Er wordt een techniek gepresenteerd die gebruik maakt van een hoge elektrische spanning en een gerichte, met actieve ingrediënten beladen emulsie om pH-responsieve, uniforme microbeads te fabriceren.
Methodenartikel
Synthese van met zwarte zaadolie beladen, op alginaat gebaseerde, pH-gevoelige korrels met behulp van elektrospuittechniek
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Zwarte zaadolie (BSO), afgeleid van de zaden van de Nigella sativa-plant , heeft de aandacht getrokken vanwege zijn potentiële kankerbestrijdende eigenschappen, vooral in de context van darmkanker. De actieve stof, thymoquinon, kan helpen de groei van kankercellen te remmen en apoptose in darmkankercellen te induceren. Bovendien kunnen de ontstekingsremmende en antioxiderende effecten van zwarte zaadolie bijdragen aan een gezonder darmmilieu, waardoor het risico op kanker mogelijk wordt verminderd. Daarom werden in deze studie pH-gevoelige alginaatkorrels gesynthetiseerd om BSO op een gecontroleerde manier in de dikke darm af te leveren zonder het medicijn vrij te geven bij pH 1,2 (maag), waardoor een goed gedefinieerd afgiftepatroon bij pH 6,8 werd verkregen. Het gebruik van elektrospraytechnologie verbetert de procesprestaties door het gemakkelijker te maken om kleine, homogene korrels te formuleren met een hogere zwelling en diffusie in het gastro-intestinale medium.
De geformuleerde kralen werden gekarakteriseerd door een ex-vivo mucoadhesieve sterktetest, parelgrootte, bolvormfactor (SF), inkapselingsefficiëntie (EE), scanning-elektronenmicroscoop (SEM), in vitro zwellingsgedrag (SB) en in vitro medicijnafgifte in zure en buffermedia. Al deze gefabriceerde kralen vertoonden in deze tests bescheiden afmetingen van 0,58 ± 0,01 mm en een bolvorm van 0,03 ± 0,00 mm. De formulering vertoonde veelbelovende zwevende en afgevende eigenschappen in vitro. Met een zeer laag cumulatief percentage kralen was de olie EE van 90,13% ± 0,93% hoog, en de afgiftestudie toonde meer dan 90% aan in pH 6,8 met een goed drijvend karakter in de maag. Bovendien waren de kralen gelijkmatig verdeeld over de darm. De elektrospray-aanpak die in dit protocol wordt gebruikt, kan reproduceerbaar zijn en consistente resultaten opleveren. Daarom kan dit protocol worden gebruikt voor grootschalige productie voor commercialiseringsdoeleinden.
Inleiding
Zwart zaad, en meer in het bijzonder BSO, wordt al eeuwenlang gebruikt om een breed scala aan ziekten te genezen vanwege de gevestigde geneeskrachtige eigenschappen. Thymoquinone is misschien wel een van de belangrijkste fytochemicaliën die in BSO1 worden aangetroffen. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers de potentiële therapeutische voordelen van thymoquinone in vivo en in vitro bestudeerd en empirisch bewijs geleverd om het gebruik van BSO te ondersteunen. Antihypertensieve, antibacteriële, antihistaminische, schimmelwerende, pijnstillende, antidiabetische, lipidenverlagende en ontstekingsremmende eigenschappen zijn allemaal aangetoond door deze onderzoeken voor BSO, die kunnen worden gebruikt voor de behandeling van symptomen zoals eczeem, hoge bloeddruk, astma, hoesten, hoofdpijn, griep, koorts, kankerbestrijdendheid, duizeligheid en activiteit 2,3.
Het aanbrengen van relatief dunne bedekkingen op kleine druppeltjes van vloeistoffen en dispersies, of deeltjes van vast materiaal, staat bekend als micro-inkapseling. Als het om olie gaat, is micro-ingekapselde olie meestal heel waardevol omdat sommige vormen van olie, zoals BSO, worden beschouwd als voedzaam voedsel en medicinale voordelen bieden4. Het rechtstreeks toevoegen van olie aan de matrix van het voedsel kan echter leiden tot vervluchtiging, waardoor activiteiten snel kunnen verdwijnen als gevolg van blootstelling aan zuurstof en UV-licht5. Bovendien resulteert het gebrek aan controle over de afgiftesnelheid van de oliën in een onmiddellijk en voorbijgaand effect. Het creëren van een polymere coating rond de etherische olie door micro-inkapseling of microsferificatie is een methode om deze nadelen te omzeilen6.
Microcapsules, ook wel microsferen genoemd, beschermen de oliën tegen schadelijke omgevingsinvloeden7. Dit proces wordt veel gebruikt om de werkzaamheid van geneesmiddelen te vergroten, de inhoud van geneesmiddelen te behouden, tabletten met vervaldatum mogelijk te maken, smaakmaskering te verbeteren, smaakverlies tijdens de houdbaarheid van het product te verminderen, het mondgevoel te verlengen en onverenigbare ingrediënten in een enkele dosering te scheiden8. Micro-inkapseling helpt ook bij het handhaven van de metabole absorptie, het beheersen van de snelheid van het vrijkomen van olie en het handhaven van de juiste concentraties om het beoogde resultaat op een bepaalde locatie te verkrijgen9.
Elektro-hydrodynamische inkapseling is een eenvoudige en aanpasbare methode. De werkzame stof is gehuisvest in de binnenkern van een microcapsule, die is samengesteld uit een buitenomhulsel. In dit opzicht beschikt het over een vrij sterke matrix om te garanderen dat de actieve component effectiever kan worden verspreid in plaats van een duidelijk gedefinieerde kern. Voorafgaand aan de sfericyclatie moeten de werkzame stof en de polymeeroplossing worden gecombineerd om de microsferen9 te produceren. Aan de andere kant, omdat olie vluchtig is, kan het micro-inkapselen ervan buitengewoon moeilijk zijn en vereist het een zorgvuldige temperatuurregeling.
