Alginate and chitosan-based biodegradable systems: A versatile framework for diverse delivery needs

Abstract

Els sistemes d’alliberament, que encapsulen materials dins d'una càpsula, ofereixen nombrosos avantatges, incloent l’alliberament controlat i una major estabilitat. Els polímers naturals són atractius per la seva biodegradabilitat, no toxicitat i capacitat de gelificació. Aquesta tesi doctoral explora el desenvolupament i la caracterització de sistemes d’alliberament basats en polímers naturals (alginat i quitosà) per a diverses aplicacions. La primera part de la tesi es centra en encapsular un colorant blau, component dels detergents líquids, en una xarxa interpenetrant d’alginat i polietilenglicol (PEG), amb l'objectiu de substituir les càpsules basades en formaldehid, que són tòxiques. Es van investigar diferents paràmetres: l’acrilat derivat del PEG (dimetacrilat o diacrilat) i el moment en què es van irradiar les càpsules amb llum UV. De tots els sistemes analitzats, les càpsules preparades amb alginat i diacrilat de polietilenglicol mostraven les millors propietats tèrmiques i mecàniques. En segon lloc, vam sintetitzar càpsules a base d’alginat que encapsulaven oli essencial de lavanda per al tractament de l’acne. Les càpsules entrecreuades amb zinc mostraven una major activitat antibacteriana que les càpsules entrecreuades amb calci contra Staphylococcus aureus i Staphylococcus epidermidis, atribuïda a les propietats antibacterianes dels ions zinc i a l’oli essencial de lavanda alliberats. També es van preparar nanopartícules de quitosà que encapsulaven ciprofloxacina, un antibiòtic amb potencial anticancerígen. Es va estudiar la seva morfologia i eficiència d’encapsulació. A més, es va avaluar la seva eficàcia anticancerígena utilitzant un model d'esferoide tridimensional de càncer de bufeta, demostrant que aquestes nanopartícules presenten un potencial terapèutic prometedor. Finalment, es van preparar apòsits per a ferides recoberts amb biopolímers i levofloxacina utilitzant un sistema automatitzat de deposició per esprai. L’addició dels biopolímers als apòsits n’incrementava la permeabilitat al vapor d'aigua, millorava l’alliberació sostinguda del fàrmac i la seva activitat antibacteriana, transformant-los en sistemes terapèutics actius.

Los sistemas de liberación, que encapsulan materiales dentro de una cápsula, ofrecen numerosas ventajas, incluyendo la liberación controlada y una mayor estabilidad. Los polímeros naturales son atractivos por su biodegradabilidad, no toxicidad y capacidad de gelificación. Esta tesis doctoral explora el desarrollo y la caracterización de sistemas de liberación basados en polímeros naturales (alginato y quitosano) para diversas aplicaciones. La primera parte de la tesis se centra en encapsular un colorante azul, componente de los detergentes líquidos, en una red interpenetrante de alginato y polietilenglicol (PEG), con el objetivo de sustituir las cápsulas basadas en formaldehído, que son tóxicas. Se investigaron diferentes parámetros: el acrilato derivado del PEG (dimetacrilato o diacrilato) y el momento en que se irradiaron las cápsulas con luz UV. De todos los sistemas analizados, las cápsulas preparadas con alginato y diacrilato de polietilenglicol mostraban las mejores propiedades térmicas y mecánicas. En segundo lugar, sintetizamos cápsulas a base de alginato que encapsulaban aceite esencial de lavanda para el tratamiento del acné. Las cápsulas entrecruzadas con zinc mostraban una mayor actividad antibacteriana que las cápsulas entrecruzadas con calcio contra Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis, atribuida a las propiedades antibacterianas de los iones zinc y al aceite esencial de lavanda liberados. También se prepararon nanopartículas de quitosano que encapsulaban ciprofloxacino, un antibiótico con potencial anticancerígeno. Se estudió su morfología y eficiencia de encapsulación. Además, se evaluó su eficacia anticancerígena utilizando un modelo de esferoide tridimensional de cáncer de vejiga, demostrando que estas nanopartículas presentan un potencial terapéutico prometedor. Finalmente, se prepararon apósitos para heridas recubiertos con biopolímeros y levofloxacino utilizando un sistema automatizado de deposición por spray. La adición de los biopolímeros a los apósitos incrementaba su permeabilidad al vapor de agua, mejoraba la liberación sostenida del fármaco y su actividad antibacteriana, transformándolos en sistemas terapéuticos activos.

Delivery systems, which encapsulate materials within a protective shell, offer numerous advantages, including controlled release and enhanced stability. Natural polymers are attractive due to their biodegradability, non-toxicity, and gelation capabilities. This PhD thesis explores the development and characterization of delivery systems based on natural polymers (alginate and chitosan) for various applications. The first part of the thesis focuses on encapsulating blue dye, a component of laundry detergents, in an interpenetrating network constituted of alginate and poly(ethylene glycol) (PEG), with the aim of replacing toxic formaldehyde-based capsules. Different parameters were investigated: the acrylate derived from PEG (dimethacrylate or diacrylate) and the time when the capsules were irradiated with UV light. Of all the systems analysed, capsules prepared using alginate and poly(ethylene glycol) diacrylate showed the best thermal and mechanical properties. Secondly, we synthesized alginate-based capsules encapsulating lavender essential oil for acne treatment. Zinc-crosslinked capsules exhibited greater antibacterial activity than calcium-crosslinked capsules against Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis, attributed to the antibacterial properties of the released zinc ions and lavender essential oil. Chitosan nanoparticles encapsulating ciprofloxacin, an antibiotic with anticancer potential, were also prepared. Their morphology and encapsulation efficiency were studied. Furthermore, their anticancer efficacy was evaluated using a 3D spheroid model of bladder cancer, demonstrating that these nanoparticles hold promising therapeutic potential. Finally, wound pads coated with biopolymers and levofloxacin were prepared using an automated spray deposition system. The addition of biopolymers to the wound dressings increased their water vapor permeability, improved sustained drug release, and enhanced their antibacterial activity, transforming them into active therapeutic systems.