Artykuł metodologiczny

Synteza kulek na bazie alginianu, wrażliwych na pH z olejem z czarnuszki przy użyciu techniki elektronatryskiwania

928 wyświetleń

DOI:

10.3791/66958

18 października 2024

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono technikę wykorzystującą wysokie napięcie elektryczne i ukierunkowaną, aktywną emulsję do wytwarzania jednolitych mikrogranulek reagujących na pH.

Streszczenie

Olej z czarnuszki (BSO), pozyskiwany z nasion rośliny Nigella sativa, przyciągnął uwagę ze względu na swoje potencjalne właściwości przeciwnowotworowe, szczególnie w kontekście raka jelita grubego. Jego aktywny związek, tymochinon, może pomóc hamować wzrost komórek rakowych i indukować apoptozę w komórkach raka jelita grubego. Ponadto działanie przeciwzapalne i przeciwutleniające oleju z czarnuszki może przyczynić się do zdrowszego środowiska jelitowego, potencjalnie zmniejszając ryzyko zachorowania na raka. W związku z tym w badaniu zsyntetyzowano wrażliwe na pH kulki alginianowe, aby dostarczyć BSO do jelita grubego w sposób kontrolowany bez uwalniania leku przy pH 1,2 (żołądek), zapewniając w ten sposób dobrze zdefiniowany wzorzec uwalniania przy pH 6,8. Zastosowanie technologii elektronatryskiwania poprawia wydajność procesu, ułatwiając tworzenie małych, jednorodnych kulek o większej szybkości pęcznienia i dyfuzji w podłożu żołądkowo-jelitowym.

Sformułowane koraliki charakteryzowały się testem siły mukoadhezyjnej ex-vivo, rozmiarem kulki, współczynnikiem sferyczności (SF), wydajnością enkapsulacji (EE), skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM), zachowaniem pęcznienia in vitro (SB) oraz uwalnianiem leku in vitro w pożywkach kwaśnych i buforowych. Wszystkie te wyprodukowane koraliki wykazały w tym teście skromne rozmiary 0,58 ± 0,01 mm i kulisty kształt 0,03 ± 0,00 mm. Preparat wykazał obiecujące właściwości unoszenia się i uwalniania in vitro. Przy bardzo niskim skumulowanym odsetku kulek, EE oleju wynoszące 90,13% ± 0,93% było wysokie, a badanie uwalniania wykazało ponad 90% pH 6,8 z dobrym charakterem unoszącym się w żołądku. Dodatkowo koraliki były równomiernie rozmieszczone w całym jelicie. Podejście do elektronatryskiwania zastosowane w tym protokole może być powtarzalne, dając spójne wyniki. Dlatego protokół ten może być wykorzystywany do produkcji na dużą skalę w celach komercjalizacji.

Wprowadzenie

Czarnuszka, a zwłaszcza BSO, była używana od wieków do leczenia wielu chorób ze względu na swoje dobrze znane właściwości lecznicze. Tymochinon jest prawdopodobnie jednym z najważniejszych fitochemikaliów występujących w BSO1. W ostatnich latach naukowcy badali potencjalne korzyści terapeutyczne tymochinonu in vivo i in vitro, przedstawiając dowody empiryczne na poparcie stosowania BSO. Badania wykazały właściwości przeciwnadciśnieniowe, przeciwbakteryjne, przeciwhistaminowe, przeciwgrzybicze, przeciwbólowe, przeciwcukrzycowe, obniżające poziom lipidów i przeciwzapalne dla BSO, które mogą być stosowane w leczeniu objawów takich jak egzema, wysokie ciśnienie krwi, astma, kaszel, ból głowy, grypa, gorączka, przeciwnowotworowe, zawroty głowy i aktywność2,3.

Nakładanie stosunkowo cienkich powłok na małe kropelki płynów i dyspersji, lub cząstek stałego materiału, jest znane jako mikroenkapsulacja. Jeśli chodzi o olej, olej w mikrokapsułkach jest zwykle dość cenny, ponieważ niektóre formy oleju, takie jak BSO, są uważane za pożywne pokarmy i oferują korzyści lecznicze4. Jednak dodawanie olejów bezpośrednio do matrycy żywności może prowadzić do ulatniania się, co może szybko spowodować zanik aktywności w wyniku ekspozycji na tlen i światło UV5. Co więcej, brak kontroli nad szybkością uwalniania olejków skutkuje natychmiastowym i przemijającym efektem. Stworzenie polimerowej powłoki wokół olejku eterycznego poprzez mikrokapsułkowanie lub mikrosferyfikację jest jedną z metod obejścia tych wad6.

Mikrokapsułki, znane również jako mikrosfery, chronią oleje przed szkodliwymi warunkami środowiskowymi7. Proces ten jest szeroko stosowany w celu zwiększenia skuteczności leku, zachowania zawartości leku, umożliwienia tabletek o przedłużonym uwalnianiu, poprawy maskowania smaku, zmniejszenia utraty smaku w okresie trwałości produktu, przedłużenia odczucia w ustach i oddzielenia niekompatybilnych składników w jednej dawce8. Mikrokapsułkowanie pomaga również w utrzymaniu absorpcji metabolicznej, kontrolowaniu szybkości uwalniania oleju i utrzymywaniu odpowiednich stężeń, aby uzyskać zamierzony wynik w określonym miejscu9.

