Sintesi, caratterizzazione, incapsulamento e misurazione del potenziale di rilascio di nuove particelle micro/submicroniche di lignina alcalina
Summary
Descriviamo nuove e semplici metodologie di sintesi e caratterizzazione di particelle biocompatibili di lignina micro e submicronica. Queste formulazioni forniscono un approccio facile per l’utilizzo dell’eteropolimero, nonché un’alternativa per la progettazione razionale di matrici carrier multifunzionali con potenziale applicabilità in biomedicina, tecnologia farmaceutica e industria alimentare.
Abstract
L’applicabilità della micro/nanotecnologia dei biopolimeri nella medicina umana, veterinaria, farmaceutica e alimentare è in rapida crescita grazie al grande potenziale delle particelle a base di biopolimeri come efficaci sistemi di trasporto. L’utilizzo della lignina come biomatrice eteropolimerica di base per la progettazione di formulazioni innovative micro/submicroniche consente il raggiungimento di una maggiore biocompatibilità e offre vari gruppi funzionali attivi presentando opportunità di personalizzazione delle proprietà fisico-chimiche e delle bioattività delle formulazioni per diverse applicazioni. Lo scopo del presente studio è stato quello di sviluppare una metodologia semplice ed ecologica per la sintesi di particelle di lignina di dimensioni micro e submicroniche; valutarne le caratteristiche fisico-chimiche, spettrali e strutturali; ed esaminare la loro capacità di incapsulamento di molecole biologicamente attive e il potenziale per il rilascio in vitro di bioflavonoidi in terreni gastrointestinali simulati. Le metodologie presentate applicano solventi economici e verdi; processi facili, diretti, rapidi e sensibili che richiedono poche attrezzature, sostanze non tossiche e metodi semplici per la loro caratterizzazione, la determinazione della capacità di incapsulamento nei confronti dei composti bioattivi scarsamente solubili in acqua Morin e Quercetina e il potenziale di rilascio in vitro delle matrici di lignina.
Introduction
Al giorno d’oggi l’inclinazione verso biopolimeri come cellulosa, chitosano, collagene, destrano, gelatina e lignina come precursori per la progettazione di vettori micro/submicronici con dimensioni, proprietà fisico-chimiche e biofunzionalità personalizzabili è aumentata nelle industrie biomediche, farmaceutiche e della tecnologia alimentare grazie alla loro applicabilità nell’ingegneria tissutale, nel bioprinting 3D, nella vitro piattaforme di modellazione delle malattie, industria dell’imballaggio, preparazione di emulsioni e somministrazione di nutrienti tra gli altri 1,2,3.
Nuovi studi evidenziano gli aspetti degli idrogel a base di lignina e delle micro e nanoformulazioni4 come veicoli vantaggiosi utilizzati per i materiali di imballaggio alimentare5, l’accumulo di energia6, i cosmetici7, gli stabilizzanti termici/fotoelettrici, i materiali rinforzati e le matrici di vettori di farmaci8 per la somministrazione di molecole idrofobiche, il miglioramento delle barriere UV9, come agenti di rinforzo nei nanocompositi e come alternativa alle nanoparticelle inorganiche a causa di alcuni recenti problemi di sicurezza 10,11,12. La ragione alla base di questa tendenza è la biocompatibilità, la biodegradabilità e la non tossicità del biopolimero etero naturale, nonché le sue comprovate bioattività di potenziale antiossidante della lignina e attività antimicrobiche, antiproliferative e antimicrobiche 13,14,15,16,17.
La letteratura scientifica riporta vari metodi per la sintesi (autoassemblaggio, precipitazione anti-solvente, precipitazione acida e spostamento del solvente)18 e la caratterizzazione di formulazioni su micro/nanoscala a base di lignina, inclusa l’applicazione di solventi costosi o dannosi come tetraidrofurano (THF), dimetilsolfossido (DMSO), N,N-dimetilformammide (DMF) e acetone e processi complicati, indiretti e noiosi che utilizzano molte apparecchiature e sostanze tossiche 12,19,20.
Per superare questi ultimi svantaggi, i seguenti protocolli presentano nuove metodologie per la sintesi di particelle micro-/submicroniche a base di lignina utilizzando solventi economici e verdi; Processi facili, diretti, rapidi e sensibili che richiedono poche attrezzature, sostanze non tossiche e metodi semplici per la loro caratterizzazione e la determinazione della capacità di incapsulamento verso composti bioattivi scarsamente solubili in acqua e potenziale di rilascio in vitro delle matrici di lignina. I metodi di produzione su scala di laboratorio presentati sono vantaggiosi per la produzione di vettori funzionali di lignina con dimensioni regolabili, elevata capacità di incapsulamento e comportamento di rilascio in vitro sostenibile utilizzando semplici procedure di caratterizzazione e sostanze chimiche ecologiche che possono trovare applicazione in varie aree delle scienze biomediche e della tecnologia alimentare. Due flavonoidi sono stati applicati come molecole bersaglio incapsulate nelle particelle di lignina: morin nelle microparticelle e quercetina nelle particelle submicroniche. La differenza nelle strutture di entrambi i flavonoidi è solo la posizione del secondo gruppo -OH nell’anello aromatico B: il gruppo -OH è in posizione 2′ nella morina e in posizione 3′ nella quercetina, quindi entrambi i composti organici sono isomeri posizionali. Quest’ultimo fatto presuppone un comportamento simile di entrambi i composti naturali bioattivi nei processi di incapsulamento e/o rilascio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tra le principali criticità delle moderne metodologie di sintesi per la progettazione di formulazioni di vettori di farmaci a base di biopolimeri c’è l’applicazione di reagenti organici pericolosi – solventi volatili e infiammabili, come tetraidrofurano, acetone, metanolo e persino DMSO in alte concentrazioni – che ne limita l’applicabilità in biomedicina, industria farmaceutica e tecnologia alimentare a causa della manifestazione di possibili effetti tossici20, </s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dal Fondo scientifico bulgaro nell’ambito del contratto n. KΠ-06 H59/3 e dal progetto scientifico n. 07/2023 FVM, Università di 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 |
Riferimenti
- 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).