Er zijn verschillende methoden om oliën in te kapselen. Bepaalde oliën moeten bijvoorbeeld bij lage temperaturen worden ingekapseld om de afbraak of vervluchtiging van hun bioactieve componenten te voorkomen. Om structuren van micro- en nanoformaat te creëren, is elektrohydrodynamische verneveling (EHDA) uitgebreid bestudeerd door onderzoekers10. In die zin zijn de verwerkingsomstandigheden, waaronder het debiet, de toegepaste spanning en de grootte van de nozzle, evenals de eigenschappen van de verzamelafstand van de polymere oplossing, de twee primaire factoren waarmee rekening moet worden gehouden om de gewenste deeltjesgrootte of morfologie te produceren11,12.
In dit onderzoek werden alginaten - een soort natuurlijk voorkomende polysacchariden die geschikt zijn voor orale inname - gebruikt om de BSO in te kapselen. Bruine zeewieren bevatten alginaat, een anionisch polymeer dat van nature voorkomt. Het bestaat uit twee monomere structuren: α-L-guluronzuur (G) en 1-4βD-mannuronisch (M) zuur13. Het polymeer is niet giftig14, heeft een hoge mate van biocompatibiliteit, is goedkoop en wordt effectief afgebroken15. Het wordt dan ook vaak gebruikt in de biotechnologie- en engineeringsector.
Alginaten zijn het materiaal bij uitstek voor inkapseling door ionische gelering, omdat ze een verknoopte structuur kunnen creëren tussen de G-groepen van verschillende alginaatketens door ionische verbindingen te vormen met tweewaardige kationen zoals Sr2+-, Ca2+- ofZn2+-ionen. Het geleeringsproces kan adequaat worden gekarakteriseerd door het eierdoosmodel, dat het tweewaardige kation beperkt tot twee carboxylgroepen op de zij-aan-zij alginaatmoleculen. Er is gesuggereerd dat de hydrogeleigenschappen van natriumalginaatkorrels de afgifte van macromoleculen en kleine moleculen kunnen reguleren. De natriumalginaatkorrels kunnen vanwege hun muco-adhesieve eigenschappen gedurende langere tijd aan het darmslijmvlies blijven kleven. Bovendien biedt alginaat een schild dat oliën kan beschermen tegen externe elementen zoals zure media16 en oliën overbrengt naar de afgiftekanalen van het maagdarmkanaal17. Sindsdien is het gebruikt in onderzoek om te helpen bij de plaatsspecifieke toediening van medicatie aan slijmvliesweefsels 18,19.
De elektro-hydrodynamische benadering werd in deze studie gebruikt om de levensvatbaarheid te onderzoeken van het emulgeren van commerciële oliën om capsules te maken20. Hier werd de elektro-hydrodynamische benadering gebruikt om alginaat-BSO-geladen microsferen te genereren en te analyseren20. Deze studie evalueerde een aantal andere factoren, waaronder de SF , ex-vivo, muco-adhesieve eigenschappen, EE%, fysiek uiterlijk, grootteverdeling en zeta-potentieel van de microsferen; verzwakte totale reflectie-Fouriertransformatie infrarood (ATR-FTIR) spectroscopie werd gebruikt om te testen op chemische compatibiliteit20.
Protocol
1. Bereiding van alginaat-BSO-emulsie
- Dispergeer 10% w/v BSO in 1% g/v natriumalginaatoplossing met 1, 3 en 5% g/v lecithine in een bekerglas van 50 ml.
- Verkrijg een nano-emulsie met behulp van een ultrasone homogenisator. Stel het vermogensniveau in op 20%. Laat de homogenisator 55 s draaien door op de startknop te klikken om het proces te voltooien.
2. Karakterisering van alginaat-BSO-emulsie
- Analyseer de zètapotentiaal en deeltjesgrootteverdeling
- Neem 0,1 ml van de vers bereide emulsie in een glazen bekerglas van 25 ml en verdun deze met 9,9 ml gedestilleerd water.
- Doe 2,5 ml van deze verdunde oplossing in een kwartscuvet van 3 ml en plaats de cuvet in een maatkamer.
- Open het deksel en plaats de cuvet in het apparaat, waarbij u ervoor zorgt dat de cuvet correct is gericht ten opzichte van het pad van de lichtstraal. Klik op het maatpictogram .
- Haal de cuvet eruit. Haal het monster op of gooi het op de juiste manier weg.
- Sla de gegevens op als pdf-bestand in een persoonlijke map voor verder gebruik.
- Bepaal de stabiliteit van de emulsie (ES)
- Neem 5 ml vers bereide emulsie in centrifugebuisjes van 10 ml. Centrifugeer de emulsies (n = 3) gedurende 5 minuten bij 894 × g.
- Bepaal met behulp van vergelijking (1) de ES op basis van de positie van de fasescheidingsinterface.
(1)
Waarbij Vemul het volume van de resterende emulsie na centrifugatie is en Vinitial het volume van de initiële emulsie.
- Kralen voorbereiding
- BSO alginaat kralen
- Bereid BSO-alginaatkorrels voor met behulp van de elektrospray-techniek die EHDA wordt genoemd. Gebruik een BSO-emulsie per volume (w/v) die is samengesteld uit 10% BSO, 1% natriumalginaat en 3% lecithine-oplossing).
- Gebruik een spuitpomp om het debiet te regelen, vul de emulsie in een plastic spuit van 10 ml en duw deze door een naald van 22 G. Bevestig de naaldpunt aan de positieve elektrode van een hoogspanningsvoeding.
- Gebruik als opvangbak een geaard bekerglas met 50 ml 1% 1% g/m calciumchloride (geleerbad) erin. Wissel het druppeldebiet af tussen 1 ml/min en 3 ml/min bij spanningen van 3, 5 en 7 kV met behoud van een afstand van 10 cm boven het oppervlak van de calciumchlorideoplossing.