Enkapsulacja elektrohydrodynamiczna jest prostą i elastyczną metodą. Substancja czynna znajduje się w wewnętrznym rdzeniu mikrokapsułki, który składa się z zewnętrznej otoczki. Pod tym względem charakteryzuje się dość mocną matrycą, która gwarantuje, że składnik aktywny może być rozprowadzany bardziej efektywnie, a nie jasno określone jądro. Przed sferycyklacją substancja czynna i roztwór polimeru muszą zostać połączone w celu wytworzenia mikrosfer9. Z drugiej strony, ponieważ olej jest lotny, jego mikrokapsułkowanie może być niezwykle trudne i wymaga starannej kontroli temperatury.

Istnieją różne metody kapsułkowania olejów. Na przykład niektóre oleje muszą być kapsułkowane w niskich temperaturach, aby zapobiec rozkładowi lub ulatnianiu się ich bioaktywnych składników. Aby stworzyć struktury o rozmiarach mikro i nano, atomizacja elektrohydrodynamiczna (EHDA) była szeroko badana przez naukowców10. W tym sensie warunki przetwarzania, które obejmują natężenie przepływu, przyłożone napięcie i rozmiar dyszy, a także właściwości odległości zbierania roztworu polimerowego, są dwoma podstawowymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę, aby uzyskać pożądaną wielkość lub morfologię cząstek11,12.

W tym badaniu, alginiany -- rodzaj naturalnie występujących polisacharydów nadających się do doustnego spożycia -- zostały użyte do enkapsulacji BSO. Brązowe wodorosty zawierają alginian, anionowy polimer, który występuje naturalnie. Składa się z dwóch struktur monomerycznych: kwasu α-L-guluronowego (G) i kwasu 1-4βD-mannuronowego (M)13. Jego polimer jest nietoksyczny14, ma wysoki stopień biokompatybilności, jest niedrogi i skutecznie ulega degradacji15. Dlatego jest często stosowany w sektorach biotechnologii i inżynierii.

Alginiany są materiałem wybieranym do enkapsulacji przez żelowanie jonowe, ponieważ mogą tworzyć usieciowaną strukturę między grupami G różnych łańcuchów alginianowych, tworząc połączenia jonowe z kationami dwuwartościowymi, takimi jak jony Sr2+, Ca2+ lub Zn2+. Proces żelowania można odpowiednio scharakteryzować za pomocą modelu egg-box, który ogranicza kation dwuwartościowy do dwóch grup karboksylowych na cząsteczkach alginianu znajdujących się obok siebie. Zasugerowano, że właściwości hydrożelowe kulek alginianu sodu mogą regulować uwalnianie makrocząsteczek i małych cząsteczek. Kulki alginianu sodu mogą przylegać do błony śluzowej jelit przez dłuższy czas ze względu na ich właściwości śluzowe. Co więcej, alginian zapewnia osłonę, która może chronić oleje przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak media kwaśne16 i przenosi oleje do kanałów doprowadzających przewód pokarmowy17. Od tego czasu został wykorzystany w badaniach, aby pomóc w specyficznym dla miejsca podawaniu leków do tkanek błony śluzowej18,19.

Podejście elektrohydrodynamiczne zostało użyte w tym badaniu do zbadania opłacalności emulgowania olejów komercyjnych w celu stworzenia kapsułek20. W tym przypadku zastosowano podejście elektrohydrodynamiczne do generowania i analizowania mikrosfer obciążonych alginianem BSO20. W badaniu tym oceniono szereg innych czynników, w tym SF mikrosfer, ex-vivo, właściwości mukoadhezyjne, EE%, wygląd fizyczny, rozkład wielkości i potencjał zeta; Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (ATR-FTIR) o tłumieniu całkowitego odbicia została wykorzystana do przetestowania kompatybilności chemicznej20.

Protokół

1. Przygotowanie emulsji alginian-BSO

  1. Rozdysperguj BSO w stężeniu 10% w/v w 1% w/v roztworze alginianu sodu zawierającym 1, 3 i 5% w/v lecytyny w zlewce o pojemności 50 mL.
  2. Uzysk nanoemulsję, korzystając z homogenizatora ultradźwiękowego. Ustaw poziom mocy na 20%. Uruchom homogenizator na 55 s, klikając przycisk start, aby zakończyć proces.

