Groene synthese, karakterisering, inkapseling en meting van het afgiftepotentieel van nieuwe alkali lignine micro-/submicron deeltjes
Summary
We beschrijven nieuwe, eenvoudige methodologieën voor synthese en karakterisering van biocompatibele lignine micro- en submicrondeeltjes. Deze formuleringen bieden een gemakkelijke benadering voor het gebruik van het heteropolymeer, evenals een alternatief voor het rationele ontwerp van multifunctionele draagmatrices met potentiële toepasbaarheid in de biogeneeskunde, farmaceutische technologie en de voedingsindustrie.
Abstract
De toepasbaarheid van biopolymeer micro-/nanotechnologie in de humane, diergeneeskunde, farmaceutica en voedingstechnologie neemt snel toe vanwege het grote potentieel van op biopolymeren gebaseerde deeltjes als effectieve draagsystemen. Het gebruik van lignine als een basis heteropolymeer biomatrix voor het ontwerp van innovatieve micro-/submicronformuleringen maakt het mogelijk om een verhoogde biocompatibiliteit te bereiken en biedt verschillende actieve functionele groepen die mogelijkheden bieden voor het aanpassen van de fysisch-chemische eigenschappen en bio-activiteiten van de formuleringen voor diverse toepassingen. Het doel van deze studie was het ontwikkelen van een eenvoudige en milieuvriendelijke methodologie voor de synthese van ligninedeeltjes met micro- en submicrongrootte; om hun fysisch-chemische, spectrale en structurele kenmerken te evalueren; en om hun vermogen voor inkapseling van biologisch actieve moleculen en het potentieel voor in vitro afgifte van bioflavonoïden in gesimuleerde gastro-intestinale media te onderzoeken. De gepresenteerde methodologieën maken gebruik van goedkope en groene oplosmiddelen; Eenvoudige, ongecompliceerde, snelle en gevoelige processen die weinig apparatuur, niet-toxische stoffen en eenvoudige methoden voor hun karakterisering vereisen, de bepaling van de inkapselingscapaciteit voor de slecht in water oplosbare bioactieve stoffen morin en quercetine, en het in vitro afgiftepotentieel van de ligninematrices.
Introduction
Tegenwoordig is de neiging naar biopolymeren zoals cellulose, chitosan, collageen, dextran, gelatine en lignine als voorlopers voor het ontwerp van micro-/submicrondragers met aanpasbare grootte, fysisch-chemische eigenschappen en biofunctionaliteiten toegenomen in de biomedische, farmaceutische en voedingstechnologie-industrieën vanwege hun toepasbaarheid in weefselmanipulatie, 3D-bioprinten, in vitro Platforms voor ziektemodellering, verpakkingsindustrie, emulsiepreparaat en afgifte van voedingsstoffen onder andere 1,2,3.
Nieuwe studies benadrukken de aspecten van hydrogels op basis van lignine en micro- en nanoformuleringen4 als voordelige voertuigen die worden gebruikt voor voedselverpakkingsmaterialen5, energieopslag6, cosmetica7, thermische/lichte stabilisatoren, versterkte materialen en medicijndragermatrices8 voor de afgifte van hydrofobe moleculen, verbetering van UV-barrières9, als versterkende middelen in nanocomposieten, en als alternatief voor anorganische nanodeeltjes vanwege enkele recente veiligheidsproblemen 10,11,12. De reden achter deze tendens is de biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid en niet-toxiciteit van het natuurlijke hetero-biopolymeer, evenals de bewezen bio-activiteiten van lignine-antioxidantpotentieel en radicalenopruimende, antiproliferatieve en antimicrobiële activiteiten 13,14,15,16,17.
In de wetenschappelijke literatuur worden verschillende methoden voor synthese beschreven (zelfassemblage, anti-solvent precipitatie, zure precipitatie en solvent shifting)18 en karakterisering van op lignine gebaseerde formuleringen op micro-/nanoschaal, waaronder de toepassing van dure of schadelijke oplosmiddelen zoals tetrahydrofuraan (THF), dimethylsulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF) en aceton, en gecompliceerde, indirecte en vervelende processen waarbij veel apparatuur en giftige stoffen worden gebruikt12,19,20.
Om deze laatste nadelen te ondervangen, presenteren de volgende protocollen nieuwe methodologieën voor de synthese van op lignine gebaseerde micro-/submicrondeeltjes met behulp van goedkope en groene oplosmiddelen; Eenvoudige, ongecompliceerde, snelle en gevoelige processen die weinig apparatuur, niet-toxische stoffen en eenvoudige methoden vereisen voor hun karakterisering en de bepaling van de inkapselingscapaciteit voor slecht in water oplosbare bioactieve stoffen en het in vitro afgiftepotentieel van de ligninematrices. De gepresenteerde productiemethoden op laboratoriumschaal zijn voordelig voor de vervaardiging van functionele ligninedragers met afstembare maten, hoge inkapselingscapaciteit en duurzaam in-vitro-afgiftegedrag met behulp van eenvoudige karakteriseringsprocedures en milieuvriendelijke chemicaliën die toepassing kunnen vinden in verschillende gebieden van de biomedische wetenschappen en voedseltechnologie. Twee flavonoïden werden toegepast als doelmoleculen ingekapseld in de ligninedeeltjes: morin in de microdeeltjes en quercetine in de submicrondeeltjes. Het verschil in de structuren van beide flavonoïden is alleen de positie van de tweede -OH-groep in de B-aromatische ring: de -OH-groep bevindt zich op de 2′-positie in morin en op de 3′-positie in quercetine, dus beide organische verbindingen zijn positionele isomeren. Dit laatste feit veronderstelt vergelijkbaar gedrag van beide bioactieve natuurlijke verbindingen in de processen van inkapseling en/of afgifte.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een van de belangrijkste kritieke kwesties van moderne synthesemethodologieën voor het ontwerp van formuleringen van geneesmiddeldragers op basis van biopolymeren is de toepassing van gevaarlijke organische reagentia – vluchtige en ontvlambare oplosmiddelen, zoals tetrahydrofuraan, aceton, methanol en zelfs DMSO in hoge concentraties – die hun toepasbaarheid in de biogeneeskunde, de farmaceutische industrie en de voedingstechnologie beperkt vanwege de manifestatie van mogelijke toxische effecten20</sup…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door het Bulgaarse Wetenschappelijk Fonds in het kader van contract nr. KΠ-06 H59/3 en door wetenschappelijk project nr. 07/2023 FVM, Trakia University.
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).
