Grüne Synthese, Charakterisierung, Verkapselung und Messung des Freisetzungspotenzials neuartiger Alkali-Lignin-Mikro-/Submikron-Partikel
Summary
Wir beschreiben neuartige, einfache Methoden der Synthese und Charakterisierung von biokompatiblen Lignin-Mikro- und Submikron-Partikeln. Diese Formulierungen bieten einen einfachen Ansatz für die Nutzung des Heteropolymers sowie eine Alternative für das rationale Design multifunktionaler Trägermatrizen mit potenzieller Anwendbarkeit in der Biomedizin, Pharmatechnik und Lebensmittelindustrie.
Abstract
Die Anwendbarkeit der Biopolymer-Mikro-/Nanotechnologie in der Human-, Veterinär-, Pharma- und Lebensmitteltechnik wächst aufgrund des großen Potenzials von biopolymerbasierten Partikeln als effektive Trägersysteme rasant. Die Verwendung von Lignin als basische Heteropolymer-Biomatrix für das Design innovativer Mikro-/Submikron-Formulierungen ermöglicht die Erzielung einer erhöhten Biokompatibilität und bietet verschiedene aktive funktionelle Gruppen, die Möglichkeiten zur Anpassung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und Bioaktivitäten der Formulierungen für verschiedene Anwendungen bieten. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, eine einfache und umweltfreundliche Methodik für die Synthese von Ligninpartikeln mit Mikro- und Submikrongröße zu entwickeln; ihre physikalisch-chemischen, spektralen und strukturellen Eigenschaften zu bewerten; und ihre Fähigkeit zur Verkapselung biologisch aktiver Moleküle und ihr Potenzial für die In-vitro-Freisetzung von Bioflavonoiden in simulierten gastrointestinalen Medien zu untersuchen. Die vorgestellten Methoden verwenden billige und umweltfreundliche Lösungsmittel; Einfache, unkomplizierte, schnelle und empfindliche Prozesse, die wenig Ausrüstung, ungiftige Substanzen und einfache Methoden für ihre Charakterisierung, die Bestimmung des Verkapselungsvermögens gegenüber den schwer wasserlöslichen bioaktiven Verbindungen Morin und Quercetin und das In-vitro-Freisetzungspotenzial der Ligninmatrizen erfordern.
Introduction
Heutzutage hat die Neigung zu Biopolymeren wie Cellulose, Chitosan, Kollagen, Dextran, Gelatine und Lignin als Vorläufer für das Design von Mikro-/Submikron-Trägern mit anpassbarer Größe, physikalisch-chemischen Eigenschaften und Biofunktionalitäten in der biomedizinischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Industrie aufgrund ihrer Anwendbarkeit im Tissue Engineering, 3D-Bioprinting und in vitro zugenommen Krankheitsmodellierungsplattformen, Verpackungsindustrie, Emulsionszubereitung und Nährstoffabgabeunter anderem 1,2,3.
Neuartige Studien beleuchten die Aspekte von ligninbasierten Hydrogelen sowie Mikro- und Nanoformulierungen4 als vorteilhafte Vehikel für Lebensmittelverpackungsmaterialien5, Energiespeicherung6, Kosmetika7, Wärme-/Lichtstabilisatoren, verstärkte Materialien und Wirkstoffträgermatrizen8 für die Abgabe hydrophober Moleküle, Verbesserung von UV-Barrieren9, als Verstärkungsmittel in Nanokompositen und als Alternative zu anorganischen Nanopartikeln aufgrund einiger aktueller Sicherheitsprobleme 10,11,12. Der Grund für diese Tendenz ist die Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit und Nicht-Toxizität des natürlichen Hetero-Biopolymers sowie seine nachgewiesenen Bioaktivitäten in Bezug auf Lignin-antioxidatives Potenzial und Radikalfänger, antiproliferative und antimikrobielle Aktivitäten 13,14,15,16,17.
In der wissenschaftlichen Literatur werden verschiedene Methoden zur Synthese (Selbstorganisation, Anti-Lösungsmittelfällung, Säurefällung und Lösungsmittelverschiebung)18 und zur Charakterisierung von Lignin-basierten mikro-/nanoskaligen Formulierungen berichtet, einschließlich der Anwendung teurer oder schädlicher Lösungsmittel wie Tetrahydrofuran (THF), Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF) und Aceton sowie komplizierter, indirekter und langwieriger Prozesse, bei denen viele Geräte und giftige Substanzen verwendetwerden 12,19,20.
Um die letztgenannten Nachteile zu überwinden, stellen die folgenden Protokolle neuartige Methoden für die Synthese von Lignin-basierten Mikro-/Submikron-Partikeln unter Verwendung billiger und umweltfreundlicher Lösungsmittel vor: Einfache, unkomplizierte, schnelle und empfindliche Prozesse, die wenig Ausrüstung, ungiftige Substanzen und einfache Methoden zu ihrer Charakterisierung und zur Bestimmung der Verkapselungskapazität für schwer wasserlösliche bioaktive Verbindungen und des In-vitro-Freisetzungspotenzials der Ligninmatrizen erfordern. Die vorgestellten Produktionsmethoden im Labormaßstab sind vorteilhaft für die Herstellung von funktionellen Ligninträgern mit einstellbaren Größen, hoher Verkapselungskapazität und nachhaltigem In-vitro-Freisetzungsverhalten unter Verwendung einfacher Charakterisierungsverfahren und umweltfreundlicher Chemikalien, die in verschiedenen Bereichen der biomedizinischen Wissenschaften und Lebensmitteltechnologie Anwendung finden können. Zwei Flavonoide wurden als Zielmoleküle in die Ligninpartikel eingekapselt: Morin in die Mikropartikel und Quercetin in die Submikronpartikel. Der Unterschied in den Strukturen beider Flavonoide ist nur die Position der zweiten -OH-Gruppe im B-aromatischen Ring: Die -OH-Gruppe befindet sich auf der 2′-Position in Morin und auf der 3′-Position in Quercetin, somit sind beide organischen Verbindungen Positionsisomere. Letzteres setzt ein ähnliches Verhalten beider bioaktiver Naturstoffe bei den Prozessen der Verkapselung und/oder Freisetzung voraus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zu den wichtigsten kritischen Fragen moderner Synthesemethoden für das Design von Wirkstoffträgerformulierungen auf der Basis von Biopolymeren gehört die Verwendung gefährlicher organischer Reagenzien – flüchtiger und brennbarer Lösungsmittel wie Tetrahydrofuran, Aceton, Methanol und sogar DMSO in hohen Konzentrationen -, was ihre Anwendbarkeit in der Biomedizin, pharmazeutischen Industrie und Lebensmitteltechnologie aufgrund der Manifestation möglicher toxischer Wirkungen einschränkt20<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde vom Bulgarischen Wissenschaftsfonds unter der Vertragsnummer KΠ-06 H59/3 und vom Wissenschaftlichen Projekt Nr. 07/2023 FVM der Universität Trakia unterstützt.
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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