2. Charakterystyka emulsji alginian-BSO

  1. Analiza potencjału zeta i rozkładu wielkości cząstek
    1. Przenieś 0,1 mL świeżo przygotowanej emulsji do 25 mL szklanego zlewka i rozcieńcz ją 9,9 mL wody destylowanej.
    2. Przenieś 2,5 mL tak rozcieńczonego roztworu do 3 mL kuwety kwarcowej i umieść kuwetę w komorze pomiarowej.
    3. Otwórz pokrywę i umieść kuwetę w urządzeniu, upewniając się, że jest ona prawidłowo zorientowana względem drogi wiązki światła. Kliknij ikonę pomiaru .
    4. Wyjmij kuwetę. Odzyskaj próbkę lub zutylizuj ją w odpowiedni sposób.
    5. Zapisz dane jako plik pdf w folderze osobistym do dalszego wykorzystania.
  2. Wyznaczenie stabilności emulsji (ES)
    1. Przenieś 5 mL świeżo przygotowanej emulsji do 10 mL probówek wirówkowych. Wirować emulsje (n = 3) przez 5 min przy 894 × g.
    2. Korzystając z równania (1), wyznacz ES na podstawie położenia granicy rozdziału faz.
      Równanie stabilności emulsji, ES (%) = (Vemul/Vinitial) x 100, wzór chemiczny.    (1)
      gdzie Vemul to objętość pozostałej emulsji po wirowaniu, a Vinitial to objętość początkowa emulsji.
  3. Przygotowanie kulek
    1. Kulki alginianowe BSO
      1. Przygotuj kulki alginianowe BSO, stosując technikę elektrosprayu zwaną EHDA. Wykorzystaj emulsję BSO o stężeniu masowym na objętość (w/v) składającą się z 10% BSO, 1% alginianu sodu i 3% roztworu lecytyny).
      2. Używając pompy strzykawkowej do regulacji szybkości przepływu, wprowadź emulsję do 10 mL plastikowej strzykawki i podaj ją przez igłę 22 G. Przyłącz końcówkę igły do elektrody dodatniej zasilacza wysokiego napięcia.
      3. Jako kolektor wykorzystaj uziemiony zlew z 50 mL 1% w/w chlorku wapnia (kąpiel żelująca). Zmieniaj szybkość kapania między 1 mL/min a 3 mL/min przy napięciach 3, 5 i 7 kV, zachowując odległość 10 cm nad powierzchnią roztworu chlorku wapnia.
      4. Aby potwierdzić pełną żelację, pozostaw kulki w kąpieli żelującej przez 30 min podczas mieszania. Użyj filtra ze stali nierdzewnej, aby usunąć kulki z kąpieli żelującej, a następnie przemyj zebrane kulki ultreczystą wodą destylowaną.
      5. Pozostaw kulki do wyschnięcia na 16 h w temperaturze pokojowej na blacie laboratoryjnym. Użyj równania (2), aby obliczyć procentową wydajność kulek.
        Wzór na wydajność kulek, równanie, obliczanie procentowe, stosunek odzyskanych kulek do początkowej emulsji. (2)
    2. Kulki alginianowe bez BSO
      1. Przygotuj 1% w/v roztwór alginianu sodu. Do roztworu dodaj lecytynę w stężeniach 1%, 3% i 5% w/v. Mieszaj roztwór dokładnie do całkowitego rozpuszczenia lecytyny.
      2. Wykorzystaj roztwór z kroku 2.3.2.1 do przygotowania kulek alginianowych bez BSO zgodnie z opisem w krokach 2.3.1.2-2.3.1.5. Oblicz wydajność, korzystając z równania (2).

3. Charakterystyka kulek

  1. Wyznaczenie rozmiaru i kształtu
    1. Aby określić rozmiar i kształt kulek, należy użyć analizatora obrazu. Wykonaj zdjęcia mokrych oraz wysuszonych kulek za pomocą aparatu cyfrowego.
    2. Następnie zmierz średnicę kulek, korzystając z fabrycznie zainstalowanej w urządzeniu skali. Na podstawie uzyskanych wartości średnic oblicz SF zgodnie z równaniem (3):
      SF = Równanie równowagi statycznej: (Dmax-Dper)/(Dmax+Dper); formuła; koncepcja fizyczna; matematyka.    (3)
      Gdzie Dmax oznacza największą średnicę przechodzącą przez środek kulki (w mm), natomiast Dper odnosi się do średnicy prostopadłej do Dmax, przechodzącej przez środek kulki (w mm).
      UWAGA: Wartość SF równa zero oznacza kulkę idealnie sferyczną, a zwiększające się wartości SF wskazują na większe odchylenie od kształtu sferycznego. Ponadto kulki uznaje się za sferyczne, jeśli ich SF wynosi 0,05 lub mniej.

4. Wyznaczenie EE%

  1. Rozbić kuleczki w soli fizjologicznej buforowanej fosforanowo (PBS), aby przywrócić je do postaci emulsji. Zmierzyć absorbancję otrzymanej emulsji przy 600 nm przy użyciu spektrofotometru UV-vis.
  2. Wykorzystać wartość absorbancji do określenia mętności emulsji. Stworzyć krzywą wzorcową, używając znanej ilości BSO w emulsji.
  3. Obliczyć EE% korzystając z równania (4):
    Wzór na wydajność enkapsulacji: EE% = (rzeczywista zawartość oleju/teoretyczna zawartość oleju) × 100.    (4)

5. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

UWAGA: Należy użyć SEM do obserwacji mikrostruktury i morfologii powierzchni kulek alginianowych BSO.

  1. Aby zbadać wnętrze wysuszonych kulek, należy przeciąć kilka z nich. Umieść przecięte kulki na stubach aluminiowych i przymocuj je za pomocą taśm z węglowym klejem.
  2. Napyl powłokę węglową na kulki za pomocą modułu napylania węgla w ewaporatorze próżniowym w atmosferze argonu. Należy nanieść powłokę węglową o grubości 100 Å oraz 50 Å.
  3. Wykonaj obrazy powlekanych kulek w wysokiej próżni przy napięciu przyspieszającym od 10 kV do 15 kV.

