Summary

Synthèse, caractérisation, encapsulation et mesure vertes du potentiel de libération de nouvelles particules microscopiques et submicroniques de lignine alcaline

Published: March 01, 2024
doi:

Summary

Nous décrivons des méthodologies nouvelles et simples de synthèse et de caractérisation de particules micro- et submicroniques de lignine biocompatibles. Ces formulations offrent une approche facile pour l’utilisation de l’hétéropolymère, ainsi qu’une alternative pour la conception rationnelle de matrices de support multifonctionnelles avec une applicabilité potentielle en biomédecine, en technologie pharmaceutique et dans l’industrie alimentaire.

Abstract

L’applicabilité de la micro/nanotechnologie des biopolymères dans la médecine humaine, vétérinaire, pharmaceutique et alimentaire augmente rapidement en raison du grand potentiel des particules à base de biopolymères en tant que systèmes porteurs efficaces. L’utilisation de la lignine en tant que biomatrice hétéropolymère de base pour la conception de formulations micro- / submicroniques innovantes permet d’obtenir une biocompatibilité accrue et offre divers groupes fonctionnels actifs présentant des possibilités de personnalisation des propriétés physicochimiques et des bioactivités des formulations pour diverses applications. L’objectif de la présente étude était de développer une méthodologie simple et respectueuse de l’environnement pour la synthèse de particules de lignine de taille micro- et submicronique ; évaluer leurs caractéristiques physico-chimiques, spectrales et structurales ; et d’examiner leur capacité d’encapsulation de molécules biologiquement actives et leur potentiel de libération in vitro de bioflavonoïdes dans des milieux gastro-intestinaux simulés. Les méthodologies présentées utilisent des solvants bon marché et verts ; Procédés simples, directs, rapides et sensibles nécessitant peu d’équipement, des substances non toxiques et des méthodes simples pour leur caractérisation, la détermination de la capacité d’encapsulation envers les composés bioactifs peu solubles dans l’eau Morin et Quercetin, et le potentiel de libération in vitro des matrices de lignine.

Introduction

De nos jours, l’inclination vers les biopolymères tels que la cellulose, le chitosane, le collagène, le dextran, la gélatine et la lignine en tant que précurseurs pour la conception de supports micro-/submicroniques avec une taille, des propriétés physicochimiques et des biofonctionnalités personnalisables a augmenté dans les industries biomédicales, pharmaceutiques et de la technologie alimentaire en raison de leur applicabilité en ingénierie tissulaire, en bio-impression 3D, in vitro les plateformes de modélisation des maladies, l’industrie de l’emballage, la préparation d’émulsions et l’administration de nutriments, entre autres, 1,2,3.

De nouvelles études mettent en évidence les aspects des hydrogels à base de lignine ainsi que des micro- et nanoformulations4 en tant que véhicules avantageux utilisés pour les matériaux d’emballage alimentaire5, le stockage d’énergie6, les cosmétiques7, les stabilisants thermiques/légers, les matériaux renforcés et les matrices de support de médicament8 pour l’administration de molécules hydrophobes, l’amélioration des barrières UV9, en tant qu’agents de renforcement dans les nanocomposites et en tant qu’alternative aux nanoparticules inorganiques en raison de certains problèmes de sécurité récents 10,11,12. La raison de cette tendance est la biocompatibilité, la biodégradabilité et la non-toxicité de l’hétéropolymère naturel, ainsi que ses bioactivités prouvées de potentiel antioxydant de lignine et de piégeage radicalaire, anti-proliférative et antimicrobienne 13,14,15,16,17.

La littérature scientifique fait état de diverses méthodes de synthèse (auto-assemblage, précipitation anti-solvant, précipitation acide et déplacement de solvant)18 et de caractérisation de formulations à base de lignine à l’échelle micro/nanométrique, y compris l’application de solvants coûteux ou nocifs tels que le tétrahydrofurane (THF), le diméthylsulfoxyde (DMSO), le N,N-diméthylformamide (DMF) et l’acétone, ainsi que des processus compliqués, indirects et fastidieux qui utilisent beaucoup d’équipements et de substances toxiques 12,19,20.

Pour pallier ces derniers inconvénients, les protocoles suivants présentent de nouvelles méthodologies pour la synthèse de particules micro-/submicroniques à base de lignine à l’aide de solvants bon marché et verts ; Des procédés simples, directs, rapides et sensibles nécessitant peu d’équipement, des substances non toxiques et des méthodes simples pour leur caractérisation et la détermination de la capacité d’encapsulation vers des composés bioactifs peu solubles dans l’eau et du potentiel de libération in vitro des matrices de lignine. Les méthodes de production à l’échelle du laboratoire présentées sont avantageuses pour la fabrication de supports de lignine fonctionnels avec des tailles réglables, une capacité d’encapsulation élevée et un comportement de libération in vitro durable en utilisant des procédures de caractérisation simples et des produits chimiques respectueux de l’environnement qui peuvent trouver des applications dans divers domaines des sciences biomédicales et de la technologie alimentaire. Deux flavonoïdes ont été appliqués comme molécules cibles encapsulées dans les particules de lignine : la morine dans les microparticules et la quercétine dans les particules submicroniques. La différence dans les structures des deux flavonoïdes n’est que la position du deuxième groupe -OH dans le cycle aromatique B : le groupe -OH est sur la position 2′ dans Morin et sur la position 3′ dans la quercétine, donc les deux composés organiques sont des isomères de position. Ce dernier fait suppose un comportement similaire des deux composés naturels bioactifs dans les processus d’encapsulation et/ou de libération.

Protocol

1. Synthèse de microparticules de lignine Préparez une solution aqueuse de lignine alcaline à 50 mg/mL en dissolvant 2,5 g de lignine alcaline dans 50 mL d’eau ultrapure à l’aide d’un agitateur magnétique. Préparez une solution à 1 % de Tween 80 en dissolvant 1 mL de Tween 80 dans 100 mL d’eau ultrapure. Préparez une solution de 2 M de HNO3 en diluant 6,65 mL de HNO3 à 67 % (densité = 1,413 g/mL) avec de l’eau ultrapure jusqu’à ce…

Representative Results

Une technique de précipitation anti-solvant a été exécutée pour produire des particules de lignine alcaline micro-/submicroniques. Une solution aqueuse d’acide inorganique dilué-acide nitrique/acide organique-acide citrique a été dispersée dans une solution aqueuse de lignine alcaline, enrichie d’un tensioactif/éthanol écologique, ce qui a entraîné la précipitation progressive du soluté biopolymère et, après sonication, une suspension de particules compactes micro/submicroniques a finalement été pr…

Discussion

Parmi les principaux problèmes critiques des méthodologies de synthèse modernes pour la conception de formulations de supports de médicaments à base de biopolymères figure l’application de réactifs organiques dangereux – solvants volatils et inflammables, tels que le tétrahydrofurane, l’acétone, le méthanol et même le DMSO à des concentrations élevées – ce qui limite leur applicabilité dans la biomédecine, l’industrie pharmaceutique et la technologie alimentaire en raison de la manifestation d’eff…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette étude a été soutenue par le Fonds scientifique bulgare dans le cadre du contrat n° KΠ-06 H59/3 et par le projet scientifique n° 07/2023 FVM, Université 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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