Green Synthesis, Characterization, Encapsulation, and Measurement of the Release Potential of Novel Alkali Lignin Micro-/Submicron Particles(새로운 알칼리 리그닌 마이크로/서브미크론 입자의 방출 가능성 측정)
概要
우리는 생체 적합성 리그닌 마이크로 및 서브미크론 입자의 합성 및 특성 분석을 위한 새롭고 간단한 방법론을 설명합니다. 이러한 제형은 헤테로폴리머의 활용을 위한 용이한 접근 방식을 제공할 뿐만 아니라 생물 의학, 제약 기술 및 식품 산업에서 잠재적으로 적용 가능한 다기능 캐리어 매트릭스의 합리적인 설계를 위한 대안을 제공합니다.
Abstract
인간, 수의학, 제약 및 식품 기술에서 생체 고분자 마이크로/나노 기술의 적용 가능성은 효과적인 운반 시스템으로서 생체 고분자 기반 입자의 큰 잠재력으로 인해 빠르게 성장하고 있습니다. 리그닌을 혁신적인 마이크로/서브미크론 제형의 설계를 위한 기본 헤테로폴리머 생체 매트릭스로 사용하면 생체 적합성을 높일 수 있으며 다양한 활성 작용기를 제공하여 다양한 응용 분야에 대한 제형의 물리화학적 특성 및 생체 활성을 맞춤화할 수 있는 기회를 제공합니다. 본 연구의 목적은 마이크로 및 서브미크론 크기의 리그닌 입자를 합성하기 위한 간단하고 친환경적인 방법론을 개발하는 것이었습니다. 그들의 물리화학적, 스펙트럼적, 구조적 특성을 평가하기 위해; 그리고 생물학적으로 활성 분자를 캡슐화할 수 있는 능력과 시뮬레이션된 위장 매체에서 바이오플라보노이드의 체외 방출 가능성을 조사합니다. 제시된 방법론은 저렴하고 친환경적인 용매를 적용합니다. 적은 장비, 무독성 물질, 간단한 특성 분석 방법, 수용성이 낮은 생체 활성 화합물인 모린 및 퀘르세틴에 대한 캡슐화 용량 측정, 리그닌 매트릭스의 체외 방출 잠재력이 필요한 쉽고 간단하며 빠르고 민감한 공정.
Introduction
오늘날 셀룰로오스, 키토산, 콜라겐, 덱스트란, 젤라틴 및 리그닌과 같은 바이오 폴리머에 대한 경향은 조직 공학, 3D 바이오프린팅, 체외에서의 적용 가능성으로 인해 생물 의학, 제약 및 식품 기술 산업에서 맞춤형 크기, 물리화학적 특성 및 생체 기능을 갖춘 마이크로/서브미크론 캐리어 설계의 전구체로 증가하고 있습니다 질병 모델링 플랫폼, 포장 산업, 에멀젼 준비 및 영양소 전달 등 1,2,3.
새로운 연구에서는 리그닌 기반 하이드로겔과 마이크로 및 나노 제형4이 식품포장재5, 에너지 저장6, 화장품7, 열/광 안정제, 강화 재료 및 소수성 분자 전달, UV 장벽개선9을 위한 약물 전달 매트릭스8에 사용되는 유리한 수단으로서의 측면을 강조합니다, 나노 복합 재료의 강화제로, 그리고 최근의 안전 문제로 인해 무기 나노 입자의 대안으로 사용됩니다 10,11,12. 이러한 경향의 원인은 천연 헤테로 바이오 폴리머의 생체 적합성, 생분해성 및 무독성뿐만 아니라 리그닌 항산화 잠재력 및 라디칼 소거, 항증식 및 항균 활성의 입증 된 생체 활성입니다 13,14,15,16,17.
과학 문헌에 따르면 테트라하이드로푸란(THF), 디메틸 설폭사이드(DMSO), N,N-디메틸포름아미드(DMF) 및 아세톤과 같은 비싸거나 유해한 용매의 적용을 포함하여 리그닌 기반 마이크로/나노 스케일 제형의 다양한 합성 방법(자체 조립, 반용매 침전, 산 침전 및 용매 이동)18 및 특성 분석, 많은 장비와 독성 물질을 사용하는 복잡하고 간접적이며 지루한 공정을 포함합니다12,19,20.
후자의 단점을 극복하기 위해 다음 프로토콜은 저렴하고 친환경적인 용매를 사용하여 리그닌 기반 마이크로/서브미크론 입자를 합성하기 위한 새로운 방법론을 제시합니다. 쉽고 간단하며 빠르고 민감한 공정으로 적은 장비, 무독성 물질, 특성 분석 및 수용성이 낮은 생체 활성 화합물에 대한 캡슐화 용량 및 리그닌 매트릭스의 체외 방출 가능성 측정을 위한 간단한 방법을 필요로 합니다. 제시된 실험실 규모의 생산 방법은 생물 의학 및 식품 기술의 다양한 분야에서 응용할 수 있는 간단한 특성 분석 절차와 친환경 화학 물질을 활용하여 조정 가능한 크기, 높은 캡슐화 용량 및 지속 가능한 체외 방출 거동을 가진 기능성 리그닌 운반체의 제조에 유리합니다. 두 개의 플라보노이드를 리그닌 입자에 캡슐화된 표적 분자로 적용했습니다: 모린-미립자로, 퀘르세틴-서브미크론 입자로. 두 플라보노이드의 구조에 있는 다름은 B 방향족 반지에 있는 두번째 -OH 그룹의 위치만 입니다: -OH 그룹은 모린에 있는 2′ 위치와 퀘르세틴에 있는 3′ 위치에 있습니다, 따라서 두 유기 화합물 다 위치 이성질체입니다. 후자의 사실은 캡슐화 및/또는 방출 과정에서 두 생체 활성 천연 화합물의 유사한 행동을 가정합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
생체 고분자를 기반으로 한 약물 전달체 제형의 설계를 위한 현대 합성 방법론의 주요 중요한 문제 중 하나는 테트라하이드로푸란, 아세톤, 메탄올 및 심지어 고농도의 DMSO와 같은 휘발성 및 가연성 용매와 같은 유해 유기 시약의 적용이며, 이는 가능한 독성 효과의 징후로 인해 생물 의학, 제약 산업 및 식품 기술에서의 적용을 제한합니다20, 21,22,23,24.<…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 계약 번호 KΠ-06 H59/3에 따라 불가리아 과학 기금(Bulgarian Scientific Fund)과 트라키아 대학교(Trakia University)의 과학 프로젝트 번호 07/2023 FVM의 지원을 받았습니다.
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 |
参考文献
- 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).