6. Określenie oddziaływania lek-substancja pomocnicza za pomocą ATR-FTIR

  1. Ustaw liczby falowe instrumentu w zakresie od 4 000 cm−1 do 400 cm−1, wykorzystując powietrze otoczenia jako tło i rozdzielczość 1 cm−1. Patrz Plik uzupełniający 1.
  2. Nagraj osobno widma BSO, alginianu sodu, lecytyny, chlorku wapnia, kulek bez BSO, kulek alginianowo-BSO oraz mieszaniny fizycznej substancji czynnej i substancji pomocniczych (alginianu sodu, lecytyny, chlorku wapnia i BSO).
    1. Umieść próbkę (5-10 mg) w obszarze pomiarowym. Ustaw 20 skanów, rozdzielczość 4, siłę nacisku 80 oraz ramię dociskowe z płaską końcówką. Upewnij się, że opcja Auto Increment jest ustawiona na Blank, aby widmo zostało automatycznie zapisane w wybranym folderze.
    2. Aby rozpocząć pomiar próbki, kliknij przycisk [Sample]. Po wybraniu [Sample] nie ma czasu oczekiwania, więc należy upewnić się, że próbka jest przygotowana, a zacisk dociskowy zwolniony. Analizuj wszystkie próbki pojedynczo. Wszystkie nagrane widma przeanalizuj indywidualnie za pomocą oprogramowania spektroskopowego.

7. Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)

UWAGA: Właściwości termiczne i kompatybilność kulek obciążonych BSO zostały zbadane przy użyciu DSC (Plik uzupełniający 1).

  1. Zamknij kule o masie ~3.20 mg w zwykłej aluminiowej próbce. Podgrzewaj próbki z szybkością 10 °C/min, analizując je w zakresie temperatur 50-350 °C w strumieniu azotu płynącego z szybkością 20 L/min.

8. Charakterystyka pęcznienia kulek

  1. Przygotować 100 mg wysuszonych kulek alginian-BSO.
  2. Przygotować symulowany płyn jelitowy (SIF) i symulowany płyn żołądkowy (SGF) w czystym, suchym naczyniu mieszającym o odpowiedniej pojemności – 6 L, 10 L lub 25 L. Dodać wodę oczyszczoną do około 33% wymaganej objętości – 2 L, 3 L lub 8 L, a następnie przelać zawartość butelki z koncentratem do naczynia. Przepłukać butelkę wodą oczyszczoną, a następnie dodać wodę z płukania oraz dodatkową wodę oczyszczoną do naczynia mieszającego, aby uzyskać wymaganą objętość; dokładnie wymieszać. Zmierzyć pH i kontynuować, jeśli mieści się ono w specyfikacji; w przeciwnym razie skorygować pH.
  3. Zanurzyć kulki w 50 mL medium zawierającego symulowany płyn jelitowy (SIF) i symulowany płyn żołądkowy (SGF). Utrzymać te warunki przez 2 h w temperaturze 37 ± 0.5 °C.
    1. Wyjmować spęczniałe kulki i filtrować je przez metalową siatkę w określonych odstępach czasu: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 i 120 min lub dłużej. Użyć ręcznika papierowego, aby usunąć nadmiar płynu z napęczniałych kulek.
    2. Zważyć osuszone kulki za pomocą elektronicznej wagi analitycznej. Wyznaczyć procentowy wskaźnik pęcznienia (%SI), korzystając z równania (5):
      Wzór na wskaźnik pęcznienia, %SI, analiza wagowa, równanie matematyczne do obliczania właściwości materiału. (5)

Wyniki

Przygotowanie alginianowych mikrokulek obciążonych BSO
Rycina 1 przedstawia układ eksperymentalny służący do przygotowania alginianowych mikrokulek obciążonych BSO. Ilość wykorzystanej lecytyny miała znaczący wpływ na stabilność emulsji BSO. Emulsje przygotowane z zastosowaniem wszystkich trzech stężeń lecytyny były porównywalnie stabilne. W tym doświadczeniu do oceny stabilności emulsji wykorzystano metodę wirowania (894 × g, 5 min)20. Wyniki potwierdziły, że większy wpływ na stabilność emulsji BSO miał surfaktant, a nie wirowanie. Potencjał zeta oraz rozkład wielkości cząstek emulsji charakteryzowano zgodnie z treścią Tabeli 1 i Ryciny 2.

Charakterystyka kulek

Rozmiar, kształt i EE
Rozmiar, kształt i EE sformułowanych mikrokulek podsumowano w Tabeli 2. Rozmiar wysuszonych kulek wynosił od 1,86 ± 0,02 mm (F2 i F3) do 0,58 ± 0,01 mm (F8), natomiast kulki mokre miały rozmiar od 4,76 ± 0,01 mm (F3) do 1,50 ± 0,02 mm (F8). Napięcie elektryczne oraz szybkość przepływu emulsji były dwoma głównymi parametrami wpływającymi na rozmiar i sferyczność kulek. Zarówno SF, jak i rozmiar kulek zwiększały się wraz ze wzrostem szybkości przepływu, podczas gdy zmienne te malały przy zwiększonym napięciu elektrycznym. Niemniej jednak SF i rozmiar kulek nie spadały w pewnym punkcie, gdy napięcie elektryczne i szybkość przepływu były zwiększane proporcjonalnie. Badanie wykazało, że kulki wytwarzane przy szybkości przepływu 2 mL/min i napięciu elektrycznym 7 kV mają jednolity rozmiar, kształt i masę. Badacze zmierzyli rozmiar kulek i stwierdzili, że wynosi on 0,58 ± 0,01 mm. W przypadku sformułowań kulek mokrych i suchych, EE wynosiło odpowiednio od 67,20 ± 1,46% (F1) do 104,50 ± 4,04% (F8) oraz od 59,92 ± 0,90% (F1) do 90,13 ± 0,93% (F8). Udział EE rósł wraz z napięciem i szybkością przepływu, co można wyjaśnić wysokim napięciem, które zwiększyło wiązanie sieciowania z żelującym roztworem CaCl2 i stworzyło dodatkowe przestrzenie dla sieciowania jonowego. W rezultacie uwięziono więcej oleju i zapobieżono jego wyciekowi z macierzy polimerowej.