- Om de volledige geleering te bevestigen, laat u de kralen 30 minuten in het geleerbad liggen terwijl u ze roert. Gebruik een roestvrijstalen filter om de kralen uit het geleerbad te verwijderen en was de verzamelde kralen met ultrapuur gedestilleerd water.
- Laat de kralen 16 uur drogen bij kamertemperatuur op een laboratoriumbankje. Gebruik vergelijking (2) om het percentage opbrengst van kralen te berekenen.
(2)
- BSO-vrije alginaat kralen
- Bereid een 1% g/v oplossing van natriumalginaat. Voeg lecithine in concentraties van 1%, 3% en 5% g/v toe aan de oplossing. Meng de oplossing grondig totdat de lecithine volledig is opgelost.
- Gebruik de oplossing uit stap 2.3.2.1 om BSO-vrije alginaatkorrels te bereiden zoals beschreven in de stappen 2.3.1.2-2.3.1.5. Bereken de opbrengst met behulp van vergelijking (2).
- BSO alginaat kralen
3. Karakterisering van kralen
- Bepaling van grootte en vorm
- Gebruik een beeldanalysator om de grootte en vorm van de kralen vast te stellen. Maak foto's met een digitale camera van de natte en gedroogde kralen.
- Meet vervolgens de diameter van de kraal met behulp van de vooraf geïnstalleerde schaalbalk van het instrument. Bereken aan de hand van de diameterwaarden de SF uit de verkregen diameterwaarden met behulp van vergelijking (3):
SF =
(3)
Waarbij Dmax staat voor de grootste diameter die door het midden van een kraal gaat (in mm), terwijl Dper verwijst naar de diameter die loodrecht op Dmax staat en door het midden van de kraal gaat (in mm).
OPMERKING: Een SF van nul geeft een ideaal bolvormige kraal aan, waarbij toenemende SF-waarden een grotere afwijking van een bolvorm betekenen. Bovendien worden kralen als bolvormig beschouwd als hun SF 0,05 of lager is.
4. Bepaling van EE%
- Desintegreer de kralen in fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) om ze terug te brengen naar emulsie. Meet de absorptie van de resulterende emulsie bij 600 nm met behulp van een UV-vis-spectrofotometer.
- Gebruik de absorptiewaarde om de troebelheid van de emulsie weer te geven. Maak een standaardcurve met behulp van een bekende hoeveelheid BSO in de emulsie.
- Bereken het EE% met behulp van vergelijking (4):
(4)
5. Scanning elektronenmicroscopie (SEM)
OPMERKING: Gebruik SEM om de microstructuur en oppervlaktemorfologie van de BSO-alginaatkorrels te observeren.
- Om de binnenkant van de gedroogde kralen te inspecteren, knip je er een paar uit. Zoek de gesneden kralen op aluminium stompjes en plak ze met koolstofplakband.
- Sputter de kralen met een koolstofsputtermodule in een vacuümverdamper in een argonatmosfeer. Breng een dikte van 100 Å en 50 Å aan voor de carboncoating.
- Maak beelden van de gecoate parels bij hoog vacuüm met een spanningsversneller tussen 10 kV en 15 kV.
6. Bepaal de interactie tussen geneesmiddel en hulpstof met behulp van ATR-FTIR
- Stel de golfgetallen van het instrument in tussen 4.000 cm−1 en 400 cm−1 met omgevingslucht als achtergrond en een resolutie van 1 cm−1. Zie aanvullend bestand 1.
- Registreer spectra van BSO, natriumalginaat, lecithine, calciumchloride, BSO-vrije kralen, alginaat-BSO-kralen en fysisch mengsel van actief ingrediënt en hulpstoffen (natriumalginaat, lecithine, calciumchloride en BSO) afzonderlijk.
- Plaats het monster (5-10 mg) op het bemonsteringsgebied. Pas 20 scans aan, resolutie 4, meetkracht 80, drukarm met een platte punt. Controleer of de optie Automatische verhoging ingesteld blijft op de optie Leeg , zodat het spectrum automatisch wordt opgeslagen in de gewenste map.
- Om de monstermeting te starten, klikt u op de knop [Monster]. Zorg er na het selecteren van [Sample] voor dat het monster klaar is en dat de drukklem is verminderd, aangezien er geen wachttijd is. Analyseer alle monsters afzonderlijk. Analyseer alle opgenomen spectra afzonderlijk met behulp van spectroscopiesoftware.
7. Differentiële scanningcalorimetrie (DSC)
OPMERKING: De thermische eigenschappen en compatibiliteit van de BSO-geladen kralen werden onderzocht met behulp van DSC (aanvullend bestand 1).
- Sluit kralen met een gewicht van ~ 3,20 mg af in een gewone aluminium pan. Verwarm de monsters met een snelheid van 10 °C/min terwijl ze worden geanalyseerd bij een temperatuurbereik van 50-350 °C onder een stikstofstroom die met een snelheid van 20 l/min stroomt.
8. Zwellingseigenschappen van kralen
- Bereid 100 mg gedroogde alginaat-BSO-korrels.
- Bereid gesimuleerde darmvloeistof (SIF) en gesimuleerde maagvloeistof (SGF) in een schoon, droog mengvat van een geschikte grootte - 6 L, 10 L of 25 L. Voeg gezuiverd water toe tot ongeveer 33% van het vereiste volume - 2 L, 3 L of 8 L, en breng de inhoud van de fles concentraat over in het vat. Spoel de fles af met gezuiverd water en voeg de spoelingen en het gezuiverde water toe aan het mengvat om het gewenste volume te verkrijgen; Meng. Meet de pH en ga verder als deze binnen de specificatie valt; pas de pH indien nodig aan.
- Dompel de kralen onder in 50 ml media met gesimuleerde darmvloeistof (SIF) en gesimuleerde maagvloeistof (SGF). Houd de omstandigheden gedurende 2 uur aan bij 37 ± 0,5 °C.
