Yeni Alkali Lignin Mikro-/Submikron Partiküllerinin Yeşil Sentezi, Karakterizasyonu, Kapsüllenmesi ve Salınım Potansiyelinin Ölçülmesi
Summary
Biyouyumlu lignin mikro ve mikron altı partiküllerin sentezi ve karakterizasyonu için yeni, basit metodolojileri açıklıyoruz. Bu formülasyonlar, heteropolimerin kullanımı için kolay bir yaklaşımın yanı sıra biyotıp, farmasötik teknoloji ve gıda endüstrisinde potansiyel uygulanabilirliği olan çok işlevli taşıyıcı matrislerin rasyonel tasarımı için bir alternatif sağlar.
Abstract
Biyopolimer mikro/nano teknolojinin insan, veterinerlik, ilaç ve gıda teknolojisinde uygulanabilirliği, biyopolimer bazlı partiküllerin etkili taşıyıcı sistemler olarak büyük potansiyeli nedeniyle hızla artmaktadır. Yenilikçi mikro-/mikron altı formülasyonların tasarımı için ligninin temel bir heteropolimer biyomatris olarak kullanılması, artan biyouyumluluğun elde edilmesini sağlar ve çeşitli uygulamalar için formülasyonların fizikokimyasal özelliklerinin ve biyoaktivitelerinin özelleştirilmesi için fırsatlar sunan çeşitli aktif fonksiyonel gruplar sunar. Bu çalışmanın amacı, mikro ve mikron altı boyuta sahip lignin parçacıklarının sentezi için basit ve çevre dostu bir metodoloji geliştirmekti; fizikokimyasal, spektral ve yapısal özelliklerini değerlendirmek; ve biyolojik olarak aktif moleküllerin kapsüllenme kapasitelerini ve simüle edilmiş gastrointestinal ortamlarda biyoflavonoidlerin in vitro salınım potansiyellerini incelemek. Sunulan metodolojiler ucuz ve yeşil çözücüler uygular; Az ekipman, toksik olmayan maddeler ve bunların karakterizasyonu için basit yöntemler gerektiren kolay, anlaşılır, hızlı ve hassas süreçler, suda az çözünür biyoaktif bileşikler morin ve kersetine karşı kapsülleme kapasitesinin belirlenmesi ve lignin matrislerinin in vitro salım potansiyeli.
Introduction
Günümüzde, doku mühendisliği, 3D biyo-printing, in vitro olarak uygulanabilirlikleri nedeniyle biyomedikal, farmasötik ve gıda teknolojisi endüstrilerinde özelleştirilebilir boyut, fizikokimyasal özellikler ve biyoişlevselliklere sahip mikro/mikron altı taşıyıcıların tasarımının öncüsü olarak selüloz, kitosan, kollajen, dekstran, jelatin ve lignin gibi biyopolimerlere olan eğilim artmıştır Hastalık modelleme platformları, ambalaj endüstrisi, emülsiyon hazırlama ve diğerleri arasında besin dağıtımı 1,2,3.
Yeni çalışmalar, lignin bazlı hidrojellerin yanı sıra mikro ve nano formülasyonların4 gıda ambalaj malzemeleri5, enerji depolama6, kozmetik7, termal/ışık stabilizatörleri, güçlendirilmiş malzemeler ve ilaç taşıyıcı matrisler8 için hidrofobik moleküllerin verilmesi, UV bariyerlerinin iyileştirilmesi için kullanılan avantajlı araçlar olarak yönlerini vurgulamaktadır9, nanokompozitlerde takviye maddeleri olarak ve bazı yeni güvenlik sorunları nedeniyle inorganik nanopartiküllere alternatif olarak 10,11,12. Bu eğilimin arkasındaki neden, doğal hetero biyopolimerin biyouyumluluğu, biyolojik olarak parçalanabilirliği ve toksik olmamasının yanı sıra lignin-antioksidan potansiyeli ve radikal süpürücü, anti-proliferatif ve antimikrobiyal aktivitelerin kanıtlanmış biyoaktiviteleridir 13,14,15,16,17.
Bilimsel literatür, tetrahidrofuran (THF), dimetil sülfoksit (DMSO), N, N-dimetilformamid (DMF) ve aseton gibi pahalı veya zararlı çözücülerin uygulanması ve çok sayıda ekipman ve toksik madde kullanan karmaşık, dolaylı ve sıkıcı süreçler dahil olmak üzere lignin bazlı mikro/nano ölçekli formülasyonların sentezi (kendi kendine montaj, anti-çözücü çökeltme, asit çökeltme ve çözücü kaydırma)18 ve lignin bazlı mikro/nano ölçekli formülasyonların karakterizasyonu için çeşitli yöntemler bildirmektedir,19,20.
İkinci dezavantajların üstesinden gelmek için, aşağıdaki protokoller, ucuz ve yeşil çözücüler kullanılarak lignin bazlı mikro-/mikron altı parçacıkların sentezi için yeni metodolojiler sunar; Az ekipman, toksik olmayan maddeler ve bunların karakterizasyonu ve suda az çözünür biyoaktif bileşiklere doğru kapsülleme kapasitesinin belirlenmesi ve lignin matrislerinin in vitro salım potansiyeli için basit yöntemler gerektiren kolay, anlaşılır, hızlı ve hassas işlemler. Sunulan laboratuvar ölçekli üretim yöntemleri, biyomedikal bilimlerin ve gıda teknolojisinin çeşitli alanlarında uygulama bulabilen basit karakterizasyon prosedürleri ve çevre dostu kimyasallar kullanılarak ayarlanabilir boyutlara, yüksek kapsülleme kapasitesine ve sürdürülebilir in vitro salım davranışına sahip fonksiyonel lignin taşıyıcılarının üretimi için avantajlıdır. Lignin parçacıklarına kapsüllenmiş hedef moleküller olarak iki flavonoid uygulandı: mikropartiküllere morin ve mikron altı partiküllere quercetin. Her iki flavonoidin yapılarındaki fark, yalnızca B-aromatik halkadaki ikinci -OH grubunun konumudur: -OH grubu, morinde 2′ konumunda ve quercetin’de 3′ konumundadır, bu nedenle her iki organik bileşik de konumsal izomerlerdir. İkinci gerçek, her iki biyoaktif doğal bileşiğin kapsülleme ve/veya salma süreçlerinde benzer davranışlarını varsayar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biyopolimerlere dayalı ilaç taşıyıcı formülasyonların tasarımı için modern sentez metodolojilerinin ana kritik konuları arasında, tehlikeli organik reaktiflerin – tetrahidrofuran, aseton, metanol ve hatta yüksek konsantrasyonlarda DMSO gibi uçucu ve yanıcı çözücülerin – olası toksik etkilerin tezahürü nedeniyle biyotıp, ilaç endüstrisi ve gıda teknolojisinde uygulanabilirliklerini sınırlayan uygulamalar yer almaktadır20, 21,22,23,2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, KΠ-06 H59/3 Sözleşme No’lu Bulgaristan Bilim Fonu ve Trakya Üniversitesi 07/2023 FVM Bilimsel Proje No’lu tarafından desteklenmiştir.
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).