Jednorodność masy kulek
Współczynniki zmienności masy kulek alginianowych obciążonych BSO wynosiły od 1,37% do 3,93%. Zgodnie z najnowszymi badaniami średnia masa wszystkich kulek obciążonych BSO nie różniła się o więcej niż 5%.

ATR-FTIR
Aby określić oddziaływania między składnikami, przeprowadzono analizę ATR-FTIR (Rysunek 3). Alginian sodu wykazywał charakterystyczne pasma widmowe przy 3400 cm1 dla drgań rozciągających O-H oraz przy 1595 i 1408 cm1 dla grup C=O i C-C w wyniku drgań rozciągających. Wcześniejsze badania wykazały również dwa wyraźne pasma przy 1600 i 1405 cm1, które powiązano odpowiednio z symetrycznymi i asymetrycznymi drganiami rozciągającymi grup -COOH. Ponadto za pasma widoczne w widmach alginianu sodu przy 1316 i 1025 cm1 odpowiedzialna była grupa C-H. W przeciwieństwie do tego, widma lecytyny ujawniły trzy pasma przy 2922, 2853 i 1465 cm1, odpowiadające grupom C=O, C-H i C-C. Najbardziej wyróżniające się piki BSO znaleziono przy 2953 i 2853 cm1 (odpowiednio C-H w CH2 i C=C-H). Ponadto, ze względu na powszechność łańcuchów węglowych w kwasach tłuszczowych, pasma pojawiające się przy 1,753, 1,653 i 1,453 cm1 sugerowały obecność odpowiednio grup C=O, C=C i C-H.

DSC
Analizę DSC wykorzystano do określenia zachowania temperaturowego kulek alginianowych obciążonych BSO oraz ich oddziaływań z innymi ekstrahentami podczas procesu przygotowania i rozwoju. Rozpad polielektrolitu jest spowodowany procesami depolimeryzacji i dehydratacji, najprawdopodobniej reakcjami utleniania polielektrolitu oraz częściową dekarboksylacją protonowanych grup karboksylowych (Rysunek 4).

SEM
Za pomocą SEM wykonano zdjęcia powierzchni wysuszonych kulek zoptymalizowanych pod kątem załadunku BSO. Wykazano, że kulki posiadały gładką powierzchnię, kształt sferyczny oraz liczne pory i kanały w ich zewnętrznej warstwie (Rysunek 5).

Zachowanie pęcznienia kulek
Pęcznienie kulek jest istotnym zjawiskiem, które wpływa na profil uwalniania leku z materiałów polimerowych21. Aby ocenić SB, kulki zawierające BSO przetestowano w SGF (0,1 N HCl, pH 1,2) oraz SIF (pH 6,8) (Rycina 6).

Kurczenie się alginianu w kwasowym pH może wyjaśniać początkowy spadek wskaźnika pęcznienia formulacji kulek F1 do F9 w SGF w porównaniu z SIF, co wskazuje na pH-zależne pęcznienie (SB). W konsekwencji kulki wykazały wyższy procentowy wskaźnik pęcznienia (SI) w SIF po 30-90 min. SB kulek w zasadowym pH można wyjaśnić wymianą jonów wapnia, w wyniku której obecność jonów fosforanowych będących sekwestrantami wapnia wiąże grupy karboksylowe sieciowanej macierzy alginianowo-lecytynowej z jonami sodu w buforze fosforanowym. Ponadto napęczniałe, sieciowane kulki alginianowe obciążone BSO uległy dezintegracji i erozji w ciągu 100-110 min, a w 120 min wszystkie formulacje uległy całkowitej erozji.

Głównym celem niniejszego badania jest synteza wrażliwych na pH kulek na bazie alginianu obciążonych olejkiem z czarnuszki (Black Seed Oil) przy użyciu techniki elektrospraying, aby umożliwić uwalnianie substancji czynnej w miejscu jej naturalnego wchłaniania – w jelitach. W środowisku o kwaśnym pH 1,2 kulki kurczyły się lub zachowywały swój pierwotny kształt, co zmniejszało ich tendencję do dezintegracji. W przeciwieństwie do tego, kulki alginianowe obciążone BSO szybko pęczniały po wystawieniu na działanie SIF (pH 6,8). Po 120 min wszystkie dziewięć formulacji (F1-F9) całkowicie rozpuściło się w SIF. Było to wynikiem obecności jonów fosforanowych w medium, które zwiększyły rozpuszczalność kompleksu alginianu sodu przy wyższych poziomach pH. Rozdzielenie alginianu sodu i następujący po nim rozpad żelu w buforze fosforanowym zostały spowodowane większym powinowactwem jonów fosforanowych do Ca2+ niż do jonów alginianu.

