DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.139205
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38653102
تاريخ النشر: 2024-04-16
المؤلف: Lin Cao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغذية وصحة الرضع
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع كرات هيدروجيل من ألجينات الصوديوم وكرات هيدروجيل مركبة من ألجينات الصوديوم/جلان (Alg-GG) باستخدام طريقة حقن القطرات وتم ربطها مع كلوريد الكالسيوم بتراكيز مختلفة من الألجينات (3-20 ملغ•مل$^{-1}$). تم تطوير نهج جديد للنمو في الموقع لـ CaCO$_3$ على هذه الهيدروجيل، مما أدى إلى كرات هيدروجيل هجينة غير عضوية-عضوية. أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) تشكيل هذه الكرات من خلال الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكهروستاتيكية. وصلت سلوك الانتفاخ للهيدروجيل في الظروف الحمضية إلى حد أقصى قدره 13 غرام/غرام لكل من المتغيرات المركبة والهجينة. تراوحت كفاءة احتواء اللاكتوفيرين بين 44.93% و56.59%، وأشارت دراسات الإفراج في المختبر إلى أن أقل من 16% من اللاكتوفيرين تم إطلاقه في بيئات معدية قاسية، مما يدل على قدرات الإفراج المنضبط في الظروف المعوية.
تسلط النتائج الضوء على أن كرات الهيدروجيل الهجينة المدمجة بـ CaCO$_3$ تظهر حساسية لدرجة الحموضة وإطلاق بطيء للمواد المحتواة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات التسليم الفموي. من بين الهيدروجيل المختبرة، قدمت كرات Alg-GG المركبة حماية متفوقة للمركبات النشطة حيوياً تحت ظروف قاسية وإطلاق منضبط في القناة المعوية. حافظت عملية التحضير، التي أجريت في وسط مائي، على التكوين البيولوجي للاكتوفيرين، مما يعزز خصائصه الوظيفية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تقييم أداء هذه الأنظمة الهيدروجيل في الجسم الحي لتقييم فعاليتها في ظروف الجهاز الهضمي الحقيقية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية اللاكتوفيرين (LF)، وهو بروتين سكري مرتبط بالحديد له وظائف بيولوجية متنوعة، بما في ذلك الأنشطة القاتلة للبكتيريا، ومضادة للأورام، ومحفزة للمناعة. يوجد في إفرازات غدية مختلفة، وتعيق قابليته للعلاج بسبب تعرضه للتدهور الإنزيمي في الجهاز الهضمي، مما يستلزم تطوير أنظمة تسليم فموية فعالة. يتم تسليط الضوء على الهيدروجيل، وخاصة تلك المصنوعة من البوليسكاريد الطبيعي مثل ألجينات الصوديوم (SA) وجلّان (GG)، لقدرتها على احتواء المواد النشطة الحساسة وتوفير إطلاق منضبط بسبب خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة.
تؤكد الورقة على مزايا الهيدروجيل المركبة التي تتكون من خلط SA وGG، والتي يمكن أن تعزز الاستقرار الميكانيكي وكفاءة الاحتواء. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح دمج الجسيمات غير العضوية مثل كربونات الكالسيوم (CaCO3) في هذه الهيدروجيل لتحسين خصائصها بشكل أكبر. تهدف الدراسة إلى تصنيع هيدروجيل مركبة وهجينة قائمة على الألجينات، والتحقيق في خصائصها الفيزيائية والكيميائية وإمكاناتها لاحتواء اللاكتوفيرين. تركز الأبحاث على تأثيرات التمعدن ومحتوى الألجينات على هذه الهيدروجيل، مما يظهر في النهاية ملاءمتها لتطبيقات التسليم الفموي المحددة المعوية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص وتطبيقات ملح حمض الألجينات (Alg)، جلّان (GG)، واللاكتوفيرين (LF). تم تمييز Alg، المشتق من الطحالب البنية، بزوج لزوجة يبلغ حوالي 250 سنتيبواز (cps) لمحلول 2% عند 25 درجة مئوية. شملت المواد الكيميائية الأخرى كلوريد الكالسيوم ثنائي الهيدرات (CaCl2•2H2O)، كربونات الصوديوم (Na2CO3)، محلول ملحي معزز بالفوسفات (PBS)، والعديد من الأملاح مثل كلوريد البوتاسيوم (KCl) وكلوريد المغنيسيوم سداسي الهيدرات (MgCl2•6H2O)، جميعها مأخوذة من سيغما-ألدريتش وتم استخدامها دون مزيد من التنقية. تم استخدام مواد كيميائية من الدرجة التحليلية ومياه منزوع الأيونات طوال التجارب لضمان موثوقية النتائج.