- Verwijder de opgeblazen kralen en filtreer ze door een metalen gaas met vooraf gedefinieerde intervallen van 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 en 120 minuten of meer. Gebruik een papieren handdoek om extra vocht van de gezwollen kralen te verwijderen.
- Meet het gewicht van afgeveegde kralen met behulp van een elektronische analytische balans. Bepaal het percentage van de zwellingsindex (%SI) met behulp van vergelijking (5):
(5)
Resultaten
Bereiding van BSO-geladen alginaatmicrobeads
Figuur 1 geeft de experimentele opstelling weer om BSO-geladen alginaatmicrobeads te bereiden. De gebruikte hoeveelheid lecithine had een aanzienlijke invloed op de stabiliteit van de BSO-emulsie. Emulsies gemaakt met alle drie de lecithineconcentraties waren relatief stabiel. De centrifugatiemethode (894 × g, 5 min) werd in dit experiment gebruikt om de stabiliteit van de emulsie20 te beoordelen. De resultaten bevestigden dat oppervlakteactieve stof, en niet centrifugatie, een grotere impact had op de stabiliteit van BSO-emulsie. De zetapotentiaal en de deeltjesgrootteverdeling van de emulsie werden gekarakteriseerd zoals weergegeven in tabel 1 en figuur 2.
Karakterisering van kralen
Grootte, vorm en EE
De grootte, vorm en EE van de geformuleerde microbeads zijn samengevat in tabel 2. De gedroogde kralen varieerden van 1,86 ± 0,02 mm (F2 en F3) tot 0,58 ± 0,01 mm (F8), en de natte kralen lagen tussen 4,76 ± 0,01 mm (F3) en 1,50 ± 0,02 mm (F8). De elektrische spanning en het emulsiedebiet waren twee van de belangrijkste parameters die de grootte en bolvormigheid van de kralen beïnvloedden. Zowel de SF als de grootte van de kralen namen toe met een verhoogd debiet, terwijl deze variabelen afnamen met een verhoogde elektrische spanning. Desalniettemin daalden de SF en de kraalgrootte niet op een bepaald punt waarop de elektrische spanning en het debiet beide evenredig werden verhoogd. Uit deze studie blijkt dat kralen die worden geproduceerd met een debiet van 2 ml/min en een elektrische spanning van 7 kV constant dezelfde grootte, vorm en gewicht hebben. De onderzoekers maten de kraalgrootte en ontdekten dat deze 0,58 ± 0,01 mm was. Voor zowel natte als droge korrelformuleringen varieerde de EE van 67,20 ± 1,46% (F1) tot 104,50 ± 4,04% (F8) en van 59,92 ± 0,90% (F1) tot 90,13 ± 0,93% (F8), in die orde. Het aandeel EE steeg samen met de spanning en het debiet, wat kan worden verklaard door de hoge spanning, die de binding van de vernetting aan de CaCl 2-geleeroplossing verhoogde en extra ruimtes voor ionische verknoping produceerde. Als gevolg hiervan werd meer olie opgesloten en werd olielekkage uit de polymeermatrix voorkomen.
Uniformiteit van het hielgewicht
De gewichtsvariatiecoëfficiënten van alginaatkorrels geladen met BSO varieerden van 1,37% tot 3,93%. Volgens het laatste onderzoek verschilde het gemiddelde gewicht van alle BSO-geladen kralen niet meer dan 5%.
ATR-FTIR
Om de interactie binnen ingrediënten te bepalen, werd ATR-FTIR uitgevoerd (Figuur 3). Natriumalginaat vertoonde karakteristieke spectrale banden op 3400 cm-1 voor O-H stretching en op 1595 en 1408 cm-1 voor C=O en C-C groepen als gevolg van rekkende trillingen. In een eerder onderzoek werden ook twee verschillende banden gevonden op 1600 en 1405 cm-1, die verband hielden met respectievelijk de symmetrische en asymmetrische rektrillingen van de -COOH-groepen. Bovendien was de C-H-groep verantwoordelijk voor de banden die te zien waren in de natriumalginaatspectra op 1316 en 1025 cm-1. Daarentegen onthulden de lecithinespectra drie banden op 2922, 2853 en 1465 cm-1, overeenkomend met de C=O-, C-H- en C-C-groepen. De BSO-pieken die het meest opvielen, werden gevonden op 2953 en 2853 cm-1 (C-H in CH2 en C=C-H, corresponderend). Bovendien, omdat koolstofketens veel voorkomen in vetzuren, suggereerden de banden die ontstonden bij 1.753, 1.653 en 1.453 cm-1 respectievelijk C = O, C = C en C-H.
DSC
DSC-analyse werd gebruikt om het temperatuurgedrag te bepalen van alginaatkorrels geladen met BSO en hun interacties met andere extracten tijdens het bereidings- en ontwikkelingsproces. De afbraak van polyelektrolyten wordt veroorzaakt door depolymerisatie- en dehydratieprocessen, hoogstwaarschijnlijk polyelektrolytoxidatiereacties en gedeeltelijke decarboxylering van de geprotoneerde carboxylgroepen (Figuur 4).
SEM
Met behulp van SEM werden beelden van het oppervlak van de gedroogde kralen die waren geoptimaliseerd met BSO-laden op camera vastgelegd. Dit toonde aan dat de kralen een glad oppervlak hadden, bolvormig waren en talrijke poriën en kanalen over hun buitenste laag hadden (Figuur 5).
Zwelling van de kraal
Zwelling van de kraal is een significant gedrag dat het afgiftepatroon van polymere materialen beïnvloedt21. Om de SB te evalueren, werden kralen met BSO getest in SGF (0,1 N HCl, pH 1,2) en SIF (pH 6,8) (Figuur 6).