Schemat układu procesu elektrosprayu: pompa strzykawka, mieszadło magnetyczne, generator napięcia, tworzenie kulek.
Rycina 1: Układ eksperymentalny techniki atomizacji elektrohydrodynamicznej do wytwarzania alginianowych mikrokulek. Układ do produkcji kulek w czasie rzeczywistym oraz świeżo przygotowane mokre kulki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykresy rozkładu intensywności wielkości i rozkładu potencjału zeta; wyniki badania analizy cząstek.
Rycina 2: Rozkład wielkości cząstek i potencjał zeta emulsji obciążonej olejkiem z czarnuszki. (A) Rozkład wielkości i (B) rozkład potencjału zeta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Widma FTIR przedstawiające % transmitancji w funkcji liczby falowej, analiza związku chemicznego, piki widmowe.
Rysunek 3: Widma podczerwieni z transformacją Fouriera z tłumieniem całkownego odbicia (ATR-FTIR). (A) BSO, (B) alginian sodu, (C) lecytyna, (D) chlorek wapnia, (E) puste kuleczki (bez BSO), (F) kuleczki alginian-BSO oraz (G) mieszanina fizyczna substancji czynnej i substancji pomocniczych (alginianu sodu, lecytyny, chlorku wapnia i BSO). Skrót: BSO = olej z czarnuszki. Rysunek zmodyfikowany na podstawie pracy Azad et al.20. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres analizy termicznej, przepływ ciepła w funkcji temperatury, pokazujący piki endotermiczne; wyniki DSC.
Rycina 4: Termogram różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). (A) kuleczki bez BSO oraz (B) kuleczki z załadowanym BSO. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Azad et al.20. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Obrazy SEM mikrokapsułek przy różnych powiększeniach; analiza strukturalna i morfologia powierzchni.
Rycina 5: Mikrofotografie z pomiarem elektronowym (SEM). (A, B) Wysuszone kule alginianowo-BSO wykazujące gładką morfologię powierzchni (25x i 100x); obecność porów i kanałów widoczna w przekroju wysuszonej kuli przy powiększeniu (C) 100x oraz (D) 500x. Paski skali = 100 µm (A-C), 20 µm (D). Rycina zmodyfikowana na podstawie pracy Azad i wsp.20. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykresy indeksu pęcznienia, % pęcznienia w funkcji czasu, dwa zestawy krzywych przez 120 min, analiza danych eksperymentalnych.
Rysunek 6: Zachowanie pęcznienia zoptymalizowanych kulek alginianowych obciążonych olejem z czarnuszki. (A) Środowisko kwasowe (pH 1.2) i (B) środowisko buforowe (pH 6.8) [średnia ± SD, n = 3). Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

stężenie lecytyny (%)Wielkość cząstek (nm)PDIPotencjał zeta (mV)ES (%)
PrzedPo wirowaniuPrzedPo odwirCowaniuPrzedPo wirowaniu
1253.32±4.65282.93±14.110.392±.030.333±.06-43.1±.36-37.6±2.292.50±0.23
3334.51±12.82347.44±15.140.315±.040.358±.12-46.9±2.26-43.5±1.3294.83±0.42
5430.13±14.23463.23±8.910.422±.040.548±.11-51.4±2.75-45±1.0196.50±0.40

Tabela 1: Analiza rozkładu wielkości cząstek i potencjału zeta emulsji obciążonej olejem z czarnuszki.*(n = 3, średnia ± SD). Skróty: PDI = indeks polidyspersyjności; ES = stabilność emulsji.

KodNapięcie (kV)Szybkość przepływu (ml/min)Rozmiar kuleka (mm)Współczynnik sferycznościa (mm)Efektywność enkapsulacjia (%)
MokreSucheMokreSucheMokreSuche
F1314.47±0.011.82±0.010.02±0.000.04±0.0067.20±1.4659.92±0.90
F2324.52±0.031.86±0.020.01±0.000.03±0.0068.22±3.0965.89±1.57
F3334.76±0.011.86±0.010.02±0.010.04±0.0070.76±0.8666.34±1.89
F4513.12±0.010.99±0.040.02±0.010.01±0.0170.11±0.5170.11±0.51
F5522.83±0.050.80±0.020.02±0.010.02±0.0286.89±1.6786.89±1.67
F6533.30±0.010.90±0.020.03±0.010.01±0.0186.63±0.8386.12±0.15
F7711.86±0.020.72±0.010.01±0.000.04±0.0082.16±2.5078.67±0.90
F8721.50±0.020.58±0.010.02±0.000.03±0.00104.50±4.0490.13±0.93
F9732.58±0.050.93±0.010.02±0.000.03±0.0196.04±3.6189.82±154

Tabela 2: Wpływ napięcia (kV) i szybkości przepływu (mL/min) na rozmiar kulek, współczynnik sferyczności i wydajność enkapsulacji.n = 3, średnia ± S.D. Tabela została zmodyfikowana na podstawie pracy Azad et al.20.

