Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/14251

TitleSonoproduction of particles for delivery purposes
Author(s)Silva, Raquel
Advisor(s)Paulo, Artur Cavaco
Ferreira, Helena Susana da Costa Machado
Issue date27-Jul-2011
Abstract(s)Ultrasound was used to develop particle systems based on phospholipids and protein materials. This technique has proven to be a very effective method of nano and microstructured materials production. Owing to the variety of the application fields of such particles (nanomedicine, drug delivery, cosmetics, etc.), and as existing nano and microparticles are now available, a thorough knowledge of the formulating processes (and their potentialities) is essential in order to achieve the given purposes and needs for research. Based on this approach, it is necessary to develop or optimize methodologies that can fulfill all the requirements to create devices with delivery ability. In this work, to obtain large unilamellar vesicles (LUVs) from dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC), it was necessary an extensive characterization of ultrasound, namely power input, distance from ultrasound tip to base of reactor and treatment time, in order to control the maximum cavitation events. Results indicated a dependence on cavitation events that are a function of power input, and consequently on the position of the probe within the reaction vessel and the wave behaviour. Short treatment times were required to achieve nanosized vesicles in anti-nodal (/4; 19 mm) reactor geometries. In this wave point the cavitation phenomenon is more pronounced when compared to the nodal point (/2; 38 mm). The acknowledgment of this was also helpful for the incorporation of peptides in phospholipids aggregates. The developed systems were characterized in terms of morphology, zeta-potential, particle size and size distribution. Studies were also performed in order to investigate the mechanism of protein microspheres formation by ultrasound sources using different proteins bovine serum albumin (BSA), human serum albumin (HSA) and silk fibroin (SF) as well as diverse peptide constructions. The microspheres were produced by means of ultrasonication of two-phase starting mixture, consisting of protein solution and organic solvent or natural oils. Several parameters, namely protein concentration, ratio of aqueous/organic phase were tested to study their influence in the physico-chemical properties of the developed particles. It was conclude that the particles size decrease with the use of higher protein concentration (5.0 g.L-1 and 10.0 g.L-1 for BSA and SF, respectively) and with lower percentage of organic phase (5%). The use of different proteins along with different peptides constructions allowed us to prove that the main mechanism of protein microspheres formation is the mass transport effects, promoted by ultrasound, which led to a change in protein entropy system and, consequently, to an enhancement of hydrophilic and hydrophobic interactions forming a closed ring, a microsphere. The performance of several stabilizers in microspheres formulation was determined. The results demonstrate that the polyvinyl alcohol (PVA) is the most efficient for these protein devices and that 8% was the amount required to obtain smaller sizes and a monodispersed population [≈ 260 nm of size diameter and ≈ 0.060 of polydispersity index (PDI)]. The developed protein-based systems were also characterized regarding their ability to be used as release systems. Two categories of bioactive agents - natural oils and anti-inflammatory drug - were incorporated within protein microspheres. The results demonstrated that they are non-cytotoxic in a certain range of microspheres concentration. Additionally, the developed materials were able to incorporate and to release, with a defined profile, molecules pertaining to two different groups of bioactive agents (natural oils and anti-inflammatory drugs). The sonochemical method has been further extended to the application of these microspheres containing piroxicam, onto cotton and nonwoven gauzes. A sustained release of piroxicam was observed over time, greatly supporting their application for textile-based wound dressings. In summary, the results of this work show that it was possible to develop liposomes and protein microspheres with ultrasound sources, whose characterization showed their ability to incorporate and deliver different bioactive agents.
