Nanostrukturalne materiały oparte na krzemionce oraz materiałach typu lipidowego jako nośniki substancji czynnej
Loading...
Date
2022
Authors
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Nanostructured materials based on silica or lipid type materials as carriers of active substance
Abstract
Nieustanny postęp nauki w takich dziedzinach, jak: medycyna, farmacja, czy też kosmetologia spowodował wzrost zapotrzebowania na nowe metody efektywnego dostarczania związków bioaktywnych do organizmu człowieka. Niezależnie od rodzaju substancji aktywnej oraz jej zastosowania, istotnym elementem jest dobór i synteza odpowiednich nośników. Doskonałym rozwiązaniem tej kwestii, okazały się materiały porowate, w tym zeolity hierarchiczne oraz stałe nanocząstki lipidowe (SLN). Głównym celem badań prowadzonych w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej pt. „Nanostrukturalne materiały oparte na krzemionce oraz materiałach typu lipidowego jako nośniki substancji czynnej” było opracowanie powtarzalnej metody syntezy zeolitów hierarchicznych oraz stałych nanoczastek lipidowych (SLN), jako formy nośników dla substancji aktywnej pochodzenia roślinnego, takiej jak kurkumina (CUR). Rozprawa doktorska, została przygotowana w formie spójnego tematycznie cyklu artykułów opublikowanych w czasopismach naukowych, które zawierają opis budowy, sposób otrzymywania, możliwość zastosowania zeolitów hierarchicznych oraz stałych nanocząstek lipidowych (SLN), jako nośników kurkuminy. Opierając się na dostępnych materiałach piśmienniczych opisane zostały charakterystyczne właściwości tych innowacyjnych nośników, w tym ich potencjalna toksyczność, możliwe zastosowania, metody syntezy oraz najważniejsze właściwości fizykochemiczne. Na podstawie przeprowadzonych badań, określono wpływ inkorporowania materiałów zeolitowych oraz stałych nanocząstek lipidowych (SLN) kurkuminą na profil uwalniania substancji aktywnej, stabilność czy przenikanie przez bariery fizjologiczne. Po przeprowadzeniu procedur eksperymentalnych, dobrano optymalne warunki syntezy danych materiałów, a właściwości otrzymanych nośników „pustych” i załadowanych substancją aktywną zidentyfikowano za pomocą: dyfrakcji promieni rentgenowskich (XRD) oraz za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) w celu scharakteryzowania właściwości strukturalnych i teksturalnych (SLN i zeolity hierarchiczne); skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) w celu określenia morfologii otrzymanych materiałów (SLN i zeolity hierarchiczne); mikroskopii konfokalnej – w celu uzyskania informacji dotyczących rozmieszczenia kurkuminy na podstawie wysokiej jakości obrazu i rekonstrukcji obrazów 3D opartych na autofluorescencji kurkuminy (SLN i zeolity hierarchiczne); niskotemperaturowych izoterm adsorpcji/desorpcji azotu w celu określenia właściwości teksturalnych materiałów (zeolity hierarchiczne); analizy elementarnej w celu dokładnego określenia składu pierwiastkowego badanych materiałów zeolitowych (zeolity hierarchiczne); spektroskopii w podczerwieni z transformatą Fouriera (FT-IR) w celu scharakteryzowania grup funkcyjnych nośników zeolitowych (zeolity hierarchiczne); transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) zastosowanej do obserwacji struktury materiału (zeolity hierarchiczne); dynamicznego rozpraszania światła - określono wielkości cząstek (Z-Ave) i współczynniki polidyspersyjności (PDI) (SLN); elektroforetycznego rozpraszania światła - zmierzono stabilność SLN poprzez określenie wartości potencjału zeta (ZP) (SLN). Podsumowując, w toku prowadzonych badań przedstawiono szereg oryginalnych metod syntezy i modyfikacji otrzymanych nośników substancji aktywnej. Dzięki zastosowaniu zsyntetyzowanych nośników możliwe stało się poprawienie niekorzystnych właściwości kurkuminy, w tym jej słabej rozpuszczalności i biodostępności. Opracowano również szybką i wydajną metodę osadzania kurkuminy na otrzymanych nośnikach oraz jej uwalniania z badanych materiałów. Przedstawione wyniki badań dają nadzieję na poprawę niedoskonałości powszechnie stosowanych systemów dostarczania substancji czynnych.
