Nanoencapsulación de riboflavina en matrices poliméricas biodegradables empleando la técnica de secado por aspersión

Abstract

En este trabajo se estudiaron las características estructurales y morfológicas de nanopartículas de Riboflavina (vitamina B2), encapsulada en matrices de Quitosano, Alginato y Pectina y una combinación de estos biopolímeros Alginato-Quitosano y Pectina-Quitosano. Las nanoesferas se obtuvieron empleando la técnica de secado por aspersión a escala nano (Nano Spray Dryer Büchi B-90). Se determinaron las condiciones de concentración efectivas de los biopolímeros y variables de proceso en el funcionamiento del equipo Nano Spray Dryer para la formación de nanoestructuras con tamaños homogéneos. Este equipo tiene la capacidad de secar por pulverización soluciones y suspensiones acuosas empleando aire comprimido como gas de secado, produciendo estructuras con una distribución homogénea de tamaños. Se empleó 0.125% de concentración en cada biopolímero para que el microfiltro no se sature de la solución a utilizar, esto se analizó mediante un diseño de factorial de experimentos 23, en el que se fijaron condiciones de uso del Nano Spray Dryer para la formacion de nanopartículas de tamaño homogeneo. Las variables de proceso del equipo fueron: microfiltro de 4 μm y temperatura de 120°C. Para diseñar estructuras resistentes y compactas, se determinó el intervalo de pH en el cual se favorece la interacción de cargas electrostáticas inversas entre ambos biopolímeros (Alginato- Quitosano y Pectina-Quitosano), con el fin de formar nanoesferas compactas y resistentes para la liberación controlada de Riboflavina. La medición de cargas electrostáticas se realizó en un equipo Nano Zetasizer. Una vez obtenida la curva de interacción pH vs. mV (cargas electrostáticas), se realizaron las soluciones de biopolímeros y se ajustó el pH de la solución de Alginato-Quitosano (pH = 3.3) y de Pectina-Quitosano (pH = 3.6) en cada biopolímero para su posterior acoplamiento. Una vez teniendo la solución homogénea, se elaboran las nanopartículas en el equipo Nanospray Dryer. La estabilidad de las nanoesferas a la humedad del medio se analizó observando la morfología de las estructuras a través de la técnica de Microscopia Electrónica de Barrido (SEM). En general, las nanoesferas fueron estables a una humedad de 33 y 75%, sin embargo, a una humedad del 98% las estructuras se hidrataron en las primeras 24 horas, presentando estructuras aglomerados. Del análisis de espectroscopia FT-IR, se observaron los grupos funcionales que interactúan una vez que las nanoesferas están formadas, estableciendo que el grupo carboxilo (-COO) del polímero aniónico (Alginato) puede interactuar con el grupo amino (- ) del Quitosano en la interacción Quitosano-Alginato. Finalmente, se realizó la cinética de liberación de Riboflavina en un modelo in vitro. Como resultado del mismo se observó que la interacción de biopolímeros tiene una liberación progresiva, resaltando que la combinación de Pectina-Quitosano fue la matriz en la cual se liberó más rápidamente la vitamina comenzando en los primeros 40 min de su hidratación y la de Alginato-Quitosano lo hizo en un tiempo de 30 min. Concluyendo así que la matriz de Pectina-Quitosano retardó la liberación del compuesto activo. En cuanto a los resultados de concentración, las nanopartículas en promedio alcanzaron una estabilidad en concentraciones de 0.02 mM, a partir de este punto la liberación que manifiestan se mantiene constante. ABSTRACT In this work the structural and morphological characteristics of nanoparticles of riboflavin (vitamin B2), encapsulated in matrices of Chitosan, Alginate and Pectin and combinations of these biopolymers: Alginate-Chitosan and Pectin-Chitosan were studied. The nanospheres were obtained using the Spray Drying technique at nano scale (Nano Spray Dryer Büchi B-90). The effective experimental conditions to form nanostructures with homogenous sizes were determined. Variables such as concentration of biopolymers and temperature of drying were studied during processing in the Nano Spray Dryer. This equipment has the capability to spray drying aqueous solutions and suspensions using compressed air as the drying gas, producing structures with a homogenous size distribution. For drying, 0.125% concentration of each biopolymer was used to avoid saturation of the microfilter. Results were analyzed by a statistical factorial design 23, in which experimental conditions of processing by the Nano Spray Dryer were studied to form nanoparticles of uniform size. The variables selected were: 4 microns microfilter and 120 ° C. To design robust and compact structures, the pH range in which the interaction of electrostatic charges between these two biopolymers (Alginate-Chitosan and Pectin-Chitosan) was studied. The measurement of electrostatic charge was performed in a Nano Zetasizer equipment. Once the interaction curve pH vs mV (electrostatic charge) biopolymers solutions were built, the pH of the Alginate-Chitosan (pH = 3.3) and Pectin-Chitosan (pH = 3.6) solutions was adjusted. Once having the homogeneous solution, the nanoparticles are obtained in the Nano Spray Dryer equipment. Nanospheres stability to moisture of the medium was analyzed by observing the morphology of the structures through Scanning Electron Microscopy (SEM). Overall, the nanospheres were stable at an interval of humidities between 33 and 75%, however, at high humidity (98%) structures were rapidly hydrated in the first 24 hours, introducing agglomerates. By the FTIR analysis of nanospheres, functional groups interactions were observed, establishing that the (-COO) carboxyl group of the anionic polymer (Alginate) can interact with the amino group (NH3) of chitosan in Alginate-Chitosan interaction. Finally, the kinetics of the release of riboflavin was performed in an in vitro model. As a result, it was observed that the interaction of biopolymers is a progressive release, noting that the combination of chitosan-pectin was the matrix in which vitamin released more quickly starting in the first 40 min of their hydration and chitosan-alginate did so in a time of 30 min concluding that the chitosan-pectin matrix delayed release of the active compound. Regarding the results of concentration of vitamin, nanoparticles reached at maximum concentration at 0.02 mM after two hours.