Alginaat krimpt in een zure pH kan verantwoordelijk zijn voor de eerste verminderde zwellingsindex van parelformuleringen F1 tot F9 in SGF in vergelijking met SIF, wat wijst op een pH-gevoelige SB. Bijgevolg vertoonden de kralen na 30-90 minuten een hoger percentage SI in SIF. De SB van de korrels in een alkalische pH kan worden verklaard door de uitwisseling van calciumionen, waarbij de aanwezigheid van calciumbindende fosfaationen de carboxylgroepen van de verknoopte alginaatlecithinematrix bindt aan de natriumionen in fosfaatbuffer. Bovendien vielen de opgeblazen verknoopte BSO-geladen alginaatkorrels uiteen en erodeerden ze in 100-110 minuten, en om 120 minuten waren alle formuleringen volledig geërodeerd.
Het primaire doel van deze studie is het synthetiseren van met zwarte zaadolie beladen, op alginaat gebaseerde, pH-gevoelige kralen met behulp van elektrospuittechniek om het medicijn vrij te geven waar het normaal wordt geabsorbeerd - in de darm. Bij een zure pH van 1,2 krompen de kralen of behielden ze hun oorspronkelijke vorm, waardoor ze minder geneigd waren om uit elkaar te vallen. In tegenstelling hiermee zwollen BSO-geladen alginaatkorrels snel op bij blootstelling aan SIF (pH 6,8). Na 120 minuten waren alle negen formuleringen (F1-F9) volledig opgelost in de SIF. Dit was het gevolg van de aanwezigheid van fosfaationen in het medium, die de oplosbaarheid van het natriumalginaatcomplex bij hogere pH-waarden verhoogden. De ontkoppeling van alginaat-natrium en de daaropvolgende afbraak van de gel in de fosfaatbuffer werden veroorzaakt door de hogere affiniteit van de fosfaationen voor Ca2+ dan voor alginaationen.
Figuur 1: Experimentele opstelling van de elektrohydrodynamische vernevelingstechniek voor de fabricage van alginaatmicrobeads. Real-time setup voor de productie van kralen en vers bereide natte kralen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Deeltjesgrootteverdeling en zèta-potentieel van met zwarte zaadolie beladen emulsie. (A) Grootteverdeling en (B) zeta-potentiaalverdeling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Verzwakte totale reflectie-Fouriertransformatie infraroodspectra. (A) BSO, (B) natriumalginaat, (C) lecithine, (D) calciumchloride, (E) BSO-vrije korrels, (F) alginaat-BSO-korrels en (G) fysisch mengsel van actief ingrediënt en hulpstoffen (natriumalginaat, lecithine, calciumchloride en BSO). Afkorting: BSO = zwarte zaadolie. Dit cijfer is aangepast ten opzichte van Azad et al.20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Differentiële scanning calorimetrie (DSC) thermogram. (A) BSO-vrije kralen en (B) BSO-geladen kralen. Dit cijfer is aangepast ten opzichte van Azad et al.20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Microfoto's van scanning-elektronen. (A, B) Alginaat-BSO gedroogde kralen met gladde oppervlaktemorfologie (25x en 100x); de aanwezigheid van poriën en kanalen gezien in de gedroogde kralenschijf met een vergroting van (C) 100x en (D) 500x. Schaalbalken = 100 μm (A-C), 20 μm (D). Dit cijfer is aangepast ten opzichte van Azad et al.20. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Zwellingsgedrag van geoptimaliseerde met zwarte zaadolie beladen alginaatkorrels. (A) Zure media (pH 1,2) en (B) buffermedia (pH 6,8) [gemiddelde ± SD, n = 3). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| % lecithine conc. | Deeltjesgrootte (nm) | PDI | Zeta-potentiaal (mV) | ES (%) | |||
| Voor | Na centrifugeren | Voor | Na centrifugeren | Voor | Na centrifugeren | ||
| 1 | 253.32±4.65 Overige | 282.93±14.11 Overige | 0,392±,03 | 0.333±.06 | -43.1±.36 Zoekertjes | -37.6±2.2 | 92.50±0.23 |
| 3 | 334.51±12.82 Overige | 347.44±15.14 Overige | 0,315±,04 | 0,358±,12 | -46,9±2,26 Zoekertjes | -43,5±1,32 Zoekertjes | 94,83±0,42 Overige |
| 5 | 430.13±14.23 Overige | 463.23±8.91 Overige | 0,422±,04 Zoekertjes | 0.548±.11 | -51,4±2,75 Zoekertjes | -45±1.01 Huishoudelijke apparaten | 96.50±0.40 uur |
Tabel 1: Deeltjesgrootteverdeling en zèta-potentiaalanalyse van met zwarte zaadolie beladen emulsie. *(n = 3, gemiddelde ± SD). Afkortingen: PDI = polydispersiteitsindex; ES = stabiliteit van de emulsie.