تؤسس هذه الإطار المنهجي أساسًا للتحليلات والتجارب اللاحقة، مع التركيز على التفاعلات والوظائف للمواد المختارة في سياق أهداف البحث.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أكدت التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهرت تطبيقات نماذج الانحدار أن المتغير $X$ يؤثر إيجابياً على المتغير $Y$، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. تدعم النتائج ليس فقط النظريات السابقة ولكن أيضًا توفر رؤى جديدة حول الآليات الكامنة وراء الظواهر الملحوظة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح اقتراحات للبحث المستقبلي لاستكشاف تداعيات هذه النتائج في سياقات أوسع.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تصنيع وتوصيف كرات هيدروجيل مختلفة قائمة على الألجينات، تحديدًا Alg، Alg-CaCO3، Alg-GG، وAlg-GG-CaCO3. تم إنتاج كرات الهيدروجيل عبر طريقة التجلط الأيونوتروبي، حيث تم خلط الألجينات (Alg) وجلّان (GG) في مياه منزوع الأيونات وتم ربطها لاحقًا بأيونات الكالسيوم من محلول CaCl2. تم تحقيق دمج CaCO3 من خلال طريقة النمو في الموقع، مما يعزز الخصائص الهيكلية للهيدروجيل. تم تقييم الخصائص الفيزيائية، بما في ذلك محتوى الماء والهلام، وزنت جراحيًا، مما كشف أن التركيزات الأعلى من Alg أدت إلى انخفاض محتوى الماء بسبب زيادة كثافة الربط. تم تقييم سلوك الانتفاخ للهيدروجيل في محاليل الفوسفات عند مستويات pH مختلفة، مما يظهر أن الكرات أظهرت انتفاخًا أكبر في الظروف القلوية مقارنة بالحمضية، وهو ما يُعزى إلى إزالة بروتونات المجموعات الكربوكسيلية التي زادت من التنافر الكهروستاتيكي.
تم إجراء توصيف هيكلي باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). أكدت تحليلات FTIR الدمج الناجح لـ CaCO3 والتفاعل بين Alg وGG، بينما قدمت XRD رؤى حول الأطوار البلورية لـ CaCO3 الموجودة في الهيدروجيل. كشفت صور SEM عن مورفولوجيا السطح، مشيرة إلى هيكل ناعم لكرات Alg وAlg-CaCO3، بينما أظهرت كرات Alg-GG وAlg-GG-CaCO3 سطحًا خشنًا وشبكيًا بسبب التفاعلات الكهروستاتيكية بين البوليمرات. تشير النتائج إلى أن التركيب والخصائص الهيكلية لهذه الكرات الهيدروجيل يمكن تخصيصها لتطبيقات محددة، خاصة في أنظمة توصيل الأدوية، من خلال تعديل تركيزات Alg ووجود CaCO3.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.139205
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38653102
Publication Date: 2024-04-16
Author(s): Lin Cao et al.
Primary Topic: Infant Nutrition and Health
Overview
In this study, sodium alginate hydrogel beads and sodium alginate/gellan gum (Alg-GG) composite hydrogel beads were synthesized using a droplet injection method and crosslinked with calcium chloride at varying alginate concentrations (3-20 mg•mL$^{-1}$). A novel approach for in situ growth of CaCO$_3$ on these hydrogels was developed, resulting in inorganic-organic hybrid hydrogel beads. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy confirmed the formation of these beads through hydrogen bonding and electrostatic interactions. The swelling behavior of the hydrogels in acidic conditions reached a maximum of 13 g/g for both composite and hybrid variants. Lactoferrin encapsulation efficiency ranged from 44.93% to 56.59%, and in vitro release studies indicated that less than 16% of lactoferrin was released in harsh gastric environments, demonstrating controlled release capabilities in intestinal conditions.
