Summary

Sintesi, caratterizzazione, incapsulamento e misurazione del potenziale di rilascio di nuove particelle micro/submicroniche di lignina alcalina

Published: March 01, 2024
doi:

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

1. Sintesi di microparticelle di lignina Preparare una soluzione acquosa di lignina alcalina 50 mg/mL sciogliendo 2,5 g di lignina alcalina in 50 mL di acqua ultrapura su un agitatore magnetico. Preparare la soluzione Tween 80 all’1% sciogliendo 1 mL di Tween 80 in 100 mL di acqua ultrapura. Preparare una soluzione 2 M di HNO3 diluendo 6,65 mL di HNO3 al 67% (densità = 1,413 g/mL) con acqua ultrapura fino a un volume finale di 50 mL. Aggiunge…

Representative Results

È stata eseguita una tecnica di precipitazione anti-solvente per produrre particelle di micro/submicron di lignina alcalina. Una soluzione acquosa di acido inorganico diluito-acido nitrico/acido organico-acido citrico è stata dispersa in una soluzione acquosa di lignina alcalina, arricchita con un tensioattivo/etanolo ecologico, che ha provocato la graduale precipitazione del soluto biopolimerico e, dopo la sonicazione, è stata infine prodotta una sospensione di particelle micro/submicroniche compatte (<strong class="…

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…

Disclosures

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

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Yaneva, Z., Ivanova, D., Toneva, M. Green Synthesis, Characterization, Encapsulation, and Measurement of the Release Potential of Novel Alkali Lignin Micro-/Submicron Particles. J. Vis. Exp. (205), e66216, doi:10.3791/66216 (2024).

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