| Code | Spanning (kV) | Debiet (ml/min) | Kraalmaata (mm) | Sfericiteitsfactora (mm) | Inkapselingsefficiëntiea (%) | |||
| Nat | Droog | Nat | Droog | Nat | Droog | |||
| Formule 1 | 3 | 1 | 4.47±0.01 | 1.82±0.01 | 0,02±0,00 uur | 0,04±0,00 uur | 67.20±1.46 Overige | 59,92±0,90 Overige |
| Formule 2 | 3 | 2 | 4.52±0.03 | 1.86±0.02 Zoekertjes | 0,01±0,00 | 0,03±0,00 uur | 68.22±3.09 | 65.89±1.57 Overige |
| Formule 3 | 3 | 3 | 4.76±0.01 | 1.86±0.01 | 0,02±0,01 | 0,04±0,00 uur | 70,76±0,86 Overige | 66.34±1.89 Overige |
| Formule 4 | 5 | 1 | 3.12±0.01 | 0,99±0,04 uur | 0,02±0,01 | 0,01±0,01 | 70,11±0,51 Zoekertjes | 70,11±0,51 Zoekertjes |
| F5 | 5 | 2 | 2.83±0.05 | 0,80±0,02 | 0,02±0,01 | 0,02±0,02 | 86.89±1.67 Overige | 86.89±1.67 Overige |
| Formule 6 | 5 | 3 | 3.30±0.01 uur | 0,90±0,02 | 0,03±0,01 | 0,01±0,01 | 86,63±0,83 Overige | 86.12±0.15 |
| Hoofdstuk 7 | 7 | 1 | 1.86±0.02 Zoekertjes | 0,72±0,01 | 0,01±0,00 | 0,04±0,00 uur | 82.16±2.50 uur | 78,67±0,90 Overige |
| F8 | 7 | 2 | 1.50±0.02 Zoekertjes | 0,58±0,01 | 0,02±0,00 uur | 0,03±0,00 uur | 104.50±4.04 Overige | 90.13±0.93 |
| Hoofdstuk 9 | 7 | 3 | 2.58±0.05 | 0,93±0,01 | 0,02±0,00 uur | 0,03±0,01 | 96.04±3.61 Overige | 89,82±154 Overige |
Tabel 2: Effect van spanning (kV) en debiet (ml/min) op de grootte van de parel, de bolvormfactor en de inkapselingsefficiëntie. n = 3, gemiddelde ± S.D. Deze tabel is gewijzigd ten opzichte van Azad et al.20.
Aanvullend bestand 1: Meting van deeltjesgrootte en -verdeling, ATR-FTIR en DSC. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Discussie
Met behulp van het EHDA-proces werden BSO-geladen alginaatmicrobeads gemaakt als een pH-gevoelige drager. Het netwerk van de kralen vertoonde pH-afhankelijke zwelling en medicijnafgifte als gevolg van de overvloedige aanwezigheid van carbonzuurgroepen. De sterke intermoleculaire waterstofbinding tussen de polymeerketens bleek de reden te zijn achter het verminderde zwellingskarakter van BSO-geladen kralen bij pH 1,2. BSO-geladen kralen kunnen baat hebben bij deze verlaagde SB voor pH-gevoelige medicatietoediening. De pH had invloed op de BSO die vrijkwam uit de bolletjes die BSO bevatten. Deze bevindingen suggereren dat BSO-geladen kralen een veilige methode voor orale medicatietoediening kunnen bieden voor betere, gerichte toediening van geneesmiddelen aan de darmen.
De deeltjesgrootte van de emulsie nam toe met een toename van de lecithineconcentratie. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de stijging van de viscositeit die gepaard gaat met hogere lecithineniveaus, wat van invloed kan zijn op de verkleiningsmogelijkheden van de ultrasone homogenisator. Bovendien dragen verhoogde lecithineconcentraties bij aan een dichtere laag oppervlakteactieve stoffen rond de oliedruppels, wat resulteert in grotere deeltjesgroottes. Het microscopische uiterlijk van de emulsie suggereert dat de emulsies hun stabiliteit goed behielden. De concentratie van lecithine kan de verdeling van de deeltjesgrootte en het zètapotentieel20 beïnvloeden. De emulsies vertoonden een niet-homogene deeltjesgrootteverdeling, wat te wijten kan zijn aan de handmatige sonicatieprocedure. Zeta-potentiaal speelt een sleutelrol bij het handhaven van de stabiliteit van colloïdale systemen21. De druppeltjes in de emulsie vertoonden een significant negatieve lading, die kan worden toegeschreven aan de negatieve lading van het alginaat die voortkomt uit de hydroxyl- en carboxylfunctionele groepen binnen de moleculaire structuur22.
Bij de karakterisering van de microbeads zijn grootte, vorm en EE belangrijke parameters die worden beïnvloed door de verwerkingsomstandigheden. De relatie tussen de elektrische spanning, het emulsiedebiet en de resulterende eigenschappen van de microbeads duidt op een complex samenspel dat de uiteindelijke eigenschappen van de kralen bepaalt. Bij het verhogen van het debiet nemen ook de korrelgrootte en SF toe. Aan de andere kant verkleint het verhogen van de elektrische spanning de kraalgrootte en SF, maar verhoogt EE. Als de elektrische spanning en het debiet echter proportioneel worden verhoogd, nemen de korrelgrootte en SF niet af op een specifiek punt20. Het vermogen tot vernetting aan de buitenkant van de alginaatkorrels speelt ook een belangrijke rol bij het verbeteren van de EE voor oliën in alginaat. Een eerdere studie toonde een optimale EE van 98,30% aan voor lijnolie ingekapseld in alginaatkralen die in de oven waren gedroogd, met kralengroottes variërend tussen 1,90 mm en 2,94 mm en een SF tussen 0,044 en 0,168. Ondanks deze hoge inkapselingsefficiëntie bleek de afgifte van het geneesmiddel op de beoogde plaats in het spijsverteringskanaal slechts 83% te zijn23. Een ander onderzoek leverde een vergelijkbare EE van 98,7% op, met kraalmaten van 2,13 mm en een SF van 0,08 mm. Omgekeerd vertoonden de droge, elektrosprayed alginaatkorrels geladen met BSO in deze studie een EE van 90,13 ± 0,93%, waarbij meer dan 90% van de stof met succes werd vrijgegeven op de beoogde plaats in de SIF, volgens onze releasestudie. Dit suggereert dat onze alginaatkralen effectief in staat waren om BSO in te kapselen en bijna volledig af te geven op de gewenste locatie24.
Volgens de normen van de USP Pharmacopeia voldeden alle formuleringen (F1-F9) aan de eisen voor gewichtsuniformiteit25. Deze uniformiteit in gewicht weerspiegelt een consistente inkapseling van BSO in de alginaatkorrels, vergemakkelijkt door het gebruik van elektrohydrodynamische technieken. De optimale grootte en vorm van de parel, geschikt voor orale toediening, werden bereikt onder specifieke omstandigheden, wat het belang van nauwkeurig gecontroleerde productieprocessen aantoont. Bovendien suggereert de EE, die varieerde met spanning en stroomsnelheid, dat de procesparameters kunnen worden verfijnd om de BSO-inkapseling te maximaliseren. Dit heeft aanzienlijke implicaties voor de biologische beschikbaarheid en effectiviteit van de ingekapselde verbinding, waarbij een hogere inkapselingsefficiëntie mogelijk leidt tot betere therapeutische resultaten.