The continuous progress of science in such fields as medicine, pharmacy, and cosmetology has led to an increased demand for new methods of effective delivery of bioactive compounds to the human body. Regardless of the type of active substance and its application, an important element is the selection and synthesis of appropriate carriers. Porous materials, including hierarchical zeolites and solid lipid nanoparticles, have proved to be an excellent solution of this issue. The main objective of the research within this dissertation entitled. "Nanostructured materials based on silica or lipid type materials as carriers of active" was to develop a reproducible method for the synthesis of hierarchical zeolites and solid lipid nanoparticles (SLNs), as a form of carriers for an active substance of plant origin, such as curcumin (CUR). The dissertation was prepared as a thematically coherent series of articles published in scientific journals, which describe the structure, method of preparation and possible application of hierarchical zeolites and solid lipid nanoparticles (SLN) as curcumin carriers. Based on the available literature, the characteristic properties of these innovative carriers are described, including their potential toxicity, possible applications, methods of synthesis and most important physicochemical properties. Based on the performed studies, the effect of incorporation of zeolite materials and solid lipid nanoparticles (SLNs) with curcumin on the release profile, stability or permeation through physiological barriers was determined. After the experimental processes, the optimal synthesis conditions were chosen and the properties of the obtained loaded and “empty” carriers were identified by: X-ray diffraction (XRD) and by differential scanning calorimetry (DSC) to characterize the structural and textural properties (SLN and hierarchical zeolites); scanning electron microscopy (SEM) – to study morphology (SLN and hierarchical zeolites), confocal microscopy – to obtain the information regarding the curcumin distribution from high quality images and 3D image reconstructions based on autofluorescence of curcumin (SLN and hierarchical zeolites); low-temperature nitrogen adsorption/desorption – to determine textural properties of materials (hierarchical zeolites); - elemental analysis – to determine precise elemental composition of studied zeolite materials (hierarchical zeolites); Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) – to characterize functional groups of zeolite carriers (hierarchical zeolites); transmission electron microscopy (TEM) - to observe the structure of the material, (hierarchical zeolites); dynamic light scattering - particle sizes (Z-Ave) and polydispersity indexes (PDI) were determined (SLN); electrophoretic light scattering - SLN stability was measured by determining zeta potential (ZP) values (SLN). In conclusion, in the course of the conducted studies a number of original methods of synthesis and modification of the obtained carriers of active substances were presented. By using the synthesized carriers it became possible to improve the unfavorable properties of curcumin including its poor solubility and bioavailability. A fast and efficient method for deposition of curcumin on the carriers as well as its release from the carriers was also developed. The presented research results give hope to improve the shortcomings of commonly used active substance delivery systems.
The continuous progress of science in such fields as medicine, pharmacy, and cosmetology has led to an increased demand for new methods of effective delivery of bioactive compounds to the human body. Regardless of the type of active substance and its application, an important element is the selection and synthesis of appropriate carriers. Porous materials, including hierarchical zeolites and solid lipid nanoparticles, have proved to be an excellent solution of this issue. The main objective of the research within this dissertation entitled. "Nanostructured materials based on silica or lipid type materials as carriers of active" was to develop a reproducible method for the synthesis of hierarchical zeolites and solid lipid nanoparticles (SLNs), as a form of carriers for an active substance of plant origin, such as curcumin (CUR). The dissertation was prepared as a thematically coherent series of articles published in scientific journals, which describe the structure, method of preparation and possible application of hierarchical zeolites and solid lipid nanoparticles (SLN) as curcumin carriers. Based on the available literature, the characteristic properties of these innovative carriers are described, including their potential toxicity, possible applications, methods of synthesis and most important physicochemical properties. Based on the performed studies, the effect of incorporation of zeolite materials and solid lipid nanoparticles (SLNs) with curcumin on the release profile, stability or permeation through physiological barriers was determined. After the experimental processes, the optimal synthesis conditions were chosen and the properties of the obtained loaded and “empty” carriers were identified by: X-ray diffraction (XRD) and by differential scanning calorimetry (DSC) to characterize the structural and textural properties (SLN and hierarchical zeolites); scanning electron microscopy (SEM) – to study morphology (SLN and hierarchical zeolites), confocal microscopy – to obtain the information regarding the curcumin distribution from high quality images and 3D image reconstructions based on autofluorescence of curcumin (SLN and hierarchical zeolites); low-temperature nitrogen adsorption/desorption – to determine textural properties of materials (hierarchical zeolites); - elemental analysis – to determine precise elemental composition of studied zeolite materials (hierarchical zeolites); Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) – to characterize functional groups of zeolite carriers (hierarchical zeolites); transmission electron microscopy (TEM) - to observe the structure of the material, (hierarchical zeolites); dynamic light scattering - particle sizes (Z-Ave) and polydispersity indexes (PDI) were determined (SLN); electrophoretic light scattering - SLN stability was measured by determining zeta potential (ZP) values (SLN). In conclusion, in the course of the conducted studies a number of original methods of synthesis and modification of the obtained carriers of active substances were presented. By using the synthesized carriers it became possible to improve the unfavorable properties of curcumin including its poor solubility and bioavailability. A fast and efficient method for deposition of curcumin on the carriers as well as its release from the carriers was also developed. The presented research results give hope to improve the shortcomings of commonly used active substance delivery systems.
Description
Wydział Chemii
Sponsor
Keywords
stałe nanocząstki lipidów, SLN, zeolity hierarchiczne, kurkumina, substancja aktywna, solid lipid nanoparticles, SLN, hierarchical zeolites, curcumin, active substance