharma, S., et al. Valorization of lignin into nanoparticles and nanogel: characterization and application. Bioresour. Technol. Reports. 18, 101041 (2022).
- Zadeh, E. M., O’Keefe, S. F., Kim, Y. -. T. Utilization of lignin in biopolymeric packaging films. ACS Omega. 3 (7), 7388-7398 (2018).
- Beaucamp, A., et al. Lignin for energy applications – state of the art, life cycle, technoeconomic analysis and future trends (Critical Review). Green Chem. 24, 8193-8226 (2022).
- Antunes, F., et al. From sugarcane to skin: Lignin as a multifunctional ingredient for cosmetic application. Int J Biol Macromol. 234, 123592 (2023).
- Garg, J., et al. Applications of lignin nanoparticles for cancer drug delivery: An update. Materials Letters. 311, 131573 (2022).
- Anushikha, K. K. Lignin as a UV blocking, antioxidant, and antimicrobial agent for food packaging applications. Biomass Conv. Bioref. , 1-14 (2023).
- Freitas, F. M. C., et al. synthesis of lignin nano- and micro-particles: Physicochemical characterization, bioactive properties and cytotoxicity assessment. Int J Biol Macromol. 163, 1798-1809 (2020).
- Rismawati, R., Nurdin, I. A., Pradiptha, M. N., Maulidiyah, A., Mubarakati, N. J. Preparation and characterization of lignin nanoparticles from rice straw after biosynthesis using Lactobacillus bulgaricus. Journal of Physics: Conference Series. 9th International Seminar on New Paradigm and Innovation of Natural Sciences and its Application. 1524, 012070 (2020).
- Worku, L. A., et al. Synthesis of lignin nanoparticles from Oxytenanthera abyssinica by nanoprecipitation method followed by ultrasonication for the nanocomposite application. Journal of King Saud University – Science. 35 (7), 102793 (2023).
- Gala Morena, A., Tzanov, T. z. Antibacterial lignin-based nanoparticles and their use in composite materials. Nanoscale Adv. 4, 4447-4469 (2022).
- Ivanova, D., Nikolova, G., Karamalakova, Y., Marutsova, V., Yaneva, Z. Water-soluble alkali lignin as a natural radical scavenger and anticancer alternative. Int J Mol Sci. 24 (16), 12705 (2023).
- Ivanova, D., Toneva, M., Simeonov, E., Antov, G., Yaneva, Z. Newly synthesized lignin microparticles as bioinspired oral drug-delivery vehicles: Flavonoid-carrier potential and in vitro radical-scavenging activity. Pharmaceutics. 15 (4), 1067 (2023).
- Yaneva, Z., et al. Antimicrobial potential of conjugated lignin/morin/chitosan combinations as a function of system complexity. Antibiotics. 11, 650 (2022).
- Handral, H. K., Wyrobnik, T. A., Lam, A. T. -. L. Emerging trends in biodegradable microcarriers for therapeutic applications. Polymers. 15 (6), 1487 (2023).
- Figueiredo, P., Lintinen, K., Hirvonen, J. T., Kostiainen, M. A., Santos, H. A. Properties and chemical modifications of lignin: Towards lignin-based nanomaterials for biomedical applications. Prog. Mater. Sci. 93, 233-269 (2018).
- Tang, Q., et al. Lignin-based nanoparticles: a review on their preparations and applications. Polymers. 12 (11), 2471 (2020).
- Zhao, W., Simmons, B., Singh, S., Ragauskas, A., Cheng, G. From lignin association to nano-/micro-particle preparation: extracting higher value of lignin. Green Chemistry. 18 (21), 5693-5700 (2016).
- Stewart, H., Golding, M., Matia-Merino, L., Archer, R., Davies, C. Manufacture of lignin microparticles by anti-solvent precipitation: Effect of preparation temperature and presence of sodium dodecyl sulfate. Food Res Int. 66, 93-99 (2014).
- Beisl, S., Friedl, A., Miltner, A. Lignin from micro- to nanosize: Applications. Int. J. Mol. Sci. 18, 2367 (2017).
- Mishra, P. K., Ekielski, A. A simple method to synthesize lignin nanoparticles. Colloids Interfaces. 3, 52 (2019).
- Qian, Y., Deng, Y., Qiu, X., Li, H., Yang, D. Formation of uniform colloidal spheres from lignin, a renewable resource recovered from pulping spent liquor. Green Chem. 16, 2156-2163 (2014).
- Tardy, B. L., et al. Lignin nano- and microparticles as template for nanostructured materials: formation of hollow metal-phenolic capsules. Green Chem. 20, 1335-1344 (2018).
- Silva, M., et al. Paraquat-loaded alginate/chitosan nanoparticles: preparation, characterization and soil sorption studies. J Haz Mat. 190 (1-3), 366-374 (2011).
- Georgieva, N., Yaneva, Z. Comparative evaluation of natural and acid-modified layered mineral materials as rimifon-carriers using UV/VIS, FTIR, and equilibrium sorption study. Cogent Chem. 1 (1), 1-16 (2015).
- Zhang, P., Chen, D., Li, L., Sun, K. Charge reversal nano-systems for tumor therapy. J Nanobiotechnol. 20, 31 (2022).
- Yaneva, Z. L., Georgieva, N. V. Removal of diazo dye from the aqueous phase by biosorption onto ball-milled maize cob (BMMC) biomass of Zea mays. Maced. J. Chem. Chem. Eng. 32 (1), 133-149 (2013).
- Zatorska, M., et al. Drug-loading capacity of polylactide-based micro- and nanoparticles – Experimental and molecular modeling study. Int J Pharmaceutics. 591, 120031 (2020).
- Yaneva, Z., Georgieva, N., Grumezescu, A. M. Chapter 5 – Physicochemical and morphological characterization of pharmaceutical nanocarriers and mathematical modeling of drug encapsulation/release mass transfer processes. Nanoscale Fabrication, Optimization, Scale-Up and Biological Aspects of Pharmaceutical Nanotechnology. , 173-218 (2018).
- Yaneva, Z., Georgieva, N., Staleva, M. Development of d,l-α-tocopherol acetate/zeolite carrier system: equilibrium study. Monatshefte fur Chemie Chemical Monthly. 147 (7), 1167-1175 (2016).
- Yaneva, Z., Georgieva, N. Study on the physical chemistry, equilibrium, and kinetic mechanism of Azure A biosorption by Zea mays biomass. Journal of Dispersion Science and Technology. 35 (2), 193-204 (2014).