Plik uzupełniający 1: Pomiar wielkości i rozkładu cząstek, ATR-FTIR oraz DSC. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

W procesie EHDA stworzono mikrogranulki alginianowe obciążone BSO jako nośnik wrażliwy na pH. Sieć kulek wykazywała zależne od pH pęcznienie i uwalnianie leku ze względu na obfitą obecność grup kwasów karboksylowych. Okazało się, że silne międzycząsteczkowe wiązania wodorowe między łańcuchami polimerowymi są przyczyną zmniejszonego charakteru pęcznienia kulek obciążonych BSO przy pH 1,2. Kulki obciążone BSO mogą skorzystać z tego obniżonego SB przy podawaniu leków wrażliwych na pH. pH miało wpływ na BSO uwalniane z kulek zawierających BSO. Odkrycia te sugerują, że kulki obciążone BSO mogą zapewnić bezpieczną metodę doustnego dostarczania leków w celu lepszego, ukierunkowanego podawania leków do jelit.

Wielkość cząstek emulsji zwiększała się wraz ze wzrostem stężenia lecytyny. Zjawisko to można przypisać wzrostowi lepkości związanemu z wyższymi poziomami lecytyny, co może wpływać na możliwości rozdrabniania homogenizatora ultradźwiękowego. Co więcej, zwiększone stężenia lecytyny przyczyniają się do gęstszej warstwy środka powierzchniowo czynnego wokół kropelek oleju, co skutkuje większymi rozmiarami cząstek. Mikroskopijny wygląd emulsji sugeruje, że emulsje dobrze zachowały swoją stabilność. Stężenie lecytyny może wpływać na rozkład wielkości cząstek i potencjał zeta20. Emulsje wykazywały niejednorodny rozkład wielkości cząstek, co może być spowodowane ręczną procedurą sonikacji. Potencjał Zeta odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu stabilności układów koloidalnych21. Kropelki w emulsji wykazywały znacznie ujemny ładunek, który można przypisać ujemnemu ładunkowi alginianu wynikającemu z hydroksylowych i karboksylowych grup funkcyjnych w jego strukturze molekularnej22.

W charakterystyce mikrogranulek rozmiar, kształt i EE są istotnymi parametrami, na które wpływają warunki przetwarzania. Zależność między napięciem elektrycznym, natężeniem przepływu emulsji i wynikającą z niej charakterystyką mikrokulek wskazuje na złożoną zależność, która określa końcowe właściwości kulek. Wraz ze wzrostem natężenia przepływu zwiększa się również rozmiar ściegu i SF. Z drugiej strony, zwiększenie napięcia elektrycznego zmniejsza rozmiar ściegu i SF, ale zwiększa EE. Jeśli jednak napięcie elektryczne i natężenie przepływu zostaną proporcjonalnie zwiększone, rozmiar ściegu i SF nie zmniejszają się w określonym punkcie20. Zdolność do sieciowania na zewnętrznej stronie kulek alginianowych również odgrywa ważną rolę w zwiększaniu EE dla olejów zawartych w alginianie. Poprzednie badanie wykazało optymalne EE na poziomie 98,30% dla oleju lnianego zamkniętego w kulkach alginianowych, które były suszone w piecu, o rozmiarach kulek od 1,90 mm do 2,94 mm i SF od 0,044 do 0,168. Pomimo tych wysokich skuteczności kapsułkowania, stwierdzono, że uwalnianie leku do zamierzonego miejsca w przewodzie pokarmowym wynosi tylko 83%23. Inne badanie wykazało podobne EE na poziomie 98,7%, przy rozmiarach ściegów 2,13 mm i SF 0,08 mm. I odwrotnie, suche, rozpryskiwane elektrolitycznie kulki alginianowe załadowane BSO w tym badaniu wykazały EE 90,13 ± 0,93%, przy czym ponad 90% substancji zostało pomyślnie uwolnione w zamierzonym miejscu w SIF, zgodnie z naszym badaniem uwalniania. Sugeruje to, że nasze kulki alginianowe były w stanie skutecznie otoczyć i prawie całkowicie uwolnić BSO w pożądanym miejscu24.

Zgodnie z normami określonymi przez Farmakopeę USP, wszystkie preparaty (F1-F9) spełniały wymagania dotyczące jednorodności masy25. Ta jednorodność masy odzwierciedla konsekwentną enkapsulację BSO w kulkach alginianowych, co jest możliwe dzięki zastosowaniu technik elektrohydrodynamicznych. Optymalny rozmiar i kształt kulek, odpowiedni do podawania doustnego, został osiągnięty w określonych warunkach, co ujawnia znaczenie precyzyjnie kontrolowanych procesów produkcyjnych. Co więcej, EE, które różniło się w zależności od napięcia i natężenia przepływu, sugeruje, że parametry procesu można precyzyjnie dostosować, aby zmaksymalizować enkapsulację BSO. Ma to znaczący wpływ na biodostępność i skuteczność kapsułkowanego związku, przy czym wyższa skuteczność kapsułkowania może prowadzić do lepszych wyników terapeutycznych.

Jednorodność masy kulki, wraz z analizami ATR-FTIR i SEM, zapewnia wgląd w konsystencję i integralność chemiczną kulek alginianowych26,27. Analiza ATR-FTIR potwierdziła obecność kluczowych grup funkcyjnych i pomyślne włączenie BSO do matrycy alginianowej28, podczas gdy obrazy SEM zilustrowały kulisty kształt i gładką powierzchnię kulek, niezbędne do spójnego zachowania uwalniania. Badanie SB zilustrowało wrażliwe na pH właściwości pęcznienia kulek, co ma znaczenie dla ukierunkowanego uwalniania leku w jelicie, zapewniając, że BSO jest uwalniane tam, gdzie może być najskuteczniej wchłaniane29. To zachowanie reagujące na pH jest przykładem potencjału mikrogranulek na bazie alginianów jako obiecującego systemu dostarczania BSO, umożliwiającego ukierunkowane, kontrolowane uwalnianie w przewodzie pokarmowym.