A técnica de ultra-sons foi usada no desenvolvimento de sistemas de partículas a partir de fosfolipídios e proteínas. Esta técnica provou ser um método muito eficaz na produção de nano e micro-materiais estruturados. Devido à variedade de áreas de aplicação de tais partículas (nano-medicina, libertação controlada de medicamentos, cosméticos, etc.), e ao grande número de nano e micropartículas existentes, um conhecimento profundo dos processos de formulação (e suas potencialidades) é essencial para alcançar os objectivos pretendidos e as necessidades de investigação. Com base nesta abordagem, mostra-se necessário desenvolver e optimizar metodologias capazes de satisfazer todos os requisitos indispensáveis à criação de dispositivos com capacidade de libertação controlada. Neste trabalho, para obter vesículas unilamelares grandes (LUVs), a partir do dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC), foi necessária uma extensa caracterização dos ultra-sons, nomeadamente a potência, a distância da sonda de ultra-sons à base do reactor e o tempo de tratamento, de forma a controlar os fenómenos de cavitação máxima. Os resultados obtidos indicaram que os fenómenos de cavitação, para além de dependerem da energia aplicada dependem ainda da posição da sonda dentro do recipiente de reacção e do comportamento da onda. Para atingir vesículas nanométricas no ponto antinodal (/4; 19 mm) do reactor foram suficientes tempos de tratamento de curta duração. Naquele ponto da onda, o fenómeno de cavitação é mais acentuado quando comparado com o ponto nodal (/2; 38 mm). A confirmação desta ocorrência foi também útil para a incorporação de péptidos em agregados de fosfolipídos. Os sistemas desenvolvidos foram caracterizados em termos de morfologia, potencial zeta, tamanho de partícula e distribuição de tamanho. Foram também realizados estudos para investigar o mecanismo de formação de microesferas de proteína por fontes de ultra-sons utilizando diferentes proteínas como a albumina serum bovina (BSA), albumina serum humana (HSA) e a fibroína da seda (SF), bem como diversas construções peptídicas. As microesferas foram produzidas através da sonicação de uma mistura com duas fases, que consiste em uma solução de proteína e solventes orgânicos ou óleos naturais. Vários parâmetros, nomeadamente a concentração de proteína, as relações de fase aquosa/orgânica foram testadas para estudar a sua influência nas propriedades físico-químicas das partículas desenvolvidas. Verificou-se uma diminuição no tamanho das partículas com o uso de maior concentração de proteína (5.0 g.L-1 e 10.0 g.L-1 para BSA e SF, respectivamente) e com menor percentagem de fase orgânica (5%). A utilização de diferentes proteínas, juntamente com diferentes construções peptídicas permitiu concluir que o principal mecanismo de formação de microesferas de proteína são os efeitos de transporte de massa, promovido pelos ultra-sons, que leva a uma mudança na entropia da proteína e, consequentemente, a um aumento de interacções hidrofílicas e hidrofóbicas, formando um anel fechado, a microesfera. O efeito de estabilizadores nas várias formulações de microesferas foi também determinado. Os resultados demonstram que o polivinil álcool (PVA) é o mais eficiente para estes dispositivos de proteína e 8% é a quantidade necessária para obter tamanhos menores e populações monodispersas [≈ 260 nm de diâmetro e ≈ 0.060 de índice de polidispersão (PDI)]. Os sistemas desenvolvidos baseados em proteína também foram caracterizados quanto à sua capacidade para serem aplicados como sistemas de libertação. Duas categorias de agentes bioactivos - óleos naturais e anti-inflamatórios - foram incorporados no interior das microesferas de proteína. Os resultados revelaram que estas não são cito-tóxicas em determinadas concentrações. Além disso, os materiais desenvolvidos demonstraram ser capazes de incorporar e libertar, com um perfil definido, moléculas pertencentes a dois diferentes grupos de agentes bioactivos (óleos naturais e fármacos anti-inflamatórios). O método sonoquímico foi ainda utilizado na aplicação das microesferas contendo piroxicam, em gazes de algodão e não-tecido, para obter uma libertação controlada de piroxicam ao longo do tempo, apoiando extraordinariamente a sua aplicação no desenvolvimento de novos depósitos de ferida baseados em materiais têxteis. Em resumo, foi criada evidência sobre a possibilidade de desenvolver lipossomas e microesferas à base de proteínas através de sistemas de ultra-sons, cuja caracterização traduz a sua capacidade de incorporar e de libertar diferentes agentes bioactivos.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento em Engenharia Têxtil
URIhttp://hdl.handle.net/1822/14251
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
DET/2C2T - Teses de doutoramento

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