De uniformiteit in korrelgewicht, samen met de ATR-FTIR en SEM analyses, geeft inzicht in de consistentie en chemische integriteit van de alginaatkorrels26,27. De ATR-FTIR-analyse bevestigde de aanwezigheid van belangrijke functionele groepen en de succesvolle opname van BSO in de alginaatmatrix28, terwijl SEM-beelden de bolvorm en het gladde oppervlak van de kralen illustreerden, essentieel voor consistent afgiftegedrag. De SB-studie illustreerde de pH-gevoelige zwellingseigenschappen van de kralen, wat significant is voor gerichte afgifte van geneesmiddelen in de darm, zodat BSO wordt vrijgegeven waar het het meest effectief kan worden opgenomen29. Dit pH-responsieve gedrag illustreert het potentieel van op alginaat gebaseerde microbeads als een veelbelovend afgiftesysteem voor BSO, waardoor gerichte, gecontroleerde afgifte in het maagdarmkanaal mogelijk wordt.
Als gevolg van de succesvolle ontwikkeling van pH-gevoelige alginaatkorrels door de studie voor de gereguleerde afgifte van zwarte zaadolie, wordt de toediening van thymoquinon voor de behandeling van darmkanker benadrukt. De productie van korrels van uniforme grootte met de gewenste zweleigenschappen en een goede inkapselingsefficiëntie werd vergemakkelijkt door de toepassing van elektrospraytechnologie. Deze kralen vertoonden goede drijvende eigenschappen, zoals blijkt uit een afgiftepercentage van meer dan 90% in een omgeving met een pH van 6,8, wat een gerichte afgifte in het maagdarmkanaal garandeert. De bevindingen wijzen op een mogelijke strategie om de biologische beschikbaarheid van zwarte zaadolie te verhogen en tegelijkertijd de vroege afgifte in de maag te verminderen. Deze techniek heeft veel potentieel voor grootschalige productie en opent de deur voor mogelijke commercialisering van kankerbehandelingen in de toekomst.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.
Dankbetuigingen
Deze studie werd ondersteund door Princess Nourah bint Abdulrahman University Researchers Supporting Project number (PNURSP2024R30), Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riyadh, Saoedi-Arabië. Dit onderzoek werd gefinancierd door de Researchers Supporting Project number (RSPD2024R811), King Saud University, Riyadh, Saoedi-Arabië.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 10 mL Centrifuge Tubes | Globe Scientific | 22-171-624 | |
| 22 G naald | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | CAD4172 | |
| 3 mL kwarts-cuvet | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | Z276669 | |
| 50 mL beker | |||
| Aluminium stubs | |||
| Een elektronische analytische weegschaal | |||
| ATR-FTIR | Bruker Malaysia Sdn Bhd, Kawasan Perindustrian Temasya, 40150 Shah Alam, Selangor, Maleisië. | ||
| Zwarte zaadolie | IKOP Pharmaceutical Ltd. (IKOP, Faculty of Pharmacy, IIUM, 25200 Kuantan, Pahang, Maleisië) | B182111 | Actief bestanddeel |
| Calciumchloride dehydraat, CaCl2 · 2H2O | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | 21074 | Geleermiddel |
| Koolstof kleefbandjes | |||
| Centrifuge | |||
| Differentiële scanning calorimetrie | |||
| Digitale camera | |||
| Geaard bekertje | |||
| Natriumalginaat met hoog guluronzuurgehalte (mw. 97.000) met medium viscositeit (40 – 100 mPa s) | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | W201502 | Polymeer |
| Hogedrukvoeding | |||
| Isopropylalcohol | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | W292912 | ATR-FTIR schoonmaakdoeleinden |
| Lecithine | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | P7568 | Oplosmiddel |
| Microscoop | |||
| Papieren handdoek | |||
| Scanning elektronenmicroscopie | |||
| Gesimuleerd maagsap | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | 1651 | Vrijgegeven media en zwellingsmedia |
| Gesimuleerd darmsap | Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). | 84082-64-4 | Vrijgegeven media en zwellingsmedia |
| Spectroscopiesoftware | |||
| Roestvrijstalen filter | |||
| Spuitpomp | SEN JIN SDN BHD Maleisië, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Maleisië | ||
| Ultrapuur gedestilleerd water | Geleverd door institutioneel lab | ||
| Ultrasoon homogenisator | SEN JIN SDN BHD Maleisië, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Maleisië | ||
| UV-vis spectrofotometer. | |||
| Vacuum verdamper | SEN JIN SDN BHD Maleisië, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Maleisië | ||
| Spanningsversneller | SEN JIN SDN BHD Maleisië, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Maleisië | ||
| ZetaSizer Nano-ZS | (Malvern Zetasizer Nano-serie Nano-S en Nano-Z, Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, VK) |
Referenties
- Benavides, S., Cortés, P., Parada, J., Franco, W. Development of alginate microspheres containing thyme essential oil using ionic gelation. Food Chem. 204 (8), 77-83 (2016).
- Agbaria, R., Gabarin, A., Dahan, A., Ben-Shabat, S. Anticancer activity of Nigella sativa (black seed) and its relationship with the thermal processing and quinone composition of the seed. Drug Des Devel Ther. 9 (1), 3119(2015).
- Wang, D., Qiao, J., Zhao, X., Chen, T., Guan, D. Thymoquinone inhibits IL-1β-induced inflammation in human osteoarthritis chondrocytes by suppressing NF-κB and MAPKs signaling pathway. Inflammation. 38 (7), 2235-2241 (2015).