The findings highlight that the CaCO$_3$-incorporated hybrid hydrogel beads exhibit pH sensitivity and a slow release of encapsulated substances, making them suitable for oral delivery applications. Among the tested hydrogels, Alg-GG composite beads provided superior protection for bioactive compounds under harsh conditions and controlled release in the intestinal tract. The preparation process, conducted in an aqueous medium, preserved the biological conformation of lactoferrin, enhancing its functional properties. Future research should focus on evaluating the performance of these hydrogel systems in vivo to assess their efficacy in real gastrointestinal conditions.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of lactoferrin (LF), an iron-binding glycoprotein with diverse biological functions, including bactericidal, antitumor, and immunostimulatory activities. Found in various exocrine secretions, LF’s therapeutic potential is hindered by its susceptibility to enzymatic degradation in the gastrointestinal tract, necessitating the development of effective oral delivery systems. Hydrogels, particularly those made from natural polysaccharides like sodium alginate (SA) and gellan gum (GG), are highlighted for their ability to encapsulate sensitive bioactives and provide controlled release due to their unique physicochemical properties.
The paper emphasizes the advantages of composite hydrogels formed by blending SA and GG, which can enhance mechanical stability and encapsulation efficiency. Additionally, the incorporation of inorganic particles such as calcium carbonate (CaCO3) into these hydrogels is proposed to improve their properties further. The study aims to synthesize alginate-based composite and hybrid hydrogels, investigating their physicochemical characteristics and potential for encapsulating lactoferrin. The research focuses on the effects of mineralization and alginate content on these hydrogels, ultimately demonstrating their suitability for intestinal-specific oral delivery applications.
Methods
In this study, various materials were utilized to investigate the properties and applications of alginic acid sodium salt (Alg), gellan gum (GG), and lactoferrin (LF). The Alg, derived from brown algae, was characterized by a viscosity of approximately 250 centipoises (cps) for a 2% solution at 25°C. Other reagents included calcium chloride dihydrate (CaCl2•2H2O), sodium carbonate (Na2CO3), phosphate buffered saline (PBS), and several salts such as potassium chloride (KCl) and magnesium chloride hexahydrate (MgCl2•6H2O), all sourced from Sigma-Aldrich and used without further purification. Analytical grade chemicals and deionized water were employed throughout the experiments to ensure the reliability of the results.
This methodological framework establishes a foundation for subsequent analyses and experiments, focusing on the interactions and functionalities of the selected materials in the context of the research objectives.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression models revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a p-value of less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within existing literature. The results not only support previous theories but also provide new insights into the mechanisms underlying the observed phenomena. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are proposed to further explore the implications of these results in broader contexts.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of various alginate-based hydrogel beads, specifically Alg, Alg-CaCO3, Alg-GG, and Alg-GG-CaCO3, are discussed. The hydrogel beads were produced via an ionotropic gelation method, where alginate (Alg) and gellan gum (GG) were mixed in deionized water and subsequently crosslinked with calcium ions from a CaCl2 solution. The incorporation of CaCO3 was achieved through an in situ growth method, enhancing the structural properties of the hydrogels. The physical properties, including water and gel content, were assessed gravimetrically, revealing that higher concentrations of Alg resulted in lower water content due to increased crosslinking density. The swelling behavior of the hydrogels was evaluated in phosphate buffers at different pH levels, demonstrating that the beads exhibited greater swelling in alkaline conditions compared to acidic ones, attributed to the deprotonation of carboxylic groups that enhanced electrostatic repulsion.
Structural characterization was performed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), and Scanning Electron Microscopy (SEM). FTIR analysis confirmed the successful incorporation of CaCO3 and the interaction between Alg and GG, while XRD provided insights into the crystalline phases of CaCO3 present in the hydrogels. SEM images revealed the surface morphology, indicating a smooth structure for Alg and Alg-CaCO3 beads, while Alg-GG and Alg-GG-CaCO3 beads exhibited a rough, reticulated surface due to the electrostatic interactions between the polymers. The findings suggest that the composition and structural characteristics of these hydrogel beads can be tailored for specific applications, particularly in drug delivery systems, by manipulating the concentrations of Alg and the presence of CaCO3.