W wyniku pomyślnego opracowania wrażliwych na pH kulek alginianowych do regulowanego uwalniania oleju z czarnuszki, zwrócono uwagę na dostarczanie tymochinonu w leczeniu raka jelita grubego. Wytwarzanie kulek o jednolitych rozmiarach i pożądanych właściwościach pęcznienia oraz dobrej skuteczności enkapsulacji stało się łatwiejsze dzięki zastosowaniu technologii elektronatryskiwania. Kulki te wykazywały dobre właściwości pływające, o czym świadczy szybkość uwalniania ponad 90% w środowisku o pH 6,8, gwarantując ukierunkowane dostarczanie do przewodu pokarmowego. Odkrycia wskazują na możliwą strategię zwiększania biodostępności oleju z czarnuszki przy jednoczesnym zmniejszeniu jego wczesnego uwalniania w żołądku. Technika ta ma duży potencjał w produkcji na dużą skalę, otwierając drzwi do potencjalnej komercjalizacji metod leczenia raka w przyszłości.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

To badanie było wspierane przez Princess Nourah bint Abdulrahman University Researchers Supporting Project numer (PNURSP2024R30), Princess Nourah bint Abdulrahman University, Rijad, Arabia Saudyjska. Badania te zostały sfinansowane przez Researchers Supporting Project numer (RSPD2024R811), Uniwersytet Króla Sauda, Rijad, Arabia Saudyjska.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Probówki wirówkowe 10 mlGlobe Scientific 22-171-624
Igła 22 GSigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). 
Kuweta kwarcowa 3 mlSigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). 
Zlewka
Króćce aluminiowe 
Elektroniczna waga
ATR-FTIRBruker Malaysia Sdn Bhd, Kawasan Perindustrian Temasya, 40150 Shah Alam, Selangor, Malezja.
Olej z czarnuszki         IKOP Pharmaceutical Ltd. (IKOP, Wydział Farmaceutyczny, IIUM, 25200 Kuantan, Pahang, MalezjaB182111Składnik aktywny
Chlorek wapnia odwadniany, CaCl2 · 2H2Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, Stany Zjednoczone). 21074Środek żelujący
Taśmy węglowe
klejące Wirówka
Różnicowa kalorymetria skaningowa 
Cyfrowy    Aparat fotograficzny 
Zlewka mielona 
Wysoka zawartość kwasu guluronowego Alginian sodu (mw. 97 000) o średniej lepkości (40 – 100 mPa s)Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). W201502Polimerowy
zasilacz
Alkohol izopropylowySigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA).   W292912Cel czyszczenia ATR-FTIR
LecytynaSigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). P7568Środek powierzchniowo czynny 
do mikroskopu
 
Skaningowa mikroskopia elektronowa
Symulowany płyn żołądkowySigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, USA). 1651Pożywki antyadhezyjne i pęczniejące
Symulowany płyn jelitowy Sigma-Aldrich (St.Louis, Missouri, Stany Zjednoczone). 84082-64-4Pożywki antyadhezyjne i pęczniejące
do spektroskopii
Filtr ze stali nierdzewnej 
Pompa strzykawkowa SEN JIN SDN BHD Malezja, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Malezja
Ultraczysta woda destylowana Dostarczane przez laboratorium
Homogenizator ultradźwiękowySEN JIN SDN BHD Malaysia, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Malezyjski
spektrofotometr UV-vis.
Parownik próżniowy SEN JIN SDN BHD Malaysia, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Malezja
Akcelerator napięcia SEN JIN SDN BHD Malaysia, Taman Desaria, 46150 Petaling Jaya, Selangor Darul Ehsan Malaysia
Zetasizer Nano-ZS(Malvern Zetasizer Nano series Nano-S i Nano-Z, Malvern Instruments Ltd., Worcestershire, Wielka Brytania)
CAD4172Z27666950 mlanalitycznawysokiego napięciaRęcznik papierowy Oprogramowanie instytucjonalne

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Zamani, M., Prabhakaran, M. P., Ramakrishna, S. Advances in drug delivery via electrospun and electrosprayed nanomaterials. Int J Nanomed. 8 (8), 2997(2013).
  13. 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).
  14. Wan, L. Q. Calcium concentration effects on the mechanical and biochemical properties of chondrocyte-alginate constructs. Cell Mol Bioeng. 1 (3), 93-102 (2008).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Suksamran, T. Biodegradable alginate microparticles developed by electrohydrodynamic spraying techniques for oral delivery of protein. J Microencapsul. 26 (7), 563-570 (2009).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Danaei, M., et al. Impact of particle size and polydispersity index on the clinical applications of lipidic nanocarrier systems. Pharmaceutics. 10 (2), 57(2018).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. US Pharmacopoeia National Formulary, USP 23/NF 18. , States Pharmacopoeia Convention Inc. Rockville, MD, USA. (2000).
  29. 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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Kuleczki alginianowedostarczanie lek w do jelita grubegokontrolowane uwalnianiedostarczanie tymochinonusi a muoadhezjiskaningowy mikroskop elektronowyp cznienie in vitro
Film wkrótce dostępny