- Beyki, M., et al. Encapsulation of Mentha piperita essential oils in chitosan-cinnamic acid nanogel with enhanced antimicrobial activity against Aspergillus flavus. Ind Crop Prod. 54 (3), 310-319 (2014).
- Hosseini, S. M., et al. Incorporation of essential oil in alginate microparticles by multiple emulsion/ionic gelation process. Inter J Biol Macromol. 62 (11), 582-588 (2013).
- Banerjee, S., et al. Influence of process variables on essential oil microcapsule properties by carbohydrate polymer-protein blends. Carbohydr Polym. 93 (2), 691-697 (2013).
- Sebe, I., Szabó, E., Zelkó, R. Advances in drug delivery via electrospun and electrosprayed formulations. In Emerging Drug Delivery and Biomedical Engineering Technologies. , CRC Press. 71-104 (2023).
- Akram, N., et al. Fabrication and characterization of PVA-WPI based nanofiber mats for improved viability of Lactobacillus rhamnosus GG. Foods. 12 (21), 3904(2023).
- Azad, A. K., Sinan, M. A. A., John, F. K., Bappaditya, C., Hriday, B. Electro-hydrodynamic assisted synthesis of lecithin-stabilized peppermint oil-loaded alginate microbeads for intestinal drug delivery. Int J Biol Macromol. 185 (8), 861-875 (2021).
- Chan, E. S. Preparation of Ca-alginate beads containing high oil content: Influence of process variables on encapsulation efficiency and bead properties. Carbohydr Polym. 84 (4), 1267-1275 (2011).
- Xie, J., Jiang, J., Davoodi, P., Srinivasan, M. P., Wang, C. H. Electrohydrodynamic atomization: A two-decade effort to produce and process micro-/nanoparticulate materials. Chem Eng Sci. 125 (3), 32-57 (2015).
- Zamani, M., Prabhakaran, M. P., Ramakrishna, S. Advances in drug delivery via electrospun and electrosprayed nanomaterials. Int J Nanomed. 8 (8), 2997(2013).
- Husain, O., Lau, W., Edirisinghe, M., Parhizkar, M. Investigating the particle to fibre transition threshold during electrohydrodynamic atomization of a polymer solution. Mater Sci Eng. C. 65 (8), 240-250 (2016).
- Wan, L. Q. Calcium concentration effects on the mechanical and biochemical properties of chondrocyte-alginate constructs. Cell Mol Bioeng. 1 (3), 93-102 (2008).
- Baimark, Y., Srisuwan, Y. Preparation of alginate microspheres by water-in-oil emulsion method for drug delivery: Effect of Ca2+ post-cross-linking. Adv Powder Technol. 25 (5), 1541-1546 (2014).
- Paques, J. P., Sagis, L. M. C., van Rijn, C. J. M., van der Linden, E. Nanospheres of alginate prepared through w/o emulsification and internal gelation with nanoparticles of CaCO3. Food Hydrocoll. 40 (10), 182-188 (2014).
- Suksamran, T. Biodegradable alginate microparticles developed by electrohydrodynamic spraying techniques for oral delivery of protein. J Microencapsul. 26 (7), 563-570 (2009).
- Wang, H., et al. Characterization, release, and antioxidant activity of curcumin-loaded sodium alginate/ZnO hydrogel beads. Int J Biol Macromol. 121 (1), 1118-1125 (2019).
- Bera, H., Boddupalli, S., Nayak, A. K. Mucoadhesive-floating zinc-pectinate-sterculia gum interpenetrating polymer network beads encapsulating ziprasidone HCl. Carbohydr Polym. 131 (10), 108-118 (2015).
- Azad, A. K., et al. Encapsulation of black seed oil in alginate beads as a pH-sensitive carrier for intestine-targeted drug delivery: In vitro, in vivo and ex vivo study. Pharmaceutics. 12 (3), 219(2020).
- Azad, A. K., et al. A dataset of microstructure features of electro-hydrodynamic assisted 5-fluorouracil-grafted alginate microbeads and physicochemical properties for effective colon targeted carriers drug delivery. Data in Brief. 53 (4), 110202(2024).
- Danaei, M., et al. Impact of particle size and polydispersity index on the clinical applications of lipidic nanocarrier systems. Pharmaceutics. 10 (2), 57(2018).
- Piornos, J. A., Burgos-Díaz, C., Morales, E., Rubilar, M., Acevedo, F. Highly efficient encapsulation of linseed oil into alginate/lupin protein beads: Optimization of the emulsion formulation. Food Hydrocoll. 63 (2), 139-148 (2017).
- Morales, E. Alginate/Shellac beads developed by external gelation as a highly efficient model system for oil encapsulation with intestinal delivery. Food Hydrocoll. 70 (9), 321-328 (2017).
- Nikoo, A. M., Kadkhodaee, R., Ghorani, B., Razzaq, H., Tucker, N. Electrospray-assisted encapsulation of caffeine in alginate microhydrogels. Int J Biol Macromol. 116 (9), 208-216 (2018).
- Shao, L., et al. Effect of cold-spray parameters on surface roughness, thickness and adhesion of copper-based composite coating on aluminum alloy 6061 T6 substrate. Processes. 11 (3), 959(2023).
- Li, W., et al. Effects of spraying parameters and heat treatment temperature on microstructure and properties of single-pass and single-layer cold-sprayed Cu coatings on Al alloy substrate. Surf Coat Technol. 30 (490), 131184(2024).
- US Pharmacopoeia National Formulary, USP 23/NF 18. , States Pharmacopoeia Convention Inc. Rockville, MD, USA. (2000).
- Chen, Y. -C., Ho, H. -O., Liu, D. -Z., Siow, W. -S., Sheu, M. -T. Swelling/floating capability and drug release characterizations of gastroretentive drug delivery system based on a combination of hydroxyethyl cellulose and sodium carboxymethyl cellulose. PLoS One. 10 (1), e0116914(2015).
Herprints en machtigingen
