סינתזה ירוקה, אפיון, אנקפסולציה ומדידה של פוטנציאל השחרור של חלקיקי מיקרו-/תת-מיקרון אלקליים ליגנין חדשים
Summary
אנו מתארים מתודולוגיות חדשניות ופשוטות של סינתזה ואפיון של חלקיקי ליגנין מיקרו ותת-מיקרון תואמים ביולוגית. ניסוחים אלה מספקים גישה קלה לשימוש בהטרופולימר, כמו גם חלופה לתכנון רציונלי של מטריצות נשא רב תכליתיות עם ישימות פוטנציאלית בביו-רפואה, טכנולוגיה פרמצבטית ותעשיית המזון.
Abstract
הישימות של מיקרו-/ ננו-טכנולוגיה ביופולימרית ברפואה אנושית, וטרינרית, פרמצבטית וטכנולוגיית מזון גדלה במהירות בשל הפוטנציאל הגדול של חלקיקים מבוססי ביופולימרים כמערכות נשא יעילות. השימוש בליגנין כביומטריצה הטרופולימרית בסיסית לתכנון פורמולציות מיקרו/תת-מיקרון חדשניות מאפשר השגת תאימות ביולוגית מוגברת ומציע לקבוצות פונקציונליות פעילות שונות המציגות הזדמנויות להתאמה אישית של התכונות הפיזיקוכימיות והביו-פעילויות של הפורמולציות ליישומים מגוונים. מטרת המחקר הנוכחי הייתה לפתח מתודולוגיה פשוטה וידידותית לסביבה לסינתזה של חלקיקי ליגנין בגודל מיקרו ותת-מיקרון; להעריך את המאפיינים הפיזיקוכימיים, הספקטרליים והמבניים שלהם; ולבחון את יכולתם לאנקפסולציה של מולקולות פעילות ביולוגית ואת הפוטנציאל לשחרור חוץ גופי של ביופלבנואידים במדיה מדומה של מערכת העיכול. המתודולוגיות המוצגות מיישמות ממיסים זולים וירוקים; תהליכים קלים, פשוטים, מהירים ורגישים הדורשים מעט ציוד, חומרים לא רעילים ושיטות פשוטות לאפיונם, קביעת יכולת האנקפסולציה כלפי התרכובות הביו-אקטיביות המסיסות במים מורין וקוורצטין, ופוטנציאל השחרור במבחנה של מטריצות הליגנין.
Introduction
כיום הנטייה לביופולימרים כגון תאית, צ’יטוזן, קולגן, דקסטרן, ג’לטין וליגנין כמבשרי תכנון של נשאי מיקרו/תת-מיקרון בעלי גודל, תכונות פיסיקוכימיות ופונקציות ביולוגיות הניתנים להתאמה אישית גדלה בתעשיות הביו-רפואיות, התרופות וטכנולוגיית המזון בשל יישומם בהנדסת רקמות, הדפסה ביולוגית תלת-ממדית, במבחנה פלטפורמות מידול מחלות, תעשיית אריזות, הכנת תחליב ואספקת חומרים מזינים בין היתר 1,2,3.
מחקרים חדשניים מדגישים את ההיבטים של הידרוג’לים מבוססי ליגנין, כמו גם מיקרו וננו-פורמולציות4 ככלי יתרון המשמשים לחומרי אריזה למזון5, אחסון אנרגיה6, קוסמטיקה7, מייצבי חום/אור, חומרים מחוזקים ומטריצות נושאות תרופות8 להעברת מולקולות הידרופוביות, שיפור מחסומי UV9כחומרים מחזקים בננו-מרוכבים, וכחלופה לננו-חלקיקים אנאורגניים עקב כמה בעיות בטיחות אחרונות 10,11,12., הסיבה מאחורי נטייה זו היא התאימות הביולוגית, יכולת ההתכלות הביולוגית ואי-הרעילות של הביופולימר ההטרו הטבעי, כמו גם הפעילות הביולוגית המוכחת שלו של פוטנציאל נוגד חמצון ליגנין ופעילות רדיקלית, אנטי-שגשוגית ואנטי-מיקרוביאלית 13,14,15,16,17.
הספרות המדעית מדווחת על שיטות שונות לסינתזה (הרכבה עצמית, משקעים נגד ממסים, משקעים חומציים והסטת ממסים)18 ואפיון של פורמולציות מיקרו/ננו-בקנה מידה מבוססות ליגנין, כולל יישום של ממסים יקרים או מזיקים כגון טטרהידרופורן (THF), דימתיל סולפוקסיד (DMSO), N,N-דימתילפורממיד (DMF) ואצטון, ותהליכים מסובכים, עקיפים ומייגעים המשתמשים בציוד רב ובחומרים רעילים 12,19,20.
כדי להתגבר על החסרונות האחרונים, הפרוטוקולים הבאים מציגים מתודולוגיות חדשניות לסינתזה של חלקיקי מיקרו/תת-מיקרון מבוססי ליגנין באמצעות ממיסים זולים וירוקים; תהליכים קלים, פשוטים, מהירים ורגישים הדורשים מעט ציוד, חומרים לא רעילים ושיטות פשוטות לאפיונם ולקביעת יכולת האנקפסולציה של תרכובות ביו-אקטיביות המסיסות במים ופוטנציאל שחרור במבחנה של מטריצות הליגנין. שיטות הייצור המוצגות בקנה מידה מעבדתי מהוות יתרון לייצור נשאי ליגנין פונקציונליים בעלי גדלי כוונון, יכולת אנקפסולציה גבוהה והתנהגות שחרור חוץ גופית בת קיימא תוך שימוש בהליכי אפיון פשוטים וכימיקלים ידידותיים לסביבה שיכולים למצוא יישום בתחומים שונים של מדעים ביו-רפואיים וטכנולוגיית מזון. שני פלבנואידים יושמו כמולקולות מטרה העטופות בחלקיקי הליגנין: מורין – לתוך המיקרו-חלקיקים, וקוורצטין – לתוך החלקיקים התת-מיקרוניים. ההבדל במבנים של שני הפלבנואידים הוא רק המיקום של קבוצת -OH השנייה בטבעת הארומטית B: קבוצת -OH נמצאת במיקום 2′ במורין ובמיקום 3′ בקוורצטין, ולכן שתי התרכובות האורגניות הן איזומרים מיקום. העובדה האחרונה מניחה התנהגות דומה של שתי התרכובות הטבעיות הביו-אקטיביות בתהליכי האנקפסולציה ו/או השחרור.
Protocol
Representative Results
Discussion
בין הנושאים הקריטיים העיקריים של מתודולוגיות סינתזה מודרניות לתכנון פורמולציות נושאות תרופות המבוססות על ביופולימרים הוא יישום ריאגנטים אורגניים מסוכנים – ממיסים נדיפים ודליקים, כגון טטרהידרופורן, אצטון, מתנול ואפילו DMSO בריכוזים גבוהים – המגביל את תחולתם בביו-רפואה, בתעשיית התרופות ובט…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי הקרן המדעית הבולגרית תחת חוזה מספר KΠ-06 H59/3 ועל ידי פרויקט מדעי מס ’07/2023 FVM, אוניברסיטת טרקיה.
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 |
References
- 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).
