Síntesis, caracterización, encapsulación y medición del potencial de liberación de nuevas partículas micro/submicrónicas de lignina alcalina
Summary
Describimos metodologías novedosas y sencillas de síntesis y caracterización de micro y submicrónicas de lignina biocompatibles. Estas formulaciones proporcionan un enfoque fácil para la utilización del heteropolímero, así como una alternativa para el diseño racional de matrices portadoras multifuncionales con potencial aplicabilidad en biomedicina, tecnología farmacéutica e industria alimentaria.
Abstract
La aplicabilidad de la micro y nanotecnología de biopolímeros en la tecnología humana, veterinaria, farmacéutica y alimentaria está creciendo rápidamente debido al gran potencial de las partículas basadas en biopolímeros como sistemas portadores eficaces. El uso de la lignina como biomatriz básica de heteropolímeros para el diseño de formulaciones micro / submicrónicas innovadoras permite el logro de una mayor biocompatibilidad y ofrece varios grupos funcionales activos que presentan oportunidades para la personalización de las propiedades fisicoquímicas y bioactividades de las formulaciones para diversas aplicaciones. El objetivo del presente estudio fue desarrollar una metodología simple y ecológica para la síntesis de partículas de lignina con tamaño micro y submicrónico; evaluar sus características fisicoquímicas, espectrales y estructurales; y examinar su capacidad para la encapsulación de moléculas biológicamente activas y su potencial para la liberación in vitro de bioflavonoides en medios gastrointestinales simulados. Las metodologías presentadas aplican solventes baratos y verdes; Procesos fáciles, sencillos, rápidos y sensibles que requieren poco equipo, sustancias no tóxicas y métodos sencillos para su caracterización, la determinación de la capacidad de encapsulación hacia los compuestos bioactivos poco solubles en agua morina y quercetina, y el potencial de liberación in vitro de las matrices de lignina.
Introduction
Hoy en día, la inclinación hacia biopolímeros como la celulosa, el quitosano, el colágeno, el dextrano, la gelatina y la lignina como precursores para el diseño de portadores micro/submicrónicos con tamaño, propiedades fisicoquímicas y biofuncionalidades personalizables ha aumentado en las industrias biomédica, farmacéutica y de tecnología alimentaria debido a su aplicabilidad en ingeniería de tejidos, bioimpresión 3D, in vitro plataformas de modelado de enfermedades, industria de empaque, preparación de emulsiones y entrega de nutrientes, entre otros 1,2,3.
Los nuevos estudios destacan los aspectos de los hidrogeles a base de lignina, así como de las micro y nanoformulaciones4 como vehículos ventajosos utilizados para los materiales de envasado de alimentos5, el almacenamiento de energía6, los cosméticos7, los estabilizadores térmicos/ligeros, los materiales reforzados y las matrices portadoras de fármacos8 para la administración de moléculas hidrofóbicas, la mejora de las barreras UV9, como agentes de refuerzo en nanocompuestos, y como alternativa a las nanopartículas inorgánicas debido a algunos problemas de seguridad recientes 10,11,12. La razón detrás de esta tendencia es la biocompatibilidad, biodegradabilidad y no toxicidad del heterobiopolímero natural, así como sus bioactividades comprobadas de potencial antioxidante de lignina y actividades antiproliferativas y antimicrobianas 13,14,15,16,17.
La literatura científica reporta varios métodos para la síntesis (autoensamblaje, precipitación anti-solvente, precipitación ácida y cambio de solvente)18 y la caracterización de formulaciones a micro / nano escala basadas en lignina, incluida la aplicación de solventes costosos o dañinos como tetrahidrofurano (THF), dimetilsulfóxido (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF) y acetona, y procesos complicados, indirectos y tediosos que utilizan una gran cantidad de equipos y sustancias tóxicas 12,19,20.
Para superar estas últimas desventajas, los siguientes protocolos presentan metodologías novedosas para la síntesis de partículas micro/submicrónicas basadas en lignina utilizando disolventes baratos y ecológicos; Procesos fáciles, sencillos, rápidos y sensibles que requieren poco equipo, sustancias no tóxicas y métodos sencillos para su caracterización y la determinación de la capacidad de encapsulación hacia compuestos bioactivos poco solubles en agua y el potencial de liberación in vitro de las matrices de lignina. Los métodos de producción a escala de laboratorio presentados son ventajosos para la fabricación de portadores de lignina funcionales con tamaños ajustables, alta capacidad de encapsulación y comportamiento de liberación in vitro sostenible utilizando procedimientos de caracterización simples y productos químicos ecológicos que pueden encontrar aplicación en diversas áreas de las ciencias biomédicas y la tecnología de los alimentos. Se aplicaron dos flavonoides como moléculas diana encapsuladas en las partículas de lignina: morina, en las micropartículas, y quercetina, en las partículas submicrónicas. La diferencia en las estructuras de ambos flavonoides es solo la posición del segundo grupo -OH en el anillo aromático B: el grupo -OH está en la posición 2′ en morina y en la posición 3′ en quercetina, por lo que ambos compuestos orgánicos son isómeros posicionales. Este último hecho supone un comportamiento similar de ambos compuestos naturales bioactivos en los procesos de encapsulación y/o liberación.
Protocol
Representative Results
Discussion
Entre los principales aspectos críticos de las metodologías modernas de síntesis para el diseño de formulaciones de fármacos portadores basados en biopolímeros se encuentra la aplicación de reactivos orgánicos peligrosos -disolventes volátiles e inflamables, como el tetrahidrofurano, la acetona, el metanol e incluso el DMSO en altas concentraciones- lo que limita su aplicabilidad en biomedicina, industria farmacéutica y tecnología alimentaria debido a la manifestación de posibles efectos tóxicos<sup class="x…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudio contó con el apoyo del Fondo Científico Búlgaro en virtud del contrato n.º KΠ-06 H59/3 y del proyecto científico n.º 07/2023 FVM, Universidad de Trakia.